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Le informazioni motorie sono organizzate secondo divisioni anatomiche nella corteccia motoria primaria, creando una mappa topografica nel cervello.
Situate nel giro precentrale, le rappresentazioni corticali del corpo sono organizzate in un homunculus motorio?" e sono disposti in modo invertito, in modo tale che le aree che controllano le dita dei piedi si trovino nella parete mediale e la lingua si trovi vicino al solco laterale.
Inoltre, le parti del corpo che richiedono un controllo motorio volontario più fine, come le mani e le loro dita associate, hanno rappresentazioni più grandi nella corteccia, rispetto alle caratteristiche anatomiche che non richiedono una manipolazione così precisa, come l'anca.
L'homunculus è anche lateralizzato, con i neuroni nella corteccia motoria primaria sinistra che controllano il lato destro del corpo e viceversa. Pertanto, quando un individuo muove l'anca destra, c'è un aumento dell'attivazione corticale sul giro precentrale sinistro all'interno di una regione discreta.
Questo video descrive in dettaglio un esperimento che utilizza il moderno neuroimaging funzionale per dimostrare l'organizzazione mappata del corpo della corteccia motoria primaria umana, compreso il modo in cui raccogliere e analizzare l'attività cerebrale quando i partecipanti muovono le mani o i piedi.
In questo esperimento, l'attività cerebrale viene misurata utilizzando la risonanza magnetica funzionale, abbreviata in fMRI, mentre i partecipanti vengono ripetutamente stimolati a muovere diverse parti del corpo, come le dita della mano sinistra o destra.
Questa tecnica si basa sui cambiamenti nei livelli di ossigenazione del sangue, indicati come BOLD? Risposta dipendente dal livello di ossigenazione del sangue. Per uno sguardo approfondito ai principi alla base del metodo, si prega di fare riferimento a un altro video nella collezione SciEd Essentials of Neuroscience di JOVE, fMRI: Functional Magnetic Resonance Imaging.
Nel contesto qui presentato, quando una parte del corpo, come il piede sinistro, si flette avanti e indietro, il flusso sanguigno cerebrale ossigenato, fornito dalle arterie del cervello, aumenta alle regioni neurali che sono attive durante questo movimento, come la corteccia motoria primaria.
Tuttavia, questa risposta emodinamica si verifica più lentamente rispetto al movimento fisico effettivo, il che garantisce che le azioni siano separate da periodi di riposo.
Pertanto, ogni movimento del corpo è cronometrato con precisione per distinguere le quattro condizioni l'una dall'altra: mano sinistra, piede sinistro, mano destra e piede destro.
Ad esempio, ai partecipanti a una macchina per la risonanza magnetica funzionale viene chiesto di iniziare a gesticolare con la mano sinistra quando ne appare una sul lato sinistro di una schermata di presentazione.
Il movimento della mano richiesto è in realtà complesso e prevede di toccare il pollice con ciascun dito, in ordine, a partire dal puntatore. Quindi, il partecipante deve ripetere queste azioni nella direzione opposta, iniziando dal mignolo.
Il movimento viene interrotto quando il segnale - in questo caso, l'immagine della mano sinistra - scompare dallo schermo.
Allo stesso modo, quando vedono un piede a destra, vengono istruiti a muovere il piede destro spingendolo ripetutamente verso il basso, fino a quando l'immagine non scompare.
Qui, la variabile dipendente è l'intensità della risposta BOLD dopo un movimento della mano o del piede, che può quindi essere localizzata in specifiche regioni del cervello.
Per un movimento della mano sinistra, l'attivazione cerebrale è prevista principalmente sulla superficie dorsolaterale destra del giro precentrale. Al contrario, per un movimento della mano destra, l'attivazione cerebrale è prevista sulla superficie dorsolaterale sinistra. Questi risultati si allineerebbero con l'omuncolo motorio lateralizzato.
Prima dell'esperimento, reclutare partecipanti che siano destrimani, abbiano una visione normale o corretta alla normalità, non abbiano impianti metallici nel loro corpo o soffrano di claustrofobia a causa del controllo sperimentale e dei problemi di sicurezza.
Chiedi loro di compilare i documenti pre-scansione, che includono domande relative a problemi di salute e sicurezza durante la sessione, come il consenso per un radiologo a guardare le loro immagini in caso di risultati incidentali, oltre a dettagliare i rischi e i benefici dello studio.
Chiedi al partecipante di rimuovere anche tutti gli oggetti metallici dal proprio corpo, inclusi orologi, telefoni, portafogli, chiavi, cinture e monete, per prepararsi ad entrare nella stanza di scansione.
Quindi, spiega le regole del compito: l'appendice di cui hanno bisogno per muoversi, in questo caso il loro piede, apparirà come un segnale visivo sul lato corrispondente dello schermo. Dimostra come dovrebbero muovere il piede premendolo ripetutamente verso il basso, come se stessero premendo su un pedale immaginario.
Quando appare una stecca della mano, devono toccare il pollice con ciascun dito della stessa mano in ordine e poi ripetere questa sequenza al contrario.
Ora, porta il partecipante nella sala di imaging. Fornisci tappi per le orecchie per proteggere le orecchie dai rumori forti e auricolari in modo che possano sentire qualsiasi comunicazione aggiuntiva durante la sessione. Falli sdraiare sul letto con la testa nella bobina e fissala con cuscinetti in schiuma per evitare movimenti eccessivi e sfocature durante la scansione.
Sopra gli occhi dei partecipanti, posizionare uno specchio che rifletta uno schermo sul retro del foro dello scanner. Quindi, dai loro una palla da spremere da usare in caso di emergenza. Ricorda loro anche che è molto importante rimanere il più fermi possibile per tutto il tempo.
Dopo aver guidato il partecipante all'interno della macchina, raccogli prima immagini anatomiche ad alta risoluzione. Per iniziare la parte funzionale, sincronizzare la presentazione dello stimolo con l'avvio dello scanner.
Presenta i segnali visivi tramite un laptop collegato a un proiettore, ciascuno per 12 secondi, seguiti da 12 secondi di linea di base a riposo. Alternare tra le quattro condizioni: mano sinistra, mano destra, piede sinistro e piede destro, ripetendo ciascuna quattro volte entro 6,5 minuti.
Una volta completata la scansione, indirizzare il partecipante fuori dalla stanza. Informarli e fornire un compenso per la loro partecipazione allo studio.
Come primo passo dell'analisi, è possibile pre-elaborare i dati eseguendo la correzione del movimento per ridurre gli artefatti, il filtraggio temporale per rimuovere le deviazioni del segnale e il livellamento spaziale per aumentare il rapporto segnale/rumore.
Utilizzando questi dati, creare un modello della risposta emodinamica attesa per ogni condizione del compito. Quindi, adattare i dati a questo modello, ottenendo una mappa statistica per ogni soggetto, dove il valore di ogni voxel – un pixel 3D di volume – rappresenta la misura in cui quel voxel è stato coinvolto nella condizione del compito.
Registrare il cervello del partecipante su un atlante standard per combinare i dati di ciascun partecipante. Quindi, combina tutte le mappe statistiche tra i partecipanti per un'analisi a livello di gruppo. Si noti che i cambiamenti nel flusso sanguigno sono rappresentati da colori diversi sulla superficie del cervello.
I movimenti della mano destra, mostrati in blu, hanno prodotto la massima attivazione sulla superficie laterale sinistra del giro precentrale, mentre l'impegno della mano sinistra, rappresentata in verde, ha prodotto la massima attivazione sulla superficie laterale destra.
Inoltre, la flessione del piede destro, indicata dall'azzurro, ha prodotto l'attivazione sulla superficie mediale sinistra, mentre la maggiore attivazione per i movimenti del piede sinistro, in giallo, era sulla superficie mediale destra.
Questi risultati suggeriscono che le azioni motorie possono essere localizzate in regioni discrete della corteccia motoria primaria in entrambi gli emisferi, supportando l'omuncolo motorio.
Ora che hai familiarità con l'esecuzione di un esperimento di risonanza magnetica funzionale per osservare l'organizzazione della corteccia motoria primaria, consideriamo come il cervello gestisce il movimento dopo un danno o dopo l'attacco di arti protesici.
Il danno al giro precentrale sinistro, ad esempio a causa di un ictus, può portare a difficoltà nel muovere il lato destro del corpo.
Come hai appreso in questo video, le parti specifiche che vengono colpite dipendono dall'entità della lesione: le menomazioni potrebbero essere piccole e interessare un singolo dito, o abbastanza grandi da influenzare tutte le dita e l'intero braccio.
Mentre le rappresentazioni sembrano semplici, la corteccia motoria primaria non funziona da sola, in quanto è solo un segmento all'interno di una rete più ampia di regioni coinvolte nella selezione, pianificazione e coordinazione del movimento. Pertanto, localizzare i danni potrebbe non essere così facile come sembra.
Un potenziale approccio terapeutico per migliorare la funzione degli arti negli amputati coinvolge le interfacce cervello-computer. Questo metodo tecnicamente avanzato si basa sui segnali elettromiografici, o EMG, la comunicazione elettrica tra i motoneuroni e i movimenti muscolari.
I ricercatori stanno sviluppando modi per integrare le registrazioni EMG con le protesi degli arti per controllare in modo più fluido i comportamenti motori, come stare in piedi o persino camminare su una rampa.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE alle mappe dei motori. Ora dovresti avere una buona comprensione di come progettare e condurre l'esperimento fMRI e, infine, come analizzare e interpretare i risultati dell'attivazione cerebrale.
Grazie per l'attenzione!
