TMS를 사용한 동작 관찰 중 운동 흥분성 측정

TMS로 약칭되는 경두개 자기 자극은 뇌와 다른 근육 사이의 연결뿐만 아니라 사람이 다른 사람의 움직임을 관찰할 때 뇌 활동이 어떻게 변하는지 조사하는 데 사용할 수 있는 기술입니다.

매일 사람은 라켓으로 테니스 공을 치기 위해 오른팔을 흔드는 것과 같은 특정 동작을 수행하기 위해 의식적으로 근육을 움직입니다.

이러한 모든 자발적인 근육 움직임은 두피 바로 아래 뇌 표면에 위치한 운동 피질의 흥분의 결과입니다.

중요한 것은 오른팔이든 왼다리든 서로 다른 신체 부위의 움직임이 뚜렷한 운동 피질 영역에 있는 일련의 뉴런에 의해 제어된다는 것입니다.

예를 들어, 머리 오른쪽 상단 근처의 뉴런이 흥분되면 뇌를 통해 척추로, 그리고 왼쪽 팔의 근육으로 이동하는 전기 신호를 생성할 수 있습니다.

이에 대한 반응으로 근육 세포는 자체 전기 신호를 생성하며, 이는 수축과 움직임으로 이어집니다.

흥미롭게도, 연구에 따르면 운동 피질의 영역은 사람이 어떤 행동을 할 때뿐만 아니라 정비공이 왼팔로 기계를 치는 것처럼 다른 사람이 움직이는 것을 볼 때도 활성화된다는 것을 보여주었습니다.

TMS는 연구자들에게 행동 관찰이 운동 피질 뉴런에서 일으키는 촉진을 조사할 수 있는 방법을 제공합니다.

이 비디오는 Luciano Fadiga와 동료들의 TMS 기술을 통해 행동 관찰, 운동 피질 흥분 및 근육 활동 간의 관계를 조사하는 방법을 보여줍니다.

이 절차에서 참가자는 두 가지 단계를 거칩니다. TMS 국소화 및 보정, 그리고 실험 과제는 다른 사람이 수행한 행동을 관찰할 때 운동 피질 영역이 흥분하는지 여부를 확인하는 것입니다.

첫 번째 단계의 목표는 참가자의 오른손에서 엄지와 검지 사이에 위치한 FDI로 약칭되는 제1등쪽 골간(first-dorsal interosseous)의 특정 근육을 움직이는 뇌 영역을 식별하는 것입니다.

그런 다음 8자형 TMS 코일을 운동 피질 위의 두피에 놓습니다. 뇌의 이 반구가 몸의 오른쪽에서 움직임을 지시하기 때문에 머리의 왼쪽에 위치합니다.

동시에, 전극은 FDI와 피험자의 오른손 뼈 근처에 위치하여 이 근육의 모든 전기적 활동을 감지하고 기록할 수 있습니다.

그런 다음 코일을 사용하여 두피에 단일 펄스를 전달하고, 이는 유도를 통해 기본 신경 조직에 전류를 유도하는 짧은 자기장을 생성합니다.

주로 코일의 중심 아래에 있는 뉴런은 이것에 의해 활성화되고 결과적으로 의식적인 움직임을 위한 것과 유사한 신호를 생성하여 목표 근육으로 이동합니다.

이에 대한 응답으로 모터 유발 전위(MEP)라고 하는 추가 전기 신호가 생성되어 그래프에 피크로 기록 및 시각화할 수 있으며, 여기서 밀리볼트는 Y축에 표시되고 시간은 X축에 표시됩니다.

이러한 MEP는 근육이 물리적으로 경련을 일으키도록 하며, 이를 관찰할 수 있습니다. 이러한 경련이 상완과 같이 FDI가 아닌 다른 근육에서 발생하는 경우, 운동 피질의 올바른 영역이 국소화되지 않은 것입니다.

이 경우 코일이 약간 이동하여 다른 단일 펄스를 전달하는 데 사용되며 결과 동작이 기록됩니다. 이것은 운동 피질에서 경련의 표현이 발견되었다는 지표인 오른쪽 FDI에서 경련이 보일 때까지 반복됩니다.

이 영역이 국소화되면 TMS 자극의 강도가 수정되고 새로운 펄스가 투여되며 결과 MEP가 기록됩니다. 이 신호의 가장 높은 포지티브 피크에서 가장 낮은 마이너스 포인트까지 측정된 진폭에 세심한 주의를 기울입니다.

이러한 조정은 진폭이 50보다 큰 MEP를 생성하는 설정이 발견될 때까지 계속됩니다. V는 참가자의 운동 역치라고 하는 자극 강도의 절반입니다.

그런 다음 모터 임계값의 120%에서 여러 개별 TMS 펄스를 운동 피질의 오른쪽 FDI 영역 위로 투여하고 각각에 대해 기준선 MEP를 기록합니다.

두 번째 단계인 실험 과제에서 참가자들은 자신의 신체 부위를 움직이지 않은 채 팔이나 손의 움직임과 관련된 세 가지 유형의 영화를 시청하도록 요청받습니다.

핸드 액션 비디오(hand-action videos)라고 불리는 첫 번째 유형의 영상은 오른손이 컵을 향해 손을 뻗어 잡는 것을 보여주는데, 이는 FDI가 필요한 동작입니다. 이 클립은 FDI 기반 동작의 관찰이 운동 피질의 FDI 관련 영역에서 활동에 어떤 영향을 미치는지 평가합니다.

대조적으로, 팔 액션 비디오는 FDI와 무관한 컵 모션으로 오른팔을 들어 올리고 주변을 움직이는 것을 포함합니다. 이 영상은 우측 FDI 수축을 담당하는 운동 피질 영역이 이 근육을 포함하지 않는 움직임의 관찰에 의해 흥분될 수 있는지 여부를 특이성을 평가합니다.

세 번째 유형은 대조군 비디오로, 근육 움직임 없이 오른손이 컵 옆에 가만히 있는 모습을 보여줍니다.

실제 작업이 수행되면 TMS 코일이 올바른 FDI 움직임을 담당하는 뇌 영역 위에 다시 배치됩니다. 그런 다음 참가자들은 각 유형이 10번 반복되는 무작위 순서로 비디오를 시청합니다.

손이나 팔 동작 비디오가 시작되고 약 2초 후에 영상에서 근육 움직임이 발생하면 TMS 코일을 사용하여 단일 전자기 펄스를 전달합니다.

유사하게, 제어 비디오에서 움직임이 묘사되지 않았지만, 이러한 클립의 시작 2초 후에 펄스가 투여됩니다. 모든 경우에?컨트롤, 팔 또는 손 액션 비디오? 올바른 FDI에 의해 생성된 MEP가 기록됩니다.

여기서 종속 변수는 MEP 진폭입니다. 이전 연구에 기초하여, 핸드 액션 영화의 관찰 시 FDI로부터 기록된 MEP는 팔 액션 또는 컨트롤 영화를 보는 동안 기록된 것보다 더 클 것으로 예상되며, 이는 더 높은 FDI 활성과 따라서 더 큰 운동 피질 흥분성을 반영합니다.

실험을 시작하기 전에 오른손잡이이고 정상적인 시력을 가지고 있으며 신경 질환 병력이 없는 참가자 20명을 모집하고 그들로부터 서면 동의를 얻습니다.

그들은 일련의 비디오를 보게 될 것이며, 그 시간 동안 그들의 뇌 영역은 TMS를 통해 자극될 것이라고 설명하십시오. TMS 코일에서 머리를 약간 두드리는 느낌이 들 수 있지만 큰 불편함을 느끼지는 않는다는 점을 강조하십시오.

시작하려면 참가자를 컴퓨터 화면 앞에 있는 의자에 앉히십시오. 오른쪽 팔꿈치가 90에서 쉬도록 안내합니까? 각도를 조절하고 오른팔과 손이 편안하게 엎드려 있는지 확인합니다.

그런 다음 턱받이에 턱을 대고 눈이 화면에서 최소 50cm 이상 떨어지도록 합니다.

MEP 녹음을 위해 참가자의 오른손 피부를 알코올로 닦고 집게 손가락과 엄지 손가락을 함께 눌러 오른쪽 FDI 근육을 구부리게합니다. 근육 긴장의 최고 위치를 확인하고 그 위에 기록 전극을 놓습니다. 그런 다음 손의 근처 뼈에 기준 전극을 놓습니다. 또한 접지 전극을 오른쪽 팔꿈치에 단단히 고정하십시오.

전극이 배치되면 참가자에게 근육 긴장이 없도록 손을 풀도록 지시합니다.

그런 다음 참가자의 두피 왼쪽에 8자 모양의 TMS 코일을 놓고 이를 사용하여 운동 피질에서 올바른 FDI 표현을 찾습니다. 이 경우 올바른 FDI의 경련과 이 근육에서 기록된 안정적인 MEP를 관찰할 수 있습니다.

보정을 위해 최소 출력 강도가 50보다 큰 MEP를 생성할 때까지 TMS 코일의 설정을 조정하십시오. 10개의 자극 중 5개의 V가 결정됩니다.

참가자의 모터 임계값을 나타내는 이 값을 기록합니다. 결정이 완료되면 이러한 설정을 사용하여 기준선 MEP 진폭을 결정하기 위해 각각 15초씩 분리된 일련의 10개의 TMS 펄스를 참가자에게 전달합니다.

그 후, 참가자에게 세 가지 유형의 영화(손 동작, 팔 동작, 제어)를 무작위 순서로 보여주면서 실험 과제를 수행하게 합니다. 각 사이에 15초의 휴식 시간을 포함합니다.

각 비디오가 10번 재생되어 총 30개의 영화가 재생되는지 확인합니다. 참가자가 각 클립의 동작을 볼 때(영화 시작 후 약 2초 후) 모터 임계값의 120%에서 TMS 펄스를 투여합니다.

데이터를 분석하기 위해 베이스라인, 동작 관찰 또는 제어 비디오 조건 등 기록된 각 MEP에 대해 피크 대 피크 진폭을 계산합니다. 스퓨리어스 스파이크를 제거하려면 TMS 자극 전이나 자극 후 100ms 이상 후에 발생하는 MEP를 폐기하십시오.

손 및 팔 움직임에 대한 평균 MEP 진폭과 손 받침대 비디오를 계산하고 이를 평균 기준선보다 높은 백분율로 표현합니다.

손 동작 비디오의 경우, FDI 근육에서 기록된 MEP 진폭이 제어 진폭에 비해 훨씬 더 컸으며, 이는 동작 관찰 중 운동 피질의 흥분성이 증가하는 촉진 효과를 시사합니다.

그러나 팔 동작 관찰 중에 기록된 MEP는 손의 움직임 비디오를 시청하여 생성된 것보다 훨씬 작았습니다. 이는 촉진 효과가 상대적으로 선택적이며, 관찰된 근육 움직임을 담당하는 운동 피질의 영역에 특이적임을 나타냅니다.

이제 연구자들이 TMS를 사용하여 행동 관찰에 대한 반응으로 운동 피질의 흥분성을 조사하는 방법을 알았으므로 이 기술이 다른 응용 프로그램에 어떻게 적용되는지 살펴보겠습니다.

지금까지 우리는 움직임을 관찰하는 것과 운동 피질 기능 사이의 관계에 초점을 맞추었습니다. 그러나 일부 연구자들은 행동을 상상하는 것이 기록된 MEP에도 영향을 미칠 수 있는지 여부를 조사하고 있습니다.

이러한 작업을 위해서는 참가자가 단일 TMS 펄스를 투여할 때 오른팔을 구부리는 것과 같은 신체 부위를 물리적으로 움직이는 자신의 모습을 상상해야 합니다.

근육의 결과 MEP를 평가할 때, 참가자가 그러한 움직임을 상상하지 않을 때 제어 시나리오에서 기록된 것보다 더 큰 것으로 나타났습니다.

이 효과는 참가자가 상상하는 움직임을 관찰할 때 더욱 촉진됩니다. 총체적으로, 이러한 결과는 상상력과 운동 활성화 사이의 관계에 대한 증거를 제공합니다.

다른 신경심리학자들은 TMS의 변형이 치료 목적으로 사용될 수 있는지 여부를 연구하고 있다.

예를 들어, TMS가 뇌졸중으로 인한 실어증(환자가 물체의 이름과 같은 언어적 정보를 전달하는 데 어려움을 겪는 상태)을 치료하는 데 도움이 될 수 있는지에 대한 관심이 있습니다.

여기서, 뇌졸중 환자에서 우측 하전두회(right inferior frontal gyrus)라고 불리는 뇌 부위를 반복적인 TMS(반복적인 TMS)를 사용하여 자극했습니다.

환자들에게 치료 후 몇 달 후에 바닷가재나 벽난로와 같은 물체를 말로 식별하도록 요청했을 때, 반복적인 TMS가 개인에게 장기적이고 긍정적인 영향을 미친다는 것이 밝혀졌다. 인지 결함을 치료하기 위해 이 방법을 사용할 수 있는 방법에 대한 통찰력을 제공하는 기능에 이름을 지정합니다.

당신은 방금 TMS와 행동 관찰에 대한 JoVE의 비디오를 시청했습니다. 지금쯤이면 근육 움직임을 관찰한 후 TMS를 사용하여 운동 피질의 활동을 평가하는 방법을 이해해야 합니다. 또한 TMS 코일로 뇌 영역을 자극하고, 관찰 자극을 제시하고, MEP 데이터를 수집 및 해석하는 방법을 알아야 합니다. 마지막으로, TMS가 뇌졸중 환자를 위한 치료법과 같은 다른 응용 분야에서 어떻게 사용되고 있는지 알아야 합니다.

시청해 주셔서 감사합니다!