TMS を使用して行動観察中にモーターの興奮性を測定するには
ソース: ジョナス ・ t. カプラン サラ I. ギンベル所-南カリフォルニア大学
経頭蓋磁気刺激 (TMS) は、頭皮に対して配置した絶縁されたコイルを流れる電流の通過を含む非侵襲的脳刺激法です。簡単な磁界はコイルの電流によって作成され、誘導の物理的なプロセスのため、これは近くの神経組織で現在に…
1. 20 人の参加者を募集します。
- 参加者は右利きで、神経学的または精神的な障害の歴史があります。
- 参加者は、視覚刺激が正しく表示できるようにする正常または正常に修正のビジョンを持っている必要があります。
2. 予備実験手順
- 参加者から書面による同意を取得し、実験に関与しているかを説明します。
- TMS パルスが自分の脳に配信中に、参加者が短編ビデオのシリーズを見ることを説明します。件名 TMS コイルから頭の上軽いタップがありますが、参加に関連付けられている偉大な不快感はないはず。
3 TMS の件名を準備します。
- コンピューター画面の前で快適な椅子で件名を座席します。自分の肘を 90 度の角度で曲げる必要があります、手に快適な傾向があるはず。
- あごを使用して、確実にコンピューターの画面から約 50 cm subject's 目、頭の動きを修正します。
- アルコール洗浄による筋電図電極配置の手の皮膚を準備します。
- 右手の第 1 背側骨間 (FDI) 筋の筋電図電極を配置します。
- 彼らの FDI の筋肉を曲げるし、その上に第 1 の電極を配置する参加者を尋ねることによって筋肉の緊張のピーク位置を探します。
- 手の近くの骨に 2 番目の参照電極を配置します。
- 筋電図電極をデジタル化、増幅、フィルター、および信号を表示するコンピューターに接続します。
4. ローカライズし、TMS を調整します。
- 筋肉の緊張がないので、自分の手をリラックスして参加者に指示します。
- 図 8 TMS コイルを使用して、一次運動野を探します。
- 頭皮の前方部分に頭の反対側 (左) 面に対してコイルを配置します。
- 個々 の TMS パルス シリーズを配信、けいれんが FDI で表示されるまで組織的にコイルの位置を動かす筋肉と記録された Mep は、安定性と信頼性。ホット スポットを探し出すを支援するこのフェーズ中に必要に応じて、刺激強度を調整することがあります。
- 被験者の運動閾値を決定します。
- 5 のうち 10 刺激の 50 μ V 以上の MEP を生成する最小刺激出力強度を見つけます。この値を記録します。
- 安静時の MEP 振幅を測定します。
- 一連の 10 の TMS パルスを提供、15 で区切ってベースライン MEP 振幅を測定する任意の刺激のない状態での s。
5. 実験課題
- 5 s ビデオ刺激は、一度に 1 つずつのシリーズをプレイします。
- ビデオの 3 つの種類があります: 手の運動観察、腕の動きの観測と制御。
- コントロール動画でカップはテーブルの上と近くに右の手がかかっています。運動は行われません。
- 手のアクション ビデオ, 右手まで達し、カップを握ります。このアクションには、FDI の筋の収縮が含まれます。
- 達すると、アーム アクション ビデオで右腕が解除、および周辺移動します。把握の実行はなく、FDI 筋が関与していないので。
- 15 各ビデオを 10 回プレイ後各 1 つは、30 のビデオの合計のために残りの s。ランダムな順序でビデオを再生します。
- ビデオの 3 つの種類があります: 手の運動観察、腕の動きの観測と制御。
- ビデオの中に、運動閾値の 120% に TMS パルスを提供します。
- ビデオでアクションに合わせてパルスを時間します。そのためには、パルスが発生する 2 s ビデオの開始後。
6. データを分析します。
- 各 MEP のピーク-ピーク振幅を計算します。
- スプリアスのスパイクを除去する刺激後 TMS 刺激または 100 ms 以上の前にいずれかを発生する MEPs を破棄します。
- 各科目の基準、行動の観察と制御条件の平均の MEP の振幅値を計算します。
- MEP の振幅値、行動観察を受けますこと仮説をテストするためのグループ データに分散分析 (ANOVA) を実行します。
経頭蓋磁気刺激法(経頭蓋磁気刺激法)は、TMSと略され、脳と異なる筋肉とのつながりだけでなく、人が他人の動きを観察したときに脳の活動がどのように変化するかを調査するために使用できる技術です。
毎日、人は意識的に筋肉を動かして、右腕を振ってラケットでテニスボールを打つなど、特定の行動をとっています。
このような随意筋運動はすべて、頭皮のすぐ下の脳の表面にある運動皮質の興奮の結果です。
重要なのは、右腕であろうと左脚であろうと、さまざまな体の部分の動きが、異なる運動皮質領域のニューロンのセットによって制御されていることです。
たとえば、頭の右上付近のニューロンが興奮すると、脳を通って脊柱に伝わり、次に左腕の筋肉に伝わる電気信号を生成できます。
それに対して、筋細胞は自身の電気信号を生成し、それが収縮と運動につながります。
興味深いことに、研究によると、運動皮質の領域は、人が自分で何らかの行動をとったときだけでなく、整備士が左腕で機械を叩くように、他の人が動くのを見たときにも活性化されることがわかっています。
TMSは、行動観察が運動皮質ニューロンに引き起こす促進を研究者に調査する方法を提供します。
このビデオでは、Luciano FatigaたちのTMS技術を用いて、行動観察、運動皮質興奮、筋活動の関係を調べる方法が示されている。
この手順では、参加者は 2 つのフェーズを受けますか?TMSのローカリゼーションとキャリブレーション、および実験課題は、他の誰かが行ったアクションを観察するときに運動皮質の領域が興奮しているかどうかを特定することです。
第 1 段階の目的は、参加者の右手 (親指と人差し指の間にある第一背側骨間筋 (FDI と略される) の特定の筋肉を動かす原因となる脳領域を特定することです。
次に、8の字TMSコイルを運動皮質の上の頭皮に当てます。脳のこの半球が体の右側の動きを指示するため、頭の左側に配置されています。
同時に、電極はFDIと被験者の右手の近くの骨の上に配置されているため、この筋肉の電気的活動を検出して記録できます。
次に、コイルを使用して頭皮に単一のパルスを送達し、短時間の磁場を作り出し、誘導を通じて、下にある神経組織に電流を流します。
ニューロン、主にコイルの中心の下にあるニューロンは、これによって活性化され、その結果、意識的な動きの信号と同様に、標的の筋肉に移動する信号を生成します。
これに対して、モーター誘発電位(MEP)と呼ばれる追加の電気信号が生成され、Y軸にミリボルト、X軸に時間がプロットされるグラフ上のピークとして記録および視覚化できます。
これらのMEPは、筋肉を物理的にけいれんさせ、観察できる動きをします。このようなけいれんがFDI以外の筋肉で発生した場合、上腕のように、運動皮質の正しい領域が特定されていません。
この場合、コイルはわずかに移動し、別の単一パルスを送達するために使用され、結果として生じる動きが記録されます。これは、運動皮質でのその表現が見つかったことを示す指標である右FDIにけいれんが見られるまで繰り返されます。
この領域が特定されると、TMS刺激の強度が変更され、新しいパルスが投与され、結果として生じるMEPが記録されます。この信号の振幅(最も高い正のピークから最も低い負の点まで)には細心の注意が払われます。
これらの調整は、振幅が 50 を超える MEP を生成する設定が見つかるまで続きます。フェーズの半分のV:参加者の運動閾値と呼ばれる刺激強度。
次に、運動閾値の 120% でいくつかの個々の TMS パルスを運動皮質の右 FDI 領域より上に投与し、それぞれについてベースライン MEP を記録します。
第2段階である実験課題では、参加者は自分の体の部分を動かさずに、腕や手の動きを含む3種類の映画を見るように求められます。
1つ目のタイプの映像は、ハンドアクションビデオと呼ばれ、右手がカップに向かって手を伸ばし、握るという、FDIを必要とするアクションを示しています。これらのクリップでは、FDIベースの運動の観察が、運動皮質のFDI関連領域の活動にどのように影響するかを評価します。
対照的に、アームアクションビデオでは、右腕を持ち上げてカップのある領域を動き回り、FDIとは無関係の動きをします。この映像では、右FDI収縮の原因となる運動皮質領域が、この筋肉に関与していない動きの観察によって興奮できるかどうか、特異性を評価します。
3番目のタイプはコントロールビデオで、筋肉の動きを一切せずに、右手がカップの隣に静止している様子を示しています。
実際のタスクが実行されると、TMSコイルは再び右FDIの動きに関与する脳の領域の上に配置されます。その後、参加者はランダムな順序でビデオを視聴し、各タイプを10回繰り返します。
映像内で筋肉の動きが発生すると、手や腕のアクションビデオが始まってから約2秒後、TMSコイルを使用して単一の電磁パルスを送達します。
同様に、コントロールビデオには動きは描かれていませんが、そのようなクリップの開始から2秒後にパルスが投与されます。すべての場合において、コントロール、アーム、ハンドアクションのビデオは?適切なFDIによって生成されたMEPが記録されます。
ここで、従属変数は MEP 振幅です。以前の研究に基づくと、ハンドアクションムービーの観察時にFDIから記録されたMEPは、アームアクションまたはコントロールムービーを見ながら記録されたMEPよりも大きくなることが予想されます。これは、より高いFDI活動を反映し、したがって運動皮質の興奮性が高いことを反映しています。
実験を開始する前に、右利きで、視力が正常で、神経障害の病歴がない 20 人の参加者を募集し、彼らから書面による同意を得ます。
彼らは一連のビデオを見ることになり、その間、彼らの脳の領域はTMSを介して刺激されます。TMSコイルから頭をわずかに叩くかもしれませんが、大きな不快感を感じることはないことを強調します。
まず、参加者にコンピューター画面の前に置かれた椅子に座ってもらいます。彼らの右肘を90で休むように導きますか?角度をつけ、右腕と手が快適にうつ伏せになっていることを確認します。
次に、あごをあご当てに置き、目が画面から少なくとも50cm離れるようにします。
MEP 記録の場合は、参加者の右手の皮膚をアルコールで洗浄し、人差し指と親指を一緒に押して右の FDI 筋を曲げます。筋肉の緊張のピーク位置を特定し、その上に記録電極を置きます。その後、手の近くの骨に参照電極を配置します。また、接地電極を右肘にしっかりと固定します。
電極が配置されたら、筋肉の緊張がないように手をリラックスさせるように参加者に指示します。
次に、参加者の頭皮の左側に 8 の字 TMS コイルを配置し、それを使用して運動皮質の右側の FDI 表現を見つけます。これが発生すると、右FDIのけいれんが観察され、この筋肉から安定したMEPが記録されることを期待してください。
キャリブレーションのために、最小出力強度(50を超えるMEPを生成するもの)までTMSコイルの設定を調整しますか?10回の刺激のうち5回のVが決定されます。
参加者の運動閾値を表すこの値を記録します。決定したら、これらの設定を使用して、ベースライン MEP 振幅を決定するために、一連の 10 個の TMS パルス (それぞれ 15 秒間隔) を参加者に配信します。
その後、参加者に手の動き、腕の動き、コントロールの3種類の映画をランダムな順序で見せて実験課題を実行させます。それぞれの間には、15秒の休息期間が含まれます。
各ビデオが 10 回再生され、合計 30 本のムービーが再生されることを確認します。参加者が各クリップのアクションを見るとき (映画の開始から約 2 秒後) に、運動閾値の 120% で TMS パルスを投与します。
データを解析するには、記録された各MEPについて、ベースライン、アクション観測、または制御ビデオ条件のいずれからでも、ピークツーピーク振幅を計算します。スプリアススパイクを排除するには、TMS刺激前または刺激後100ミリ秒以上に発生するMEPを廃棄します。
手と腕の動き、および手当てのビデオの平均 MEP 振幅を計算し、これらを平均ベースラインを上回るパーセンテージとして表します。
ハンドアクションビデオの場合、FDI筋から記録されたMEP振幅は制御振幅と比較して有意に大きかったことに注目してください。これは、アクション観察中に運動皮質が興奮性が増加する促進効果を示唆しています。
しかし、アームアクション観察中に記録されたMEPは、手の動きのビデオを見て生成されたMEPよりもはるかに小さかった。これは、促進効果が比較的選択的であり、観察された筋肉の動きに関与する運動皮質の領域に特異的であることを示しています。
研究者がTMSを使用して、行動観察に応答した運動皮質の興奮性を調査する方法がわかったところで、この手法が他のアプリケーションでどのように適用されているかを見てみましょう。
これまでは、動きを見ることと運動野の機能との関係に着目してきました。しかし、一部の研究者は、行動を想像することが記録されたMEPにも影響を与えるかどうかを検討しています。
このような作業では、参加者は、単一のTMSパルスが投与されるときに、右腕を曲げるなど、体の一部を物理的に動かす自分自身を想像する必要があります。
筋肉から得られたMEPが評価されると、参加者がそのような動きを想像していない場合の制御シナリオで記録されたものよりも大きいことがわかります。
この効果は、参加者が想像している動きを観察するとさらに促進されます。まとめると、これらの結果は、想像力と運動活性化の関係の証拠を提供します。
他の神経心理学者は、TMSの修飾を治療目的に使用できるかどうかを調査しています。
例えば、脳卒中による失語症(患者が物体の名前などの言葉による情報を伝えるのが困難な状態)の治療にTMSが役立つかどうかに関心が集まっています。
ここでは、脳卒中患者に対して、右下前頭回と呼ばれる脳の領域を、パルスを繰り返し迅速に投与する方法である反復TMSを用いて刺激しました。
治療の数か月後に患者がロブスターや暖炉などの物体を口頭で特定するように求められたとき、反復TMSが個人に長期的でプラスの効果をもたらすことが明らかになりましたか?この方法を認知障害の治療にどのように使用できるかについての洞察を提供する、能力の命名。
JoVEのTMSと行動観察に関するビデオをご覧になりました。ここまでで、TMSを使用して筋肉の動きを見た後の運動皮質の活動を評価する方法を理解できるはずです。また、TMSコイルで脳の領域を刺激する方法、観察刺激を提示する方法、MEPデータを収集して解釈する方法も知っておく必要があります。最後に、TMSが脳卒中患者の治療など、他のアプリケーションでどのように使用されているかを理解する必要があります。
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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.