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Die transkranielle Magnetstimulation, abgekürzt TMS, ist eine Technik, mit der nicht nur die Verbindungen zwischen dem Gehirn und verschiedenen Muskeln untersucht werden können, sondern auch, wie sich die Gehirnaktivität verändert, wenn eine Person Bewegungen bei anderen beobachtet.
Jeden Tag bewegt eine Person bewusst ihre Muskeln, um bestimmte Aktionen auszuführen, wie z. B. mit dem rechten Arm zu winken, um einen Tennisball mit einem Schläger zu schlagen.
Alle diese willkürlichen Muskelbewegungen sind das Ergebnis der Erregung im motorischen Kortex, der sich an der Oberfläche des Gehirns, direkt unter der Kopfhaut, befindet.
Wichtig ist, dass die Bewegung verschiedener Körperteile - sei es der rechte Arm oder das linke Bein - von Neuronen in verschiedenen Regionen des motorischen Kortex gesteuert wird.
Wenn zum Beispiel Neuronen in der Nähe der oberen rechten Ecke des Kopfes erregt werden, können sie elektrische Signale erzeugen, die durch das Gehirn zur Wirbelsäule und dann zu den Muskeln im linken Arm wandern.
Als Reaktion darauf produzieren Muskelzellen ihre eigenen elektrischen Signale, die zu Kontraktion und Bewegung führen.
Interessanterweise hat die Forschung gezeigt, dass Regionen des motorischen Kortex nicht nur aktiviert werden, wenn eine Person selbst eine Handlung ausführt, sondern auch, wenn sie beobachtet, wie sich jemand anderes bewegt - wie ein Mechaniker, der mit seinem linken Arm auf eine Maschine schlägt.
TMS bietet Forschern eine Möglichkeit, die Erleichterung zu untersuchen, die die Handlungsbeobachtung in Neuronen des motorischen Kortex verursacht.
Durch die TMS-Techniken von Luciano Fadiga und Kollegen zeigt dieses Video, wie die Beziehung zwischen Handlungsbeobachtung, Erregung des motorischen Kortex und Muskelaktivität untersucht werden kann.
Bei diesem Verfahren werden die Teilnehmer zwei Phasen durchlaufen? TMS-Lokalisierung und -Kalibrierung sowie eine experimentelle Aufgabe, um festzustellen, ob Bereiche ihres motorischen Kortex angeregt werden, wenn sie eine Aktion beobachten, die von jemand anderem ausgeführt wird.
Ziel der ersten Phase ist es, die Gehirnregion zu identifizieren, die für die Bewegung eines bestimmten Muskels in der rechten Hand des Teilnehmers verantwortlich ist - der erste dorsale interossäre, abgekürzt als FDI - der sich zwischen Daumen und Zeigefinger befindet.
Eine TMS-Spule in Form einer Acht wird dann gegen ihre Kopfhaut oberhalb des motorischen Kortex gelegt. Er befindet sich auf der linken Seite des Kopfes, da diese Gehirnhälfte die Bewegung auf der rechten Seite des Körpers lenkt.
Gleichzeitig werden Elektroden über dem FDI und dem nahegelegenen Knochen an der rechten Hand des Probanden positioniert, so dass jede elektrische Aktivität in diesem Muskel erkannt und aufgezeichnet werden kann.
Die Spule wird dann verwendet, um einen einzelnen Impuls an die Kopfhaut abzugeben, der ein kurzes Magnetfeld erzeugt, das durch Induktion zu einem elektrischen Strom im darunter liegenden Nervengewebe führt.
Neuronen, vor allem diejenigen unter dem Zentrum der Spule, werden dadurch aktiviert und erzeugen als Ergebnis Signale, die - ähnlich wie bei bewussten Bewegungen - zu den Zielmuskeln gelangen.
Als Reaktion darauf werden zusätzliche elektrische Signale, sogenannte motorisch evozierte Potentiale, MEPs, erzeugt, die als Spitzen aufgezeichnet und in einem Diagramm visualisiert werden können, wobei Millivolt auf der Y-Achse und Zeit auf der X-Achse aufgetragen werden.
Diese MEPs bewirken, dass die Muskeln physisch zucken - Bewegungen, die beobachtet werden können. Wenn ein solcher Krampf in einem anderen Muskel als dem FDI auftritt - wie im Oberarm - ist die richtige Region des motorischen Kortex nicht lokalisiert.
In diesem Fall wird die Spule leicht bewegt und verwendet, um einen weiteren einzelnen Impuls abzugeben, wobei die daraus resultierende Bewegung notiert wird. Dies wird so lange wiederholt, bis Zuckungen in der rechten FDI zu sehen sind - ein Indikator dafür, dass seine Repräsentation im motorischen Kortex gefunden wurde.
Sobald diese Region lokalisiert ist, wird die Stärke des TMS-Stimulus modifiziert, ein neuer Impuls verabreicht und der resultierende MEP aufgezeichnet. Besonderes Augenmerk wird auf die Amplitude dieses Signals gelegt, gemessen vom höchsten positiven Spitzenwert bis zum niedrigsten negativen Punkt.
Diese Anpassungen werden so lange fortgesetzt, bis eine Einstellung gefunden wird, die MEPs mit Amplituden von mehr als 50 ? V in der Hälfte der Phasen?eine Reizintensität, die als motorische Schwelle des Teilnehmers bezeichnet wird.
Mehrere einzelne TMS-Impulse bei 120 % der motorischen Schwelle werden dann oberhalb der rechten FDI-Region des motorischen Kortex verabreicht, und für jeden werden MEPs zu Studienbeginn aufgezeichnet.
In der zweiten Phase, der experimentellen Aufgabe, werden die Teilnehmer gebeten, drei Arten von Filmen anzusehen, bei denen Arm- oder Handbewegungen zum Einsatz kommen, während sie ihre eigenen Körperteile ruhig halten.
Die erste Art von Filmmaterial, die sogenannten Hand-Action-Videos, zeigt eine rechte Hand, die nach einer Tasse greift und diese greift – eine Aktion, die die FDI erfordert. In diesen Clips wird untersucht, wie sich die Beobachtung einer FDI-basierten Bewegung auf die Aktivität in der FDI-assoziierten Region des motorischen Kortex auswirkt.
Im Gegensatz dazu geht es bei Arm-Action-Videos darum, dass ein rechter Arm einen Bereich hebt und sich in einem Bereich mit einem Becher bewegt – Bewegungen, die unabhängig von der FDI sind. Dieses Filmmaterial wird die Spezifität untersuchen, ob der Bereich des motorischen Kortex, der für die Kontraktion des rechten FDI verantwortlich ist, durch die Beobachtung von Bewegungen, an denen dieser Muskel nicht beteiligt ist, angeregt werden kann.
Die dritte Art sind Kontrollvideos, die eine reglose rechte Hand zeigen, die neben einer Tasse ruht, ohne jegliche Art von Muskelbewegung.
Wenn die eigentliche Aufgabe ausgeführt ist, wird wieder eine TMS-Spule über der Region des Gehirns platziert, die für die Bewegung der rechten FDI verantwortlich ist. Dann sehen sich die Teilnehmer die Videos in einer zufälligen Reihenfolge an, wobei jeder Typ 10 Mal wiederholt wird.
Wenn im Filmmaterial Muskelbewegungen auftreten – etwa 2 s nach dem Start eines Hand- oder Arm-Action-Videos – wird die TMS-Spule verwendet, um einen einzelnen elektromagnetischen Impuls abzugeben.
Ähnlich verhält es sich, dass, obwohl in den Kontrollvideos keine Bewegung dargestellt ist, 2 s nach dem Start solcher Clips ein Impuls abgegeben wird. In allen Fällen, ob es sich um Kontroll-, Arm- oder Hand-Action-Videos handelt? Erfasst werden die MEPs, die durch die richtigen ausländischen Direktinvestitionen generiert wurden.
Die abhängige Variable sind hier die MEP-Amplituden. Basierend auf früheren Arbeiten wird erwartet, dass MEPs, die bei der Beobachtung von Hand-Action-Filmen aus dem FDI aufgezeichnet wurden, größer sind als diejenigen, die beim Anschauen von Arm-Action- oder Kontrollfilmen aufgezeichnet wurden, was eine höhere FDI-Aktivität und damit eine größere Erregbarkeit des motorischen Kortex widerspiegelt.
Bevor das Experiment beginnt, rekrutieren Sie 20 Teilnehmer, die Rechtshänder sind, normal sehen und keine neurologischen Störungen in der Vorgeschichte haben, und holen Sie die schriftliche Zustimmung von ihnen ein.
Erklären Sie, dass sie sich eine Reihe von Videos ansehen werden, in denen Regionen ihres Gehirns über TMS stimuliert werden. Betonen Sie, dass sie möglicherweise ein leichtes Klopfen der TMS-Spule auf dem Kopf spüren, aber keine großen Beschwerden verspüren sollten.
Lassen Sie den Teilnehmer zu Beginn auf einem Stuhl sitzen, der vor einem Computerbildschirm positioniert ist. Führe den rechten Ellbogen auf eine 90? Winkeln Sie und stellen Sie sicher, dass ihr rechter Arm und ihre rechte Hand bequem in Bauchlage liegen.
Legen Sie dann ihr Kinn in einen Kinnhalter, so dass ihre Augen mindestens 50 cm vom Bildschirm entfernt sind.
Reinigen Sie für die MEP-Aufzeichnung die Haut der rechten Hand des Teilnehmers mit Alkohol und lassen Sie ihn seinen rechten FDI-Muskel anspannen, indem Sie seinen Zeigefinger und Daumen zusammendrücken. Identifizieren Sie den Spitzenort der Muskelspannung und platzieren Sie eine Aufzeichnungselektrode darauf. Positionieren Sie anschließend eine Referenzelektrode auf einem nahegelegenen Knochen in der Hand. Befestigen Sie die Erdungselektrode auch sicher an ihrem rechten Ellenbogen.
Sobald die Elektroden positioniert sind, weisen Sie den Teilnehmer an, die Hand zu entspannen, damit keine Muskelverspannungen entstehen.
Platzieren Sie dann eine TMS-Spule in Abbildung 8 auf der linken Seite der Kopfhaut des Teilnehmers und verwenden Sie sie, um die rechte FDI-Darstellung im motorischen Kortex zu lokalisieren. Wenn dies der Fall ist, ist damit zu rechnen, dass die richtigen ausländischen Direktinvestitionen zucken und stabile MEPs von diesem Muskel aufgezeichnet werden.
Passen Sie zur Kalibrierung die Einstellungen der TMS-Spule an, bis die minimale Ausgangsstärke erreicht ist, die einen MEP von mehr als 50 ? V bei 5 von 10 Stimulationen bestimmt.
Notieren Sie diesen Wert, der die motorische Schwelle des Teilnehmers darstellt. Sobald es bestimmt wurde, verwenden Sie diese Einstellungen, um eine Reihe von 10 TMS-Impulsen - jeweils im Abstand von 15 s - an den Teilnehmer abzugeben, um die MEP-Ausgangsamplitude zu bestimmen.
Lassen Sie die Teilnehmer anschließend die experimentelle Aufgabe ausführen, indem Sie ihnen die drei Arten von Filmen - Handaktion, Armbewegung und Steuerung - in zufälliger Reihenfolge zeigen. Dazwischen sollten Sie eine Ruhezeit von 15 Sekunden einplanen.
Stellen Sie sicher, dass jedes Video 10 Mal abgespielt wird, also insgesamt 30 Filme. Während der Teilnehmer die Handlung in jedem Clip betrachtet - etwa 2 s nach Beginn des Films - wird ein TMS-Impuls bei 120 % der motorischen Schwelle verabreicht.
Um die Daten zu analysieren, berechnen Sie für jeden aufgezeichneten MEP – unabhängig davon, ob es sich um einen Ausgangswert, Aktionsbeobachtungen oder Kontrollvideobedingungen handelt – die Peak-to-Peak-Amplitude. Um unechte Spikes zu vermeiden, verwerfen Sie MEPs, die entweder vor der TMS-Stimulation oder mehr als 100 ms nach der Stimulation auftreten.
Berechnen Sie die durchschnittliche MEP-Amplitude für die Hand- und Armbewegungen sowie die Handauflagenvideos und drücken Sie diese als Prozentsatz über der durchschnittlichen Basislinie aus.
Beachten Sie, dass bei Hand-Action-Videos die MEP-Amplitude, die vom FDI-Muskel aufgezeichnet wurde, im Vergleich zur Kontrollamplitude signifikant größer war, was auf einen Erleichterungseffekt hindeutet, bei dem der motorische Kortex während der Handlungsbeobachtung an Erregbarkeit zunimmt.
Die Anzahl der MEPs, die während der Armbewegungsbeobachtung aufgezeichnet wurden, war jedoch viel kleiner als diejenigen, die durch das Ansehen von Handbewegungsvideos erzeugt wurden. Dies deutet darauf hin, dass der Facilitationseffekt relativ selektiv ist und spezifisch für die Region des motorischen Kortex ist, die für die beobachteten Muskelbewegungen verantwortlich ist.
Nachdem Sie nun wissen, wie Forscher TMS einsetzen, um die Erregbarkeit des motorischen Kortex als Reaktion auf die Beobachtung von Handlungen zu untersuchen, schauen wir uns an, wie diese Technik in anderen Anwendungen angewendet wird.
Bisher haben wir uns auf die Beziehung zwischen dem Beobachten einer Bewegung und der Funktion des motorischen Kortex konzentriert. Einige Forscher untersuchen jedoch, ob die Vorstellung einer Handlung auch Auswirkungen auf aufgezeichnete Abgeordnete haben kann.
Eine solche Arbeit erfordert, dass sich ein Teilnehmer vorstellt, wie er einen Körperteil physisch bewegt - wie z.B. den rechten Arm beugt -, wenn einzelne TMS-Impulse verabreicht werden.
Bei der Bewertung der resultierenden MEPs aus den Muskeln stellt sich heraus, dass sie größer sind als diejenigen, die in Kontrollszenarien aufgezeichnet werden, in denen sich der Teilnehmer keine solche Bewegung vorstellt.
Dieser Effekt wird weiter erleichtert, wenn der Teilnehmer die Bewegung, die er sich vorstellt, beobachtet. Zusammengenommen liefern diese Ergebnisse Hinweise auf einen Zusammenhang zwischen Vorstellungskraft und motorischer Aktivierung.
Andere Neuropsychologen untersuchen, ob Modifikationen der TMS zu therapeutischen Zwecken eingesetzt werden können.
Zum Beispiel besteht Interesse daran, ob TMS bei der Behandlung von Aphasie helfen kann – einer Erkrankung, bei der Patienten Schwierigkeiten haben, verbale Informationen wie den Namen eines Objekts zu übermitteln, die auf einen Schlaganfall zurückzuführen sind.
Hier wurde eine Region des Gehirns, die als rechter inferiorer frontaler Gyrus bezeichnet wird, bei Schlaganfallpatienten mit repetitiver TMS stimuliert – einer Methode, bei der Impulse wiederholt und schnell verabreicht werden.
Als Patienten Monate nach der Therapie gebeten wurden, Objekte wie Hummer oder Feuerstellen verbal zu identifizieren, zeigte sich, dass die wiederholte TMS langfristige, positive Auswirkungen auf den Einzelnen hatte. Kapazitäten zu benennen und einen Einblick zu geben, wie diese Methode zur Behandlung kognitiver Defizite eingesetzt werden kann.
Sie haben gerade das Video von JoVE über TMS und Handlungsbeobachtung gesehen. Inzwischen sollten Sie verstehen, wie TMS verwendet werden kann, um die Aktivität im motorischen Kortex nach dem Betrachten einer Muskelbewegung zu bewerten. Sie sollten auch wissen, wie Sie Regionen des Gehirns mit einer TMS-Spule stimulieren, Beobachtungsreize präsentieren und MEP-Daten sammeln und interpretieren können. Schließlich sollten Sie sich darüber im Klaren sein, wie TMS in anderen Anwendungen eingesetzt wird, z. B. in der Therapie von Schlaganfallopfern.
Danke fürs Zuschauen!
