Motorische Karten

Motorische Informationen sind nach anatomischen Unterteilungen im primären motorischen Kortex organisiert, wodurch eine topographische Karte im Gehirn entsteht.

Die kortikalen Repräsentationen des Körpers befinden sich im präzentralen Gyrus und sind in einem motorischen Homunkulus organisiert?” und sind umgekehrt angeordnet, so dass sich die Bereiche, die die Zehen steuern, in der medialen Wand befinden und die Zunge in der Nähe des Sulcus lateralis liegt.

Darüber hinaus haben Körperteile, die eine feinere willkürliche motorische Kontrolle erfordern, wie die Hände und die zugehörigen Finger, größere Repräsentationen im Kortex, verglichen mit anatomischen Merkmalen, die keine so präzise Manipulation erfordern, wie die Hüfte.

Der Homunkulus ist ebenfalls lateralisiert, wobei Neuronen im linken primären motorischen Kortex (hier gezeigt) die rechte Körperseite kontrollieren und umgekehrt. Wenn also eine Person ihre rechte Hüfte bewegt, kommt es zu einer erhöhten kortikalen Aktivierung ihres linken präzentralen Gyrus innerhalb einer diskreten Region.

Dieses Video beschreibt ein Experiment, das moderne funktionelle Neurobildgebung verwendet, um die körperkartierte Organisation des primären motorischen Kortex des Menschen zu demonstrieren, einschließlich der Erfassung und Analyse der Gehirnaktivität, wenn die Teilnehmer ihre Hände oder Füße bewegen.

In diesem Experiment wird die Gehirnaktivität mit Hilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie, abgekürzt fMRT, gemessen, während die Teilnehmer wiederholt aufgefordert werden, verschiedene Körperteile zu bewegen – wie die Ziffern ihrer linken oder rechten Hand.

Diese Technik beruht auf Veränderungen der Blutsauerstoffsättigung, die als BOLD? Abhängig von der Sauerstoffversorgung des Blutes. Für einen detaillierten Einblick in die Prinzipien hinter der Methode verweisen wir auf ein weiteres Video in der SciEd Essentials of Neuroscience Collection von JOVE, fMRT: Functional Magnetic Resonance Imaging.

In dem hier dargestellten Kontext, wenn sich ein Körperteil, wie z.B. der linke Fuß, hin und her beugt, erhöht sich der sauerstoffreiche zerebrale Blutfluss, der von den Arterien im Gehirn versorgt wird, zu den neuronalen Regionen, die während dieser Bewegung aktiv sind, wie z.B. der primäre motorische Kortex.

Diese hämodynamische Reaktion erfolgt jedoch langsamer als die eigentliche körperliche Bewegung, was eine Trennung der Handlungen von Ruhephasen rechtfertigt.

Daher ist jede Körperbewegung genau zeitlich abgestimmt, um die vier Zustände voneinander zu unterscheiden: linke Hand, linker Fuß, rechte Hand und rechter Fuß.

Zum Beispiel werden die Teilnehmer an einem fMRT-Gerät gebeten, mit der linken Hand zu gestikulieren, wenn eine auf der linken Seite eines Präsentationsbildschirms erscheint.

Die erforderliche Handbewegung ist tatsächlich komplex und beinhaltet das Berühren des Daumens mit jedem Finger, in der Reihenfolge, beginnend mit dem Zeiger. Dann muss der Teilnehmer diese Aktionen in die entgegengesetzte Richtung wiederholen, beginnend mit dem kleinen Finger.

Die Bewegung wird gestoppt, wenn das Queue – in diesem Fall das Bild der linken Hand – vom Bildschirm verschwindet.

Wenn sie einen Fuß auf der rechten Seite sehen, werden sie angewiesen, ihren rechten Fuß zu bewegen, indem sie ihn wiederholt nach unten drücken, bis das Bild verschwindet.

Die abhängige Variable ist dabei die Intensität der BOLD-Reaktion nach einer Bewegung aus der Hand oder dem Fuß, die dann auf bestimmte Hirnregionen lokalisiert werden kann.

Bei einer Bewegung der linken Hand wird eine Hirnaktivierung vor allem an der rechten dorsolateralen Fläche des Gyrus präcentralis erwartet. Im Gegensatz dazu wird bei einer Bewegung der rechten Hand die Aktivierung des Gehirns auf der linken dorsolateralen Fläche erwartet. Diese Ergebnisse würden mit dem lateralisierten motorischen Homunkulus übereinstimmen.

Vor dem Experiment werden Teilnehmer rekrutiert, die Rechtshänder sind, ein normales oder auf normales Sehvermögen korrigiertes Sehvermögen haben, keine metallischen Implantate in ihrem Körper haben oder aufgrund von Bedenken hinsichtlich der experimentellen Kontrolle und der Sicherheit an Klaustrophobie leiden.

Lassen Sie sie vor dem Scan Unterlagen ausfüllen, die Fragen zu Gesundheits- und Sicherheitsfragen während der Sitzung enthalten, wie z. B. die Zustimmung eines Radiologen, sich seine Bilder im Falle von Zufallsbefunden anzusehen, sowie die Einzelheiten zu den Risiken und Vorteilen der Studie.

Bitten Sie den Teilnehmer, auch alle Metallgegenstände von seinem Körper zu entfernen, einschließlich Uhren, Telefone, Geldbörsen, Schlüssel, Gürtel und Münzen, um sich auf den Eintritt in den Scanraum vorzubereiten.

Erklären Sie als Nächstes die Aufgabenregeln: Das Anhängsel, das sie bewegen müssen, in diesem Fall ihr Fuß, erscheint als visueller Hinweis auf der entsprechenden Seite des Bildschirms. Zeigen Sie, wie sie ihren Fuß bewegen sollen, indem Sie ihn wiederholt nach unten drücken, als ob Sie auf ein imaginäres Pedal treten würden.

Wenn ein Handzeichen erscheint, müssen sie den Daumen nacheinander mit jedem Finger derselben Hand berühren und dann diese Sequenz in umgekehrter Reihenfolge wiederholen.

Bringen Sie nun den Teilnehmer in den Bildgebungsraum. Stellen Sie Ohrstöpsel bereit, um ihre Ohren vor lauten Geräuschen zu schützen, und Kopfhörer, damit sie während der Sitzung jede zusätzliche Kommunikation hören können. Lassen Sie sie sich mit dem Kopf in der Spirale auf das Bett legen und sichern Sie sie mit Schaumstoffpolstern, um übermäßige Bewegungen und Unschärfen während des Scans zu vermeiden.

Über den Teilnehmern? Augen, platzieren Sie einen Spiegel, der einen Bildschirm reflektiert, auf der Rückseite der Scannerbohrung. Geben Sie ihnen dann einen Quetschball, den sie im Notfall verwenden können. Erinnern Sie sie auch daran, dass es sehr wichtig ist, die ganze Zeit so ruhig wie möglich zu bleiben.

Nachdem Sie den Teilnehmer in die Maschine geführt haben, sammeln Sie zunächst hochauflösende, anatomische Bilder. Um den funktionalen Teil zu starten, synchronisieren Sie die Stimuluspräsentation mit dem Start des Scanners.

Präsentieren Sie die visuellen Hinweise über einen Laptop, der an einen Projektor angeschlossen ist, jeweils für 12 Sekunden, gefolgt von 12 Sekunden Ruhe-Grundlinie. Wechseln Sie zwischen den vier Bedingungen: linke Hand, rechte Hand, linker Fuß und rechter Fuß, jeweils viermal innerhalb von 6,5 Minuten.

Sobald der Scan abgeschlossen ist, leiten Sie den Teilnehmer aus dem Raum. Führen Sie eine Nachbesprechung durch und entschädigen Sie für ihre Teilnahme an der Studie.

Als ersten Schritt der Analyse führen Sie eine Vorverarbeitung der Daten durch, indem Sie eine Bewegungskorrektur durchführen, um Artefakte zu reduzieren, eine zeitliche Filterung durchführen, um Signalabweichungen zu entfernen, und eine räumliche Glättung, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen.

Erstellen Sie anhand dieser Daten ein Modell der erwarteten hämodynamischen Reaktion für jede Aufgabenbedingung. Passen Sie dann die Daten an dieses Modell an, was zu einer statistischen Karte für jedes Subjekt führt, wobei der Wert an jedem Voxel – ein 3D-Volumenpixel – das Ausmaß darstellt, in dem dieses Voxel an der Aufgabenbedingung beteiligt war.

Registrieren Sie das Gehirn des Teilnehmers in einem Standardatlas, um die Daten jedes Teilnehmers zu kombinieren. Kombinieren Sie dann alle statistischen Karten der Teilnehmer für eine Analyse auf Gruppenebene. Beachten Sie, dass Veränderungen des Blutflusses durch unterschiedliche Farben auf der Oberfläche des Gehirns dargestellt werden.

Bewegungen der rechten Hand, die in Blau dargestellt sind, erzeugten die größte Aktivierung auf der linken lateralen Fläche des präzentralen Gyrus, während das Einbinden der linken Hand, dargestellt in Grün, die größte Aktivierung auf der rechten lateralen Fläche hervorrief.

Darüber hinaus führte die Beugung des rechten Fußes, gekennzeichnet durch hellblau, zu einer Aktivierung auf der linken medialen Fläche, während die größte Aktivierung für Bewegungen des linken Fußes, in gelb, auf der rechten medialen Oberfläche zu verzeichnen war.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass motorische Aktionen in diskreten Regionen des primären motorischen Kortex in beiden Hemisphären lokalisiert werden können, was den motorischen Homunkulus unterstützt.

Nachdem Sie nun mit der Durchführung eines fMRT-Experiments vertraut sind, um die Organisation des primären motorischen Kortex zu beobachten, betrachten wir nun, wie das Gehirn die Bewegung nach einer Schädigung oder nach dem Anbringen von Prothesen steuert.

Eine Schädigung des linken präzentralen Gyrus, z. B. durch einen Schlaganfall, kann zu Schwierigkeiten bei der Bewegung der rechten Körperseite führen.

Wie Sie in diesem Video gelernt haben, hängen die spezifischen Teile, die betroffen sind, vom Ausmaß der Verletzung ab: Beeinträchtigungen können klein sein und einen einzelnen Finger betreffen, oder groß genug, um alle Finger und den gesamten Arm zu beeinflussen.

Während die Repräsentationen einfach erscheinen, arbeitet der primäre motorische Kortex nicht alleine, da er nur ein Segment innerhalb eines größeren Netzwerks von Regionen ist, die an der Auswahl, Planung und Koordination von Bewegungen beteiligt sind. Daher ist die Lokalisierung von Schäden möglicherweise nicht so einfach, wie es scheint.

Ein möglicher therapeutischer Ansatz zur Verbesserung der Funktion der Gliedmaßen bei Amputierten sind Gehirn-Computer-Schnittstellen. Diese technisch fortschrittliche Methode basiert auf elektromyographischen oder EMG-Signalen, der elektrischen Kommunikation zwischen Motoneuronen und Muskelbewegungen.

Forscher entwickeln Möglichkeiten, EMG-Aufzeichnungen in Gliedmaßenprothesen zu integrieren, um motorische Verhaltensweisen wie Stehen oder sogar das Gehen auf einer Rampe nahtloser zu steuern.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Motorkarten gesehen. Jetzt sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie das fMRT-Experiment entwerfen und durchführen und wie Sie schließlich die Ergebnisse der Gehirnaktivierung analysieren und interpretieren.

Danke fürs Zuschauen!