שימוש ב- TMS למדידת עירור מוטורי במהלך תצפית פעולה
מקור: מעבדות של ג'ונאס ט. קפלן ושרה גימבל – אוניברסיטת דרום קליפורניה
גירוי מגנטי ת transcranial (TMS) היא טכניקה לא פולשנית לגירוי מוחי הכוללת העברת…
1. לגייס 20 משתתפים.
- המשתתפים צריכים להיות ימניים ואין להם היסטוריה של הפרעות נוירולוגיות או פסיכולוגיות.
- המשתתפים צריכים להיות ראייה נורמלית או מתוקנת לנורמלית כדי להבטיח שהם יוכלו לראות את הגירויים החזותיים כראוי.
2. הליכים לפני ניסוי
- לקבל הסכמה בכתב מהמשתתף ולהסביר מה מעורב בניסוי.
- הסבר כי המשתתף יצפה בסדרה של קטעי וידאו קצרים בעוד פולסים TMS מועברים למוח שלהם. הנושא עשוי לחוות ברז קל על הראש מ סליל TMS, אבל לא צריכה להיות אי נוחות גדולה הקשורה להשתתפות.
3. הכן את הנושא ל- TMS.
- הושיבו את הנושא בכיסא נוח מול מסך מחשב. המרפק שלהם צריך להיות כפוף בזווית של 90 מעלות, והיד צריכה לשכב בנוחות נוטה.
- השתמש במשקיע סנטר כדי לתקן את תנועת הראש, מה שמבטיח שעיניו של הנבדק יהיו כ-50 ס"מ ממסך המחשב.
- הכן את עור היד למיקום אלקטרודה EMG על ידי ניקוי עם אלכוהול.
- הנח שתי אלקטרודות EMG על השריר הבין-משרדי (FDI) הראשון של יד ימין.
- אתר את מיקום השיא של מתח שרירים על ידי בקשת המשתתף להגמיש את שריר ה- FDI שלהם ולהניח את האלקטרודה הראשונה במיקום זה.
- הנח אלקטרודה התייחסות שנייה על עצם היד הסמוכה.
- חבר את אלקטרודות EMG למחשב להפוך את האות לדיגיטלי, מגביר, מסנן ומציג את האות.
4. לוקליזציה וכיול TMS.
- להורות למשתתפים להרפות את היד שלהם, כך שאין מתח שרירים.
- השתמש סליל איור-8 TMS כדי לאתר את קליפת המוח המוטורית העיקרית.
- מניחים סליל על פני השטח הנגדיים (השמאליים) של הראש בחלקו השמאלי של הקרקפת.
- ספק סדרה של פולסים בודדים TMS, באופן שיטתי נע את המיקום של סליל עד עוויתות גלויים בשריר FDI ואת MEPs המוקלטים יציבים ואמינים. ניתן להתאים את עוצמת הגירוי לפי הצורך בשלב זה כדי לסייע באיתור הנקודה החמה.
- קבע את סף המנוע של הנבדק.
- מצא את כוח פלט הממריץ המינימלי שמייצר MEP של יותר מ 50 μV על 5 מתוך 10 גירויים. הקלט ערך זה.
- מדוד את משרעת MEP המנוחה.
- ספק סדרה של 10 פעימות TMS, כל אחת מופרדת על ידי 15 s, בהיעדר כל גירוי כדי למדוד את משרעת MEP הבסיסית.
5. משימה ניסיונית
- הפעל סדרה של גירויי וידאו 5-s, אחד בכל פעם.
- ישנם שלושה סוגים של קטעי וידאו: תצפית תנועת יד, תצפית תנועת זרוע, ושליטה.
- בסרטוני הבקרה, מוצגת על שולחן, ויד ימין נחה בקרבת מקום. לא מתבצעת תנועה.
- בסרטוני הפעולה הידיים, יד ימין מגיעה ותופסת את הכוס. פעולה זו כרוכה בהתכווצות שריר ה- FDI.
- בסרטוני הפעולה בזרוע, זרוע ימין מגיעה, מורמת ומסתובבת באזור. אין פעולת אחיזה שבוצעה, ולכן שריר ה- FDI אינו מעורב.
- הפעל כל סרטון 10 פעמים, עם 15 שניות של מנוחה לאחר כל אחד מהם, עבור סך של 30 קטעי וידאו. הפעל את הסרטונים בסדר אקראי.
- ישנם שלושה סוגים של קטעי וידאו: תצפית תנועת יד, תצפית תנועת זרוע, ושליטה.
- במהלך הסרטון, ספק דופק TMS ב-120% מסף המנוע.
- תזמן את הדופק כדי לחפוף עם הפעולה בסרטון. כדי להשיג זאת, הדופק צריך להתרחש 2 s לאחר תחילת הווידאו.
6. לנתח את הנתונים.
- עבור כל MEP, לחשב את משרעת שיא לשיא.
- יש להשליך MEPs המתרחשים לפני גירוי TMS, או יותר מ-100 אלפיות השנייה לאחר גירוי כדי להסיר קוצים מזויפים.
- עבור כל נושא, חשב את משרעת MEP הממוצעת עבור תנאי הבסיס, תצפית הפעולה ובקרה.
- בצע ניתוח של שונות (ANOVA) על נתוני הקבוצה כדי לבדוק את ההשערה כי משרעת MEP מושפעת על ידי תצפית פעולה.
גירוי מגנטי טרנס-גולגולתי, בקיצור TMS, הוא טכניקה שיכולה לשמש לא רק כדי לחקור את הקשרים בין המוח לשרירים שונים, אלא גם כיצד פעילות המוח משתנה כאשר אדם מתבונן בתנועות אצל אחרים.
בכל יום, אדם מזיז את השרירים שלו במודע כדי לבצע פעולות מסוימות, כמו נפנוף בזרוע ימין כדי להכות בכדור טניס עם מחבט.
כל תנועות השרירים הרצוניות הללו הן תוצאה של עירור בקליפת המוח המוטורית, הממוקמת על פני השטח של המוח, ממש מתחת לקרקפת.
חשוב לציין, התנועה של חלקי גוף שונים - בין אם זו זרוע ימין או רגל שמאל - נשלטת על ידי קבוצות של נוירונים באזורים מוטוריים שונים בקליפת המוח.
לדוגמה, כאשר תאי עצב ליד החלק הימני העליון של הראש מעוררים, הם יכולים לייצר אותות חשמליים שעוברים דרך המוח לעמוד השדרה, ואז לשרירים בזרוע שמאל.
בתגובה, תאי שריר מייצרים אותות חשמליים משלהם, מה שמוביל להתכווצות ותנועה.
באופן מעניין, מחקרים הראו שאזורים בקליפת המוח המוטורית מופעלים לא רק כאשר אדם מבצע פעולה כלשהי בעצמו, אלא גם כאשר הוא צופה במישהו אחר זז - כמו מכונאי שפוגע במכונה עם זרועו השמאלית.
TMS מספק לחוקרים דרך לחקור את ההקלה שגורמת תצפית פעולה בתאי עצב בקליפת המוח המוטורית.
באמצעות טכניקות ה-TMS של לוצ'יאנו פאדיגה ועמיתיו, הסרטון הזה מדגים כיצד לחקור את הקשר בין התבוננות בפעולה, עירור קליפת המוח המוטורית ופעילות השרירים.
בהליך זה, המשתתפים נתונים לשני שלבים? לוקליזציה וכיול TMS, ומשימה ניסיונית, כדי לזהות אם אזורים בקליפת המוח המוטורית שלהם מתרגשים כשהם צופים בפעולה שבוצעה על ידי מישהו אחר.
מטרת השלב הראשון היא לזהות את האזור במוח האחראי להזזת שריר ספציפי ביד ימין של המשתתף - האינטרוספוס הגבי הראשון, בקיצור FDI - הממוקם בין האגודל לאצבע.
לאחר מכן סליל TMS בצורת שמונה מונח על הקרקפת שלהם מעל קליפת המוח המוטורית. הוא ממוקם בצד שמאל של ראשם, מכיוון שחצי כדור זה של המוח מכוון את התנועה בצד ימין של הגוף.
במקביל, אלקטרודות ממוקמות מעל ה-FDI והעצם הסמוכה בידו הימנית של הנבדק, כך שניתן לזהות ולתעד כל פעילות חשמלית בשריר זה.
לאחר מכן הסליל משמש להעברת פולס בודד לקרקפת, מה שיוצר שדה מגנטי קצר שמוביל לזרם חשמלי ברקמה העצבית הבסיסית.
נוירונים, בעיקר אלה שמתחת למרכז הסליל, מופעלים על ידי זה וכתוצאה מכך מייצרים אותות הדומים לאלה של תנועות מודעות - עוברים לשרירי המטרה.
בתגובה, נוצרים אותות חשמליים נוספים הנקראים פוטנציאלים מעוררי מנוע, MEPs, וניתן להקליט ולהמחיש אותם כפסגות בגרף, כאשר מילי-וולט משורטטים על ציר ה-Y והזמן על ציר ה-X.
MEPs אלה גורמים לשרירים להתעוות פיזית - תנועה שניתן להבחין בה. אם עווית כזו מתרחשת בשריר שאינו ה-FDI בזרוע העליונה, האזור הנכון של קליפת המוח המוטורית לא נמצא.
במקרה זה, הסליל מוזז מעט ומשמש להעברת פולס בודד נוסף, כאשר כל תנועה המתקבלת מצוינת. זה חוזר על עצמו עד שרואים עוויתות ב-FDI הימני - אינדיקטור לכך שייצוגו בקליפת המוח המוטורית נמצא.
לאחר שאזור זה ממוקם, עוצמת גירוי ה-TMS משתנה, ניתנת פעימה חדשה ונרשם ה-MEP שנוצר. תשומת לב קפדנית מוקדשת למשרעת - הנמדדת מהשיא החיובי הגבוה ביותר לנקודה השלילית הנמוכה ביותר - של אות זה.
התאמות אלה נמשכות עד למציאת הגדרה המייצרת MEPs עם אמפליטודות גדולות מ-50 ? V במחצית מהשלבים?עוצמת גירוי המכונה הסף המוטורי של המשתתף.
מספר פולסים בודדים של TMS ב-120% מהסף המוטורי ניתנים לאחר מכן מעל אזור ה-FDI הימני של קליפת המוח המוטורית, ו-MEPs בסיסיים נרשמים עבור כל אחד מהם.
בשלב השני, מטלת הניסוי, המשתתפים מתבקשים לצפות בשלושה סוגים של סרטים הכוללים תנועות ידיים או ידיים, תוך שמירה על חלקי גופם דוממים.
הסוג הראשון של צילומים, הנקרא סרטוני תנועת ידיים, מראה יד ימין מושיטה יד לעבר כוס ואוחזת בה - פעולה הדורשת את ה-FDI. סרטונים אלה יעריכו כיצד תצפית על תנועה מבוססת FDI משפיעה על הפעילות באזור הקשור ל-FDI בקליפת המוח המוטורית.
לעומת זאת, סרטוני פעולת זרוע כוללים הרמת זרוע ימין ונעה סביב אזור עם תנועות כוס שאינן תלויות ב-FDI. צילום זה יעריך את הספציפיות - האם ניתן לעורר את אזור קליפת המוח המוטורית האחראי על התכווצות ה-FDI הימנית על ידי התבוננות בתנועות שאינן מערבות שריר זה.
הסוג השלישי הם סרטוני בקרה, המראים יד ימין דוממת מונחת ליד כוס, ללא כל סוג של תנועת שרירים.
כאשר המשימה מבוצעת בפועל, סליל TMS ממוקם שוב מעל האזור במוח האחראי על תנועת ה-FDI הימנית. לאחר מכן, המשתתפים צופים בסרטונים בסדר אקראי, כאשר כל סוג חוזר על עצמו 10 פעמים.
כאשר מתרחשת תנועת שרירים בצילומים - כ-2 שניות לאחר תחילת סרטון פעולת היד או הזרוע - סליל ה-TMS משמש להעברת פולס אלקטרומגנטי יחיד.
באופן דומה, למרות שלא מתוארת תנועה בסרטוני הבקרה, דופק מנוהל 2 שניות לאחר תחילת הסרטונים הללו. בכל המקרים?בין אם סרטוני שליטה, זרוע או ידיים? חברי הפרלמנט האירופי שנוצרו על ידי ה-FDI הנכון נרשמים.
כאן, המשתנה התלוי הוא אמפליטודות MEP. בהתבסס על עבודות קודמות, צפוי שחברי הפרלמנט שהוקלטו מה-FDI לאחר צפייה בסרטי תנועת יד יהיו גדולים יותר מאלה שתועדו בעת צפייה בסרטי פעולת זרוע או בקרה, מה שמשקף פעילות גבוהה יותר של ה-FDI ובכך ריגוש גדול יותר של קליפת המוח המוטורית.
לפני תחילת הניסוי יש לגייס 20 משתתפים ימניים, בעלי ראייה תקינה וללא היסטוריה של הפרעות נוירולוגיות ולקבל מהם הסכמה בכתב.
הסבירו שהם יצפו בסדרה של סרטונים, שבמהלכם אזורים במוח שלהם יגורו באמצעות TMS. הדגישו שהם עשויים להרגיש טפיחה קלה על הראש מסליל ה-TMS, אך לא אמורים לחוות אי נוחות גדולה.
כדי להתחיל, בקשו מהמשתתף לשבת בכיסא הממוקם מול מסך מחשב. להנחות את המרפק הימני שלהם לנוח ב-90? זווית, וודא שזרוע ימין ויד ימין נוטות בנוחות.
לאחר מכן, הניחו את סנטרם במשענת סנטר, כך שעיניהם יהיו במרחק של לפחות 50 ס"מ מהמסך.
לצורך הקלטת MEP, נקו את עור ידו הימנית של המשתתף באלכוהול, ובקשו מהם לכופף את שריר ה-FDI הימני שלהם על ידי לחיצה על האצבע המורה והאגודל יחד. זהה את מיקום השיא של מתח השרירים והנח עליו אלקטרודת הקלטה. לאחר מכן, מקם אלקטרודת ייחוס על עצם סמוכה ביד. כמו כן, מהדקים היטב את האלקטרודה הקרקעית למרפק ימין.
לאחר מיקום האלקטרודות, הנחו את המשתתף להרפות את ידו כך שלא יהיה מתח שרירים.
לאחר מכן, הניחו סליל TMS בצורת איור 8 כנגד הצד השמאלי של הקרקפת של המשתתף, והשתמשו בו כדי לאתר את ייצוג ה-FDI הימני בקליפת המוח המוטורית. כאשר זה קורה, צפו לצפות בעוויתות של ה-FDI הימני, ו-MEPs יציבים שנרשמו משריר זה.
לכיול, המשך לכוונן את ההגדרות של סליל ה-TMS עד לעוצמת הפלט המינימלית?כזו שמייצרת MEP של גדול מ-50? V על 5 מתוך 10 גירויים?נקבע.
רשום ערך זה, המייצג את הסף המוטורי של המשתתף. לאחר שנקבע, השתמש בהגדרות אלה כדי לספק סדרה של 10 פולסים TMS - כל אחד מופרדים ב-15 שניות - למשתתף, על מנת לקבוע את משרעת ה-MEP הבסיסית.
לאחר מכן, בקשו מהמשתתפים לבצע את מטלת הניסוי על ידי הצגת שלושת סוגי הסרטים – פעולת יד, פעולת זרוע ושליטה – בסדר אקראי. בין כל אחד מהם, כלול תקופת מנוחה של 15 שניות.
ודא שכל סרטון מופעל 10 פעמים, בסך הכל 30 סרטים. כאשר המשתתף צופה בפעולה בכל סרטון - בערך 2 שניות לאחר תחילת הסרט - יש לתת דופק TMS ב-120% מהסף המוטורי.
כדי לנתח את הנתונים, עבור כל MEP שהוקלט - בין אם מתצפיות בסיס, תצפיות פעולה או תנאי וידאו בקרה- חשב את המשרעת משיא לשיא. כדי למנוע קפיצות מזויפות, השליכו MEPs המתרחשים לפני גירוי TMS או יותר מ-100 אלפיות השנייה לאחר הגירוי.
חשב את משרעת ה-MEP הממוצעת עבור תנועות הידיים והזרועות, כמו גם את סרטוני משענת הידיים, ובטא אותם כאחוז מעל קו הבסיס הממוצע.
שימו לב שעבור סרטוני פעולה ידנית, משרעת ה-MEP שנרשמה משריר ה-FDI הייתה גדולה משמעותית בהשוואה למשרעת הבקרה, מה שמרמז על אפקט מקל לפיו קליפת המוח המוטורית עולה בריגוש במהלך תצפית פעולה.
עם זאת, חברי הפרלמנט האירופי שתועדו במהלך תצפית על פעולת היד היו קטנים בהרבה מאלה שנוצרו על ידי צפייה בסרטוני תנועות ידיים. זה מצביע על כך שאפקט ההקלה הוא סלקטיבי יחסית, והוא ספציפי לאזור בקליפת המוח המוטורית האחראי על תנועות השרירים הנצפות.
כעת, כשאתם יודעים כיצד חוקרים משתמשים ב-TMS כדי לחקור את הריגוש של קליפת המוח המוטורית בתגובה לתצפית על פעולה, בואו נסתכל על האופן שבו השיטה הזו מיושמת ביישומים אחרים.
עד כה, התמקדנו בקשר בין צפייה בתנועה לתפקוד קליפת המוח המוטורית. עם זאת, כמה חוקרים בוחנים אם לדמיין פעולה יכולה להיות השפעה גם על חברי הפרלמנט האירופי המוקלטים.
עבודה כזו דורשת מהמשתתף לדמיין את עצמו מזיז פיזית חלק בגוף - כגון כיפוף זרועו הימנית - כאשר ניתנים פולסים בודדים של TMS.
כאשר מעריכים את ה-MEPs המתקבלים מהשרירים, נמצא שהם גדולים יותר מאלה שנרשמו בתרחישי בקרה - כאשר המשתתף לא מדמיין תנועה כזו.
השפעה זו מתאפשרת עוד יותר כאשר המשתתף מתבונן בתנועה שהוא מדמיין. באופן קולקטיבי, תוצאות אלה מספקות ראיות לקשר בין דמיון להפעלה מוטורית.
נוירופסיכולוגים אחרים בוחנים אם ניתן להשתמש בשינויים ב-TMS למטרות טיפוליות.
לדוגמה, יש עניין בשאלה האם TMS יכול לסייע בטיפול באפזיה - מצב שבו מטופלים מתקשים להעביר מידע מילולי, כמו שם של אובייקט - הנובע משבץ מוחי.
כאן, אזור במוח שנקרא הבליטה הקדמית התחתונה הימנית מגורה בחולי שבץ באמצעות TMS חוזר ונשנה, שיטה שבה פולסים ניתנים שוב ושוב ובמהירות.
כאשר מטופלים התבקשו לזהות באופן מילולי חפצים - כמו לובסטרים או קמינים - חודשים לאחר הטיפול, זה גילה של-TMS חוזר יש השפעות חיוביות ארוכות טווח על אנשים? יכולות מתן שמות, המספק תובנה כיצד ניתן להשתמש בשיטה זו לטיפול בליקויים קוגניטיביים.
זה עתה צפיתם בסרטון של JoVE על TMS ותצפית על פעולה. בשלב זה, אתם אמורים להבין כיצד TMS יכול לשמש להערכת פעילות בקליפת המוח המוטורית אחרי צפייה בתנועת שרירים. עליכם גם לדעת כיצד לעורר אזורים במוח באמצעות סליל TMS, להציג גירויי תצפית ולאסוף ולפרש נתוני MEP. לבסוף, עליכם להבין כיצד נעשה שימוש ב-TMS ביישומים אחרים, כמו למשל בטיפולים לנפגעי שבץ.
תודה שצפית!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is transcranial magnetic stimulation and how does it work?
Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) is a non-invasive brain stimulation technique that uses an insulated coil placed against the scalp to pass current through the brain. A brief magnetic field created by the coil induces electrical current in nearby neural tissue through induction. This stimulation activates neurons, which generate signals that travel to target muscles, producing observable effects like muscle twitches and motor evoked potentials that researchers can record and measure.
Q2: How does TMS help researchers measure motor cortex activity during action observation?
TMS allows researchers to probe motor cortex excitability by delivering magnetic pulses while participants observe actions. When a person watches someone move, specific motor cortex regions activate similarly to when they perform the action themselves. By measuring motor evoked potentials (MEPs)—electrical signals recorded from muscles—researchers can quantify how much the motor cortex excites during action observation compared to control conditions, revealing facilitation effects in motor activity.
Q3: What is the first-dorsal interosseous muscle and why is it used in TMS studies?
The first-dorsal interosseous (FDI) is a small muscle located between the thumb and forefinger on the hand. It is commonly used in TMS studies because it has a well-defined, easily localized representation in the motor cortex. Researchers can precisely target the FDI region using a figure-eight TMS coil, and muscle twitches or MEPs from this muscle are easily detected and recorded using electrodes placed on the skin.
Q4: What is motor threshold and how is it determined during TMS calibration?
Motor threshold is the minimum TMS stimulus intensity that produces motor evoked potentials greater than 50 microvolts in at least half of stimulation trials. During calibration, researchers gradually adjust the TMS coil's output strength while delivering pulses to the motor cortex region controlling the FDI. Once the threshold is identified, it serves as a baseline reference for administering consistent stimulus intensities during the experimental task.
Q5: How do hand-action and arm-action videos differ in TMS action observation experiments?
Hand-action videos show a right hand reaching toward and grasping a cup, movements that directly involve the first-dorsal interosseous muscle. Arm-action videos show the right arm lifting and moving around a cup without requiring FDI contraction. This distinction tests specificity: hand-action observation should produce larger MEPs from the FDI region, while arm-action observation should produce smaller MEPs, demonstrating that motor cortex facilitation is selective to observed muscle movements.
Q6: What do motor evoked potential amplitudes reveal about motor cortex excitability?
Motor evoked potential (MEP) amplitude—measured from the highest positive peak to the lowest negative point—reflects the underlying excitability of the motor cortex. Larger MEP amplitudes indicate greater motor cortex activation, while smaller amplitudes suggest lower excitability. When participants observe hand movements involving the FDI, MEP amplitudes increase significantly compared to control conditions, demonstrating that action observation facilitates motor cortex activity and studying brain activation and motor maps using fmri provides complementary neuroimaging evidence.
Q7: How can TMS be applied therapeutically beyond research on action observation?
Repetitive TMS, where pulses are administered rapidly and repeatedly, shows therapeutic potential for treating cognitive deficits. For example, researchers have used repetitive TMS to stimulate the right inferior frontal gyrus in stroke patients with aphasia, a condition affecting verbal communication. Studies demonstrate that this approach produces long-term improvements in patients' naming abilities months after therapy, suggesting TMS can help restore language function and other cognitive capacities damaged by neurological injury.