Gebruik van TMS om motorische prikkelbaarheid tijdens actieobservatie te meten
Bron: Laboratoria van Jonas T. Kaplan en Sarah I. Gimbel—University of Southern California
Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) is een niet-invasie…
1. Rekruteer 20 deelnemers.
- Deelnemers moeten rechtshandig zijn en geen geschiedenis van neurologische of psychische stoornissen hebben.
- Deelnemers moeten een normale of gecorrigeerde-tot-normale visie hebben om ervoor te zorgen dat ze de visuele stimuli goed kunnen zien.
2. Pre-experimentele procedures
- Verkrijg schriftelijke toestemming van de deelnemer en leg uit wat erbij komt kijken in het experiment.
- Leg uit dat de deelnemer een reeks korte video's zal bekijken terwijl TMS-pulsen naar hun hersenen worden geleid. De proefpersoon kan een lichte tik op het hoofd van de TMS-spoel ervaren, maar er mag geen grote ongemakken gepaard gaan met deelname.
3. Bereid het onderwerp voor op TMS.
- Plaats de proefpersoon in een comfortabele stoel voor een computerscherm. Hun elleboog moet op een hoek van 90° gebogen zijn en de hand moet comfortabel op de palm liggen.
- Gebruik een kinsteun om de beweging van het hoofd te fixeren, zodat de ogen van de proefpersoon ongeveer 50 cm van het computerscherm zijn.
- Bereid de huid van de hand voor op plaatsing van EMG-elektroden door deze met alcohol schoon te maken.
- Plaats twee EMG-elektroden op de eerste-dorsale interosseus (FDI) spier van de rechterhand.
- Loceer de pieklocatie van spierspanning door de deelnemer te vragen hun FDI-spier te buigen en plaats de eerste elektrode op die locatie.
- Plaats een tweede referentie-elektrode op het nabijgelegen bot van de hand.
- Verbind de EMG-elektroden met een computer die het signaal digitaliseert, versterkt, filtert en weergeeft.
4. Localiseer en kalibreer TMS.
- Instrueer de deelnemers om hun hand te ontspannen, zodat er geen spierspanning is.
- Gebruik een figuur-8 TMS-spoel om de primaire motorische cortex te lokaliseren.
- Plaats de spoel tegen de contralaterale (linker) oppervlak van het hoofd op het voorste gedeelte van de hoofdhuid.
- Geef een reeks individuele TMS-pulsen, waarbij de locatie van de spoel systematisch wordt verplaatst totdat er trillingen in de FDI-spier zichtbaar zijn en de geregistreerde MEP's stabiel en betrouwbaar zijn. De stimulatie-intensiteit kan indien nodig tijdens deze fase worden aangepast om te helpen bij het lokaliseren van het hotspot.
- Bepaal de motorische drempel van het onderwerp.
- Zoek de minimale stimulatoruitgangssterkte die een MEP van meer dan 50 µV produceert op 5 van de 10 stimulaties. Noteer deze waarde.
- Meet de rustende MEP-amplitude.
- Geef een reeks van 10 TMS-pulsen, elk gescheiden door 15 s, in afwezigheid van enige stimulus om de baseline MEP-amplitude te meten.
5. Experimentele taak
- Speel een reeks 5-s video-stimuli, een voor een.
- Er zijn drie soorten video's: observatie van handbeweging, observatie van armbeweging en controle.
- In de controlevideo's wordt een kopje op een tafel gepresenteerd en een rechterhand ligt er naast. Er wordt geen beweging gemaakt.
- In de handactievideo's reikt de rechterhand en grijpt de kop. Deze actie omvat samentrekking van de FDI-spier.
- In de armactievideo's bereikt de rechterarm, wordt opgetild en rond het gebied bewogen. Er is geen grijpactie uitgevoerd, en dus is de FDI-spier niet betrokken.
- Speel elke video 10 keer, met 15 s rust na elke, voor een totaal van 30 video's. Speel de video's in willekeurige volgorde af.
- Er zijn drie soorten video's: observatie van handbeweging, observatie van armbeweging en controle.
- Tijdens de video, geef een TMS-puls bij 120% van de motorische drempel.
- Tijd de puls zodat deze samenvalt met de actie in de video. Om dit te bereiken, moet de puls 2 s na het begin van de video voorkomen.
6. Analyseer de data.
- Bereken voor elke MEP de piek-naar-piek amplitude.
- Verwerp MEP's die voor TMS-stimulatie voorkomen of meer dan 100 ms na stimulatie om willekeurige pieken te verwijderen.
- Bereken voor elke proefpersoon de gemiddelde MEP-amplitude voor de baseline-, actieobservatie- en controlecondities.
- Voer analyse van variantie (ANOVA) uit op de groepsgegevens om de hypothese te testen dat MEP-amplitude wordt beïnvloed door actieobservatie.
Transcranial Magnetic Stimulation, afgekort als TMS, is een techniek die kan worden gebruikt om niet alleen de verbindingen tussen de hersenen en verschillende spieren te onderzoeken, maar ook hoe hersenactiviteit verandert wanneer een persoon bewegingen bij anderen observeert.
Dagelijks beweegt een persoon bewust zijn spieren om bepaalde acties uit te voeren, zoals het zwaaien van de rechterarm om een tennisbal met een racket te raken.
Alle vrijwillige spierbewegingen zijn het resultaat van excitatie in de motorische cortex, die zich aan het oppervlak van de hersenen bevindt, net onder de hoofdhuid.
Belangrijk is dat de beweging van verschillende lichaamsdelen, of het nu de rechterarm of het linkerbeen is, wordt geregeld door sets van neuronen in verschillende motorische cortexgebieden.
Bijvoorbeeld, wanneer neuronen nabij de bovenkant rechts van het hoofd geëxciteerd raken, kunnen ze elektrische signalen produceren die door de hersenen naar de wervelkolom reizen, en vervolgens naar spieren in de linkerarm.
Als reactie hierop produceren spiercellen hun eigen elektrische signalen, wat leidt tot contractie en beweging.
Interessant is dat onderzoek heeft aangetoond dat gebieden van de motorische cortex niet alleen worden geactiveerd wanneer een persoon zelf een actie uitvoert, maar ook wanneer ze iemand anders zien bewegen, zoals een monteur die een machine met haar linkerarm slaat.
TMS biedt onderzoekers een manier om de facilitering te onderzoeken die actieobservatie veroorzaakt in neuronen van de motorische cortex.
Deze video demonstreert, door middel van de TMS-technieken van Luciano Fadiga en collega's, hoe de relatie tussen actieobservatie, excitatie van de motorische cortex en spieractiviteit kan worden onderzocht.
In deze procedure worden deelnemers onderworpen aan twee fasen - TMS lokalisatie en kalibratie, en een experimentele taak - om te identificeren of gebieden van hun motorische cortex geëxciteerd raken wanneer ze een actie observeren die door iemand anders wordt uitgevoerd.
Het doel van de eerste fase is om de hersenregio te identificeren die verantwoordelijk is voor het bewegen van een specifieke spier in de rechterhand van de deelnemer - de eerste-dorsale interosseus, afgekort als FDI - gelegen tussen de duim en wijsvinger.
Een figuur-acht TMS-spoel wordt vervolgens tegen hun hoofdhuid boven de motorische cortex geplaatst. Deze wordt links op hun hoofd gepositioneerd, aangezien deze hersenhelft beweging aan de rechterzijde van het lichaam regelt.
Tegelijkertijd worden elektroden geplaatst over de FDI en nabijgelegen bot op de rechterhand van het onderwerp, zodat eventuele elektrische activiteit in deze spier kan worden gedetecteerd en geregistreerd.
De spoel wordt vervolgens gebruikt om een enkele puls naar de hoofdhuid te leveren, wat een kortstondig magnetisch veld creëert dat - door inductie - leidt tot een elektrische stroom in het onderliggende neurale weefsel.
Neuronen, voornamelijk die onder het centrum van de spoel, worden hierdoor geactiveerd en genereren als gevolg hiervan signalen die - vergelijkbaar met die voor bewuste bewegingen - naar doel spieren reizen.
Als reactie hierop worden aanvullende elektrische signalen gecreëerd, motor-evoked potentials, MEP's, die kunnen worden geregistreerd en gevisualiseerd als pieken op een grafiek, waarbij millivolten op de Y-as en tijd op de X-as worden uitgezet.
Deze MEP's zorgen ervoor dat de spieren fysiek trillen - een beweging die kan worden waargenomen. Als een dergelijke spasme optreedt in een spier anders dan de FDI - zoals in de bovenarm - is de juiste regio van de motorische cortex niet gelokaliseerd.
In dit geval wordt de spoel lichtjes verplaatst en gebruikt om nog een enkele puls te leveren, waarbij eventuele resulterende beweging wordt genoteerd. Dit wordt herhaald totdat trillingen in de rechter FDI worden gezien - een indicator dat zijn representatie in de motorische cortex is gevonden.
Eenmaal deze regio is gelokaliseerd, wordt de sterkte van het TMS-stimulus aangepast, wordt een nieuwe puls toegediend en wordt het resulterende MEP geregistreerd. Er wordt zorgvuldig gelet op de amplitude - gemeten van de hoogste positieve piek tot het laagste negatieve punt - van dit signaal.
Deze aanpassingen worden voortgezet totdat een instelling is gevonden die MEP's produceert met amplituden groter dan 50 ?V in de helft van de fasen - een stimulusintensiteit die wordt aangeduid als de motorische drempel van de deelnemer.
Vervolgens worden verschillende individuele TMS-pulsen bij 120% van de motorische drempel toegediend boven de rechter-FDI-regio van de motorische cortex, en baseline MEP's worden voor elk ervan geregistreerd.
In de tweede fase, de experimentele taak, wordt van de deelnemers gevraagd om drie typen films te bekijken met arm- of handbewegingen, terwijl ze hun eigen lichaamsdelen stilhouden.
Het eerste type beelden, hand-action video's genoemd, toont een rechterhand die reikt naar en een kopje grijpt - een actie die de FDI vereist. Deze clips zullen beoordelen hoe observatie van een FDI-gebaseerde beweging de activiteit in het FDI-geassocieerde gebied van de motorische cortex beïnvloedt.
In tegenstelling hiermee bevatten arm-action video's een rechterarm die een kopje optilt en eromheen beweegt - bewegingen die onafhankelijk zijn van de FDI. Deze beelden zullen de specificiteit evalueren - of het gebied van de motorische cortex dat verantwoordelijk is voor de contractie van de rechter FDI kan worden geëxciteerd door de observatie van bewegingen die deze spier niet betrekken.
Het derde type zijn controlevideo's, die een rustende rechterhand naast een kopje laten zien, zonder enig type spierbeweging.
Wanneer de daadwerkelijke taak wordt uitgevoerd, wordt een TMS-spoel opnieuw geplaatst boven het gebied van de hersenen dat verantwoordelijk is voor de rechter FDI-beweging. Vervolgens bekijken de deelnemers de video's in willekeurige volgorde, waarbij elk type 10 keer wordt herhaald.
Wanneer spierbeweging optreedt in de beelden - ongeveer 2 s na het begin van een hand- of armactievideo - wordt de TMS-spoel gebruikt om een enkele elektromagnet
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.