Modulacja pobudliwości korowo-rdzeniowej podczas obserwacji działania

Summary

Jednopulsowa przezczaszkowa stymulacja magnetyczna nad główną korą ruchową, neuronawigacja i rejestracja aktywności elektromiograficznej mięśni dłoni zostały wykorzystane w tym badaniu do zbadania pobudliwości korowo-rdzeniowej, podczas gdy uczestnicy obserwowali sekwencje działań.

Abstract

W tym badaniu użyto techniki przezczaszkowej stymulacji magnetycznej/motorycznego potencjału wywołanego (TMS/MEP), aby określić, kiedy automatyczna tendencja do naśladowania czyjegoś działania staje się antycypacyjną symulacją działania komplementarnego. TMS został dostarczony do lewej pierwotnej kory ruchowej odpowiadającej ręce, aby wywołać najwyższy poziom aktywności MEP z odwodziciela palca minimalnego (ADM; mięsień obsługujący odwodzenie małego palca), jak również pierwszego międzykostnego grzbietu (FDI; mięsień obsługujący mięśnie zgięcia/wyprostu palca wskazującego). Do utrzymania pozycji cewki TMS wykorzystano system neuronawigacji, a aktywność elektromiograficzną (EMG) zarejestrowano z prawych mięśni ADM i FDI. Uzyskując oryginalne dane dotyczące rezonansu motorycznego, połączona technika TMS/MEP posunęła badania nad mechanizmem sprzężenia percepcja-działanie, które posunęły się o krok dalej. W szczególności odpowiedziano na pytania, w jaki sposób i kiedy obserwowanie działań innej osoby powoduje ułatwienia motoryczne w odpowiednich mięśniach obserwatora oraz w jaki sposób pobudliwość korowo-rdzeniowa jest modulowana w kontekstach społecznych.

Introduction

W ciągu ostatnich dziesięciu lat badania neurobiologiczne znacznie zmieniły tradycyjne spojrzenie na układ motoryczny. Znaczna ilość danych sugeruje, że obserwowanie ruchów czyjegoś ciała aktywuje reprezentacje motoryczne w mózgu obserwatora (np. ^1-3). Badania te wykazały, że kora ruchowa obserwatora dynamicznie replikuje obserwowane działania, tak jakby były one wykonywane przez samego obserwatora. Przezczaszkowa stymulacja magnetyczna (TMS) jest przydatna do oceny pobudliwości korowo-rdzeniowej (CS) ze stosunkowo wysoką rozdzielczością czasową w celu śledzenia zmian pobudliwości, gdy ktoś obserwuje kogoś innego wykonującego czynność.

Podstawową zasadą działania TMS jest to, że zmieniający się pierwotny prąd elektryczny w cewce stymulacyjnej wytwarza zmieniające się pole magnetyczne, które z kolei indukuje wtórny przepływ prądu elektrycznego w pobliskich przewodnikach - w tym przypadku tkance korowej - zgodnie z prawem Faradaya⁴. Mózg jest niejednorodnym przewodnikiem składającym się z istoty białej, istoty szarej i płynu mózgowo-rdzeniowego o przewodności odpowiednio 0,48, 0,7 i 1,79 S/^m5. Z analiz wynika, że na potrzeby stymulacji magnetycznej mózg może być traktowany jako jednorodny przewodnik⁵. Depolaryzacja neuronów jest wytwarzana przez indukowany prąd. Sercem tego procesu jest przeniesienie ładunku przez błonę nerwową proporcjonalnie do podniesienia jej potencjału wewnątrzkomórkowego o około 30-40 mV. W punkcie, w którym jony dodatnie są wprowadzane do komórki nerwowej, jej potencjał wewnątrzkomórkowy wzrośnie, a jeśli wzrost jest wystarczający, powstaje potencjał czynnościowy⁵. Priori i współpracownicy^jako pierwsi wykazali, że słaby prąd może modulować pobudliwość ludzkiej kory ruchowej, mierzoną amplitudą potencjału wywołanego silnikiem (MEP) z TMS. Znaczna część prac związanych ze stymulacją magnetyczną ludzkiej kory ruchowej koncentrowała się na reakcjach EMG w wewnętrznych mięśniach rąk⁷. W 2004 roku Uozomi^{i jego} współpracownicy odkryli, że spTMS na obszarze 44 może z łatwością przerywać ruchy dłoni zorientowane na cel i wytwarzać potencjał motoryczny z mięśni dłoni. Obszar ludzki 44 ma działanie ułatwiające i hamujące zarówno toniczne, jak i fazowe ruchy palców^9-10 i ma bezpośrednie, szybko przewodzące projekcje korowo-rdzeniowe.

Pierwszy dowód na to, że pobudliwość CS jest modulowana nie tylko podczas dobrowolnych ruchów, ale także podczas obserwacji działania, został dostarczony przez Fadigę i współpracowników w 1995 roku³. TMS zastosowano w obszarach dłoni pierwotnej kory ruchowej (M1), a MEP zarejestrowano z przeciwległych mięśni dłoni, podczas gdy ochotnik został poinstruowany, aby obserwować ruchy przechodnie i nieprzechodnie (te pierwsze są skierowane do celu, drugie nie). Stwierdzono, że amplituda MEP zarejestrowana z mięśni opponens pollicis (OP) i BIZ zwiększyła się podczas obserwacji działań chwytających w stosunku do tych zarejestrowanych w warunkach kontrolnych. Pojawiło się więc pytanie: czy mięśnie, które są wspomagane podczas obserwacji działania, są tymi samymi, które są wykorzystywane podczas wykonywania akcji? Stwierdzono, że reakcje EMG w mięśniach dłoni zarejestrowane podczas chwytania obiektu i podczas ruchów podnoszenia ramienia dokładnie odtwarzają wzorzec MEP wywołany przez TMS podczas obserwacji działania. Niektóre grupy badawcze były w stanie powtórzyć te same eksperymenty i zaprojektowały inne^11-16.

Podczas obserwacji akcji, system motoryczny obserwatora w praktyce "rezonuje" z obserwowanymi ruchami i symuluje te działania poniżej progu w ściśle zgodny sposób. Ponieważ mięśnie zaangażowane w działanie obserwatora są takie same, jak te, które są używane przez osobę wykonującą czynność, są one czasowo sprzężone z dynamiką obserwowanego działania. W 2001 roku Gangitano i współpracownicy wykazali, że system dopasowania wykonanie-obserwacja jest powiązany z obserwowanym działaniem nawet pod względem jego kodowania czasowego^. Amplitudy MEP zwiększają się wraz ze wzrostem apertury palca i zmniejszają się w fazie zamykania. Clark i wsp.¹⁸ z nich miało na celu ocenę specyfiki facylitacji korowo-rdzeniowej (CS), podczas gdy uczestnicy obserwowali, byli proszeni o wyobrażenie sobie lub obserwowali działania, o których powiedziano im, że będą musieli później wykonać. Badacze ci stwierdzili, że nie wydaje się, aby istniały żadne statystycznie istotne różnice w tych trzech stanach.

Istnieją co najmniej dwie hipotezy wyjaśniające ułatwienia MEP wywołane obserwacją działania. Zgodnie z pierwszą, zwiększenie pobudliwości M1 odbywa się poprzez pobudzające połączenia korowo-korowe. Zgodnie z drugim, TMS ujawnia, poprzez salwy opadające CS, ułatwienie neuronów ruchowych (MN). Nie można rozróżnić modulacji amplitud MEP spowodowanych zmianami pobudliwości M1 lub MNs. Jak Baldissera i wsp.¹⁹ osób chciało zbadać pobudliwość rdzenia kręgowego związaną z facylitacją MEP, zdecydowali się zmierzyć amplitudę odruchu Hoffmanna (wywołanego przez stymulację włókien doprowadzających w nerwach obwodowych) w mięśniach zginaczy palców przedramienia, podczas gdy ochotnicy obserwowali ruchy dłoni ukierunkowane na cel. Stwierdzili oni, że podczas gdy modulacja pobudliwości korowej ściśle naśladowała obserwowane ruchy, tak jakby były one wykonywane przez samego obserwatora, pobudliwość rdzenia kręgowego wydawała się być wzajemnie modulowana. Badacze ci uznali ten efekt za wyraz mechanizmu blokującego jawne wykonanie obserwowanych działań. Modulacja potencjałów motorycznych wywołanych przez TMS podczas obserwacji działania^3,20,21 wydaje się być specyficzna dla mięśni zaangażowanych w wykonanie działania³ i następuje, w sposób antycypacyjny²², ten sam wzorzec aktywacji czasowej^17,23. Idąc tym tropem, Urgesi i współpracownicy^odkryli niedawno, że obserwacja początkowej i środkowej fazy działań chwytnych spowodowała znacznie większe ułatwienie motoryczne niż obserwacja ich końcowych pozycji. Ułatwienie motoryczne było maksymalne w przypadku migawek przywołujących trwające, ale niekompletne działania. Wyniki dostarczają przekonujących dowodów na to, że przedni komponent systemu dopasowania obserwacji i wykonania odgrywa ważną rolę w predykcyjnym kodowaniu zachowań motorycznych innych osób.

Nie można jednak zaprzeczyć, że udana interakcja w prawdziwym świecie często wymaga działań uzupełniających, a nie naśladujących²⁶ i że naśladownictwo nie zawsze jest skuteczną lub właściwą reakcją na obserwację działania. W tych przypadkach, w których np. ktoś podaje komuś innemu kubek trzymany za rączkę, wszyscy wiemy, że odbiorca bez zastanowienia chwyci kubek całym gestem ręki (jedynym, który byłby odpowiedni w tej sytuacji). Niewiele wiadomo na temat tego, w jaki sposób można pogodzić nieelastyczną tendencję do dopasowywania obserwowanych działań do naszego układu motorycznego z prośbą o przygotowanie nieidentycznych odpowiedzi. W związku z tym niektórzy badacze wykazali, że automatyczne efekty lustrzanego odbicia mogą zostać zniesione po niekompatybilnym treningu: reakcje lustrzane i przeciwlustrzane wydają się przebiegać w tym samym czasie^27,28. Co ciekawe, w przeciwieństwie do poprzednich badań, MEP indukowane przez spTMS zostały ostatnio wykorzystane do oceny spontanicznej aktywacji korowo-rdzeniowej, podczas gdy klipy wideo wywołujące emulacyjne lub nieidentyczne gesty uzupełniające były po prostu obserwowane^29,30. Wyniki wykazały naturalne przejście od działania emulacyjnego do działania związanego z kontekstem w aktywności korowo-rdzeniowej. Mechanizm dopasowywania na początku sekwencji akcji zamieniał się w mechanizm komplementarny, jeśli żądanie wzajemnego działania stawało się oczywiste.

Wykorzystując te wyniki, niniejsze badanie zostało zaprojektowane tak, aby konkretnie określić, za pomocą połączonej techniki TMS/MEP, na jakim etapie następuje spontaniczne przejście od emulacji do wzajemności, gdy obserwacja działania wywołuje komplementarną reakcję. Następnie posłowie do PE zostali nagrani w pięciu różnych momentach sekwencji z mięśni rąk FDI i ADM. Stawiamy hipotezę, że posłowie do PE nagrani w momencie, gdy obserwator początkowo postrzega uścisk całej dłoni, mogą wywołać ułatwienie zarówno mięśni ADM, jak i FDI, ponieważ takie mięśnie są zwykle rekrutowane do takiego chwytu. I odwrotnie, gdy obserwowany gest wywołuje u obserwatora nieidentyczny gest komplementarny (tj. PG), tylko posłowie do PE zarejestrowani z mięśnia BIZ powinni ujawnić wyraźny wzrost aktywacji. Dzieje się tak, ponieważ PG nie implikuje rekrutacji mięśnia ADM. Przewidujemy również, że gdy obserwowane działanie nie niesie ze sobą żadnego znaczenia społecznego, powinny pojawić się proste symetryczne efekty facylitacji podczas całej sekwencji działania.

Protocol

1. Przygotowanie bodźców wideo

1. Zleć modelowi wykonanie czterech sekwencji działań.
   1. W pierwszych dwóch sekwencjach akcji posadź modelkę przy stole przodem do kamery. Postaw trzy kubki na stole obok niej, a czwarty dalej po drugiej stronie stołu na pierwszym planie. Poinstruuj modelkę, aby rozpoczęła swoje działanie od sięgnięcia w kierunku i uchwycenia łyżeczki do cukru.
   2. Poinstruuj modelkę, aby rozpoczęła swoją akcję od wsypania cukru do trzech kubków. Kiedy skończy wsypywać cukier do trzeciego kubka, poinstruuj modelkę, aby poruszała nadgarstkiem tak, jakby zamierzała wsypać cukier również do czwartego.
   3. Poinstruuj modelkę, aby rozpoczęła swoją akcję od wsypania cukru do trzech kubków. Kiedy skończy wsypywać cukier do trzeciego kubka, poproś modelkę, aby przesunęła nadgarstek, aby przywrócić go do pierwotnej pozycji.
   4. W dwóch ostatnich sekwencjach akcji ponownie posadź modelkę przy stole przodem do kamery. Umieść trzy filiżanki kawy espresso na stole obok niej, a czwartą dalej od niej po drugiej stronie stołu na pierwszym planie. Poinstruuj modelkę, aby rozpoczęła swoją akcję od sięgnięcia w kierunku termosu i uchwycenia go.
   5. Poinstruuj modelkę, aby rozpoczęła swoje działanie, wlewając kawę do trzech filiżanek espresso. Kiedy skończy nalewać kawę do trzeciej filiżanki, niech modelka poruszy nadgarstkiem, tak jakby zamierzała nalać kawę również do czwartej filiżanki.
   6. Poinstruuj modelkę, aby rozpoczęła swoje działanie, wlewając kawę do trzech filiżanek espresso. Kiedy skończy nalewać kawę do trzeciej filiżanki, poproś modelkę, aby przesunęła nadgarstek, aby przywrócić ją do pierwotnej pozycji.
2. Poinstruuj modelkę, aby podniosła i przytrzymała łyżeczkę do cukru za pomocą precyzyjnego uchwytu (PG; tj. przeciwieństwo kciuka z palcem wskazującym) oraz do podnoszenia i trzymania termosu w sposób naturalny za pomocą chwytu całej dłoni (WHG; tj. przeciwieństwo kciuka z pozostałymi palcami).
3. Na początku każdego klipu wideo poinstruuj modelkę, aby pokazała, że jej ręka spoczywa w pozycji leżącej na stole.
   1. Zadbaj o to, aby model rozpoczął ruch od sięgnięcia do uchwytu około 900 ms później.
   2. Postaraj się, aby palce modelki zetknęły się z pierwszym obiektem około 450 ms później.
   3. Poproś modelkę, aby zaczęła poruszać ręką, aby wykonać drugi krok działania 5 000 ms później.
4. Wykorzystanie techniki digitalizacji do przeprowadzenia analizy kinematycznej post-hoc ruchów modelu
   1. Zaznaczaj każdy ruch, klatka po klatce, ręcznie przypisując marker do nadgarstka modela.
   2. Śledź ruchy modelki. Wskaż odchylenie trajektorii: moment, w którym trajektoria ręki zaczyna się różnicować w zależności od warunków społecznych i niespołecznych. Zablokuj najistotniejsze zdarzenia kinematyczne charakteryzujące sekwencję działania za pomocą czasu stymulacji TMS.

2. Przygotowanie instrumentu

1. Podłączyć cztery spiekane bipolarne Ag/AgCl i jedną monopolarną elektrodę powierzchniową (15 kΩ, 1,5 mm bezdotykowe gniazdo bezpieczeństwa) z obszarem czujnika (średnica 9 mm) do izolowanej przenośnej skrzynki wejściowej ExG połączonej z głównym wzmacniaczem EMG. Zalecany jest podwójny światłowodowy do transmisji sygnału, ale nie jest to obowiązkowe.
2. Zarządzaj skryptem do indywidualnej oceny progu motoryki spoczynkowej (rMT), prezentacji bodźców wideo i stymulacji TMS zsynchronizowanej z rejestracją EMG przez oprogramowanie do prezentacji E-Prime działające na komputerze PC z monitorem (rozdzielczość 1 280 x 1 024 pikseli, częstotliwość odświeżania 75 Hz, luminancja tła 0,5 cd/m²) ustawionym na poziomie oczu.
3. Efekt animacji można uzyskać, zaznaczając serię pojedynczych klatek (30 ms każda, 30 kl./s) oraz pierwszą i ostatnią klatkę trwającą odpowiednio 500 i 1 000 ms.

3. Rekrutacja uczestników

1. Rekrutuj tylko praworęcznych uczestników z normalnym lub skorygowanym do normalnego widzenia. Sprawdź ręczność za pomocą kwestionariusza Standardowego Inwentarza Ręczności³¹.
2. Sprawdź, czy któryś z kandydatów nie ma przeciwwskazań do TMS^32,33.
   1. Należy wykluczyć osoby z wyższym niż normalne ryzykiem napadów padaczkowych (na podstawie osobistej/rodzinnej historii padaczki, neurochirurgii, uszkodzenia mózgu) lub otrzymujących leki neuroaktywne ze względu na fakt, że głównym znanym ryzykiem zdrowotnym TMS jest indukcja napadów.
   2. Należy wykluczyć kobiety w ciąży, ponieważ ryzyko TMS dla nienarodzonego płodu jest nieznane.
3. Przekaż podstawowe informacje o badaniu wszystkim uczestnikom i poproś ich o podpisanie pisemnych formularzy świadomej zgody.
4. Ewentualnie przeprowadzaj eksperymenty w wyciszonym pomieszczeniu Faradaya: jest to zalecane, ale nie obowiązkowe.
5. Niech uczestnik usiądzie w wygodnym fotelu.
6. Ułóż prawą rękę na pełnym podparciu.
7. Zamocuj głowę uczestnika na zagłówku. Odległość oczu od ekranu powinna być określona na podstawie wielkości prezentowanego bodźca.
8. Poproś uczestnika, aby usunął wszystkie metalowe przedmioty (kolczyki, naszyjniki itp.) oraz przedmioty wrażliwe na pola magnetyczne (telefony komórkowe, karty kredytowe), ponieważ szybka zmiana prądu w cewce jest w stanie wywołać zmianę pola magnetycznego.
9. Poinstruuj uczestników, aby uważnie obserwowali bodźce wzrokowe i utrzymywali odpowiedni poziom uwagi; wyjaśnij, że później będą pytani o treść.

4. Stymulacja TMS i nagrywanie MEP

1. Określ, gdzie powinny być umieszczone elektrody nad mięśniami ADM i FDI, badając palpacyjnie podczas maksymalnej dobrowolnej aktywacji mięśni. Oczyść skórę we wszystkich lokalizacjach elektrod (również w kierunku uziemienia). Nałóż ścierny żel do przygotowania skóry na całe miejsce za pomocą gazika. Delikatnie wetrzyj go w skórę i usuń nadmiar czystym gazikiem.
2. Umieść dwie elektrody powierzchniowe, z których każda zawiera niewielką ilość rozpuszczalnej w wodzie pasty przewodzącej EEG, na każdym mięśniu i przymocuj je do skóry za pomocą samoprzylepnych podkładek.
   1. Wykonaj montaż mięśni brzucha i ścięgien, umieszczając aktywne elektrody na brzuchach mięśniowych prawego ADM i FDI, a elektrody referencyjne nad ipsilateralnym stawem śródręczno-paliczkowym. Przymocuj pojedynczą elektrodę uziemiającą zawierającą pastę przewodzącą na lewym nadgarstku uczestnika.
   2. Podłącz elektrody do wspólnego wejścia skrzynki wejściowej ExG i sprawdź wartości impedancji. W przypadku, gdy znajdują się powyżej progu (>5 Ω), należy ponownie przygotować skórę.
3. Dostarcz jednoimpulsowy TMS do skóry głowy pokrywającej lewą pierwszorzędową korę ruchową (M1) odpowiadającą obszarowi dłoni za pomocą cewki ósemkowej o średnicy 70 mm podłączonej do stymulatora Magstim 200.
   Uwaga: Podstawowy stymulator TMS składa się ze źródła zasilania, elementu magazynującego energię i przełącznika dużej mocy, precyzyjnie sterowanego przez procesor, który przyjmuje dane sterujące od operatora sprzętu. Podstawowym mechanizmem działania stymulatora TMS jest wytworzenie zmieniającego się pola magnetycznego, które może indukować prąd w sąsiednim materiale przewodzącym (takim jak tkanka korowa). Stymulacja tkanek jest wywoływana przez indukowanie w tkance prądu o wystarczającej gęstości, który jest proporcjonalny do szybkości zmiany w czasie gęstości strumienia magnetycznego³⁴. W cewce o kształcie ósemki linie izopotencjału indukowanego pola elektrycznego tworzą owal, którego długa oś jest równoległa do kierunku przepływu prądu na złączu^{cewki 35}.
   1. Umieść cewkę pod kątem 45° w stosunku do szczeliny międzypółkulowej i ustaw ją prostopadle w stosunku do bruzdy środkowej: najniższy próg motoryczny osiąga się, gdy indukowany prąd elektryczny w mózgu płynie w przybliżeniu prostopadle do bruzdy środkowej^36,37.
   2. Trzymaj uchwyt skierowany na boki i doogonowo, aby indukować tylno-przedni prąd mózgowy przez zakręt przedśrodkowy³⁸. Przy niskich, ale ponadprogowych intensywnościach stymulacji, prąd indukowany przez TMS pobudza preferencyjnie aksony interneuronów, które rzutują bezpośrednio lub pośrednio na neurony korowo-rdzeniowe. Aktywowane są zarówno synapsy hamujące, jak i pobudzające, ale przy takiej intensywności stymulacji efektem netto jest pobudzający potencjał postsynaptyczny w neuronach korowo-rdzeniowych.
   3. Zlokalizuj optymalną pozycję skóry głowy (OSP) nad pars opercularis dolnego zakrętu czołowego. Bodźce o nieco ponadprogowej intensywności na OSP niezmiennie wytwarzają najwyższe poziomy aktywności MEP z przeciwległych mięśni ADM i BIZ.
   4. Użyj Międzynarodowego Systemu 10-20 (stymulowane miejsce odpowiadające lokalizacji C3), aby ustalić OSP do wywoływania potencjałów wywołanych silnikiem (MEP) w mięśniach dłoni, a następnie przesuwaj przecięcie cewki w krokach około 0,5 cm wokół obszaru docelowego i dostarczaj impulsy TMS o stałej intensywności.
   5. Po prawidłowym zidentyfikowaniu obszaru docelowego ustabilizuj cewkę za pomocą mechanicznego wspornika, aby utrzymać spójne pozycjonowanie.
4. Użyj systemu neuronawigacji, aby utrzymać stałe ułożenie cewki przez cały czas trwania eksperymentu i zapobiec wszelkim odchyleniom spowodowanym niewielkimi ruchami głowy uczestnika podczas zbierania danych.
   1. Zastosuj pasywne markery sferyczne zarówno na cewce, jak i na głowie uczestnika.
   2. Rejestruj pozycje znaczników za pomocą digitizera optycznego w celu odtworzenia ich na ekranie komputera.
   3. Wykryj wszelkie różnice w położeniu i orientacji cewki przestrzennej i przyjmij tolerancję 2-3 mm dla każdej ze współrzędnych kartezjańskich.
   4. Wykorzystaj trójwymiarowe informacje online dotyczące początkowego i rzeczywistego rozmieszczenia cewki, aby umożliwić dokładną zmianę położenia cewki TMS w czasie rzeczywistym podczas sesji eksperymentalnej, gdy zajdzie taka potrzeba.
5. Aby określić "indywidualny próg motoryczny spoczynku" (rMT) dla każdego uczestnika OSP, należy wykryć minimalną intensywność stymulacji niezbędną do wytworzenia wiarygodnych MEP (amplituda międzyszczytowa ≥50 μV) w rozluźnionym mięśniu w pięciu z dziesięciu kolejnych prób. Określ OSP i rMT dla mięśnia o wyższym progu, aby uniknąć utraty jakichkolwiek modulacji różnicowych obejmujących mniej pobudliwy mięsień.
6. Utrzymuj intensywność stymulacji na stałym poziomie (tj. 110% rMT) podczas całej sesji nagraniowej.
7. Użyj filtra pasmowoprzepustowego (20 Hz-1 kHz), aby nagrać surowe sygnały miograficzne. Po wzmocnieniu zdigitalizuj sygnały (częstotliwość próbkowania 5 kHz) i zapisz je w komputerze do analizy w trybie offline.
8. Nagraj 10 posłów do Parlamentu Europejskiego, podczas gdy uczestnik biernie obserwuje biały krzyżyk fiksacyjny na czarnym tle na ekranie komputera na początku sesji eksperymentalnej.
9. Nagranie kolejnych 10 posłów do PE na koniec sesji eksperymentalnej.
10. Zapisz dane EMG z prawych mięśni ADM i FDI po pulsie TMS w jednym z pięciu możliwych punktów czasowych (ryc. 1), czyli:
    1. Gdy ręka modelki po raz pierwszy zetknie się z łyżeczką do cukru lub termosem (T₁).
    2. Gdy model skończy wsypywać cukier/kawę do trzeciej filiżanki/kubka (T₂).
    3. Gdy modelka zaczyna odciągać rękę od trzeciej filiżanki/kubka (T₃).
    4. Gdy ręka modela zaczyna wracać do pozycji wyjściowej lub zaczyna poruszać się w kierunku czwartej filiżanki/kubka (odpowiednio warunki niespołeczne i społeczne) (T₄).
    5. Gdy ręka modela powróci do punktu początkowego lub gdy dotrze do czwartej filiżanki/kubka (odpowiednio warunki niespołeczne i społeczne) (T₅).
11. Wstaw 10-sekundowy odstęp czasu między filmami. Spraw, aby w ciągu pierwszych pięciu sekund przerwy na odpoczynek pojawił się komunikat przypominający uczestnikom, aby ich ręce odpoczywały cicho i były w pełni zrelaksowane. Gdy wiadomość zniknie, zaaranżuj krzyżyk fiksacji, który pojawi się na pozostałe pięć sekund.

5. Podsumowanie

1. Na koniec sesji przekaż uczestnikom szczegółowe informacje na temat projektu eksperymentu.

6. Analiza danych

1. Wykonaj analizę kinematyczną post-hoc.
   1. Ustaw układ odniesienia identyfikujący osie x i y jako kierunki poziomy i pionowy, a następnie przeanalizuj próbkę wideo klatka po klatce.
   2. Jako jednostkę odniesienia należy użyć znanej długości w polu widzenia kamery i w płaszczyźnie ruchu.
   3. Przypisz znacznik do nadgarstka modelu, aby zmierzyć kinematykę ramienia.
   4. Zdefiniuj pozycję wyjściową jako czas, w którym prawa ręka modela spoczywa w pozycji leżącej na stole. Śledź trajektorię nadgarstka w przestrzeni i czasie, wyodrębnij ścieżkę trajektorii i zidentyfikuj istotne zdarzenia kinematyczne charakteryzujące dwuetapowe działanie modelu.
2. Analizuj dane EMG.
   1. Podziel śledzenie EMG dla każdego mięśnia na różne segmenty (epoki) o tej samej długości w stosunku do markera referencyjnego (bodziec TMS). Ustaw okno czasowe na 100 ms przed dostarczeniem impulsów TMS i 200 ms po impulsach TMS. Umożliwi to sprawdzenie możliwej aktywności w tle.
   2. W każdym kanale EMG wybierz dokładny zakres przedziału czasowego (np. 10-40 ms), aby wyszukać piki we wszystkich segmentach.
   3. Zastosować algorytm, który uwzględnia dodatnie i ujemne piki w każdym segmencie i obliczyć maksymalną amplitudę krzywej EMG w μV od piku do piku.
   4. Wyeliminuj badania z aktywnością EMG w tle większą niż 100 μV, aby uniknąć zanieczyszczenia pomiarów MEP przez aktywność tła.
3. Oblicza się średnie amplitudy MEP między szczytami oddzielnie od mięśni ADM i FDI dla każdego stanu, z wyłączeniem tych, które odbiegają od średniej o więcej niż 2 odchylenia standardowe (wartości odstające).
4. Porównaj dwie serie amplitud MEP zarejestrowanych z każdego mięśnia u każdego uczestnika podczas prób fiksacji krzyżowej linii bazowej na początku i na końcu sesji eksperymentalnej, aby sprawdzić zmiany pobudliwości korowo-rdzeniowej związane z TMS jako takim. Średnia amplituda obu serii pozwala również na ustawienie indywidualnej wartości bazowej dla procedur normalizacji danych w każdym mięśniu z osobna³⁹.
5. Oblicz wartości współczynnika na podstawie indywidualnej wartości bazowej uczestnika (współczynnik MEP =_uzyskany MEP/_{poziom bazowy} MEP) ³⁹.

Results

Skuteczność techniki TMS/MEP w ocenie pobudliwości CS podczas obserwacji działania zależy od znalezienia optymalnej pozycji skóry głowy zarówno dla mięśni ADM, jak i FDI. Elektrody powierzchniowe w montażach brzucha i ścięgien powinny być stosowane i muszą być zgodne z regularnymi wzorcami stymulacji pojedynczym impulsem.

W tym badaniu, wyniki uzyskano na próbie trzydziestu uczestników (22 kobiety i 8 mężczyzn: wiek = 21±5 lat), wszyscy praworęczni według Standardowego Inwentarza Ręczności³¹ i z normalnym lub skorygowanym do normalnego widzenia. Żaden z nich nie miał przeciwwskazań do TMS^32,33 ani nie odczuwał dyskomfortu podczas eksperymentu. Przedstawione tutaj procedury eksperymentalne uzyskały aprobatę etyczną (Komisja Etyki Uniwersytetu w Padwie) zgodnie z zasadami Deklaracji Helsińskiej z 1964 r., a wszyscy uczestnicy wyrazili pisemną świadomą zgodę.

Zgodnie z naszą hipotezą, liczba posłów do Parlamentu Europejskiego, która stała się oczywista, gdy potrzeba działania uzupełniającego staje się oczywista, powinna być modulowana w zależności od obiektu umieszczonego na pierwszym planie. Kiedy czwarta filiżanka^{kawy wywołuje} tendencję do wykonywania PG, powinien być aktywowany tylko mięsień FDI. Ale kiedy ruch modelki w kierunku 4^{. kubka} wywołuje WHG, to zarówno mięśnie ADM, jak i FDI powinny być aktywowane. Ponieważ BIZ były rekrutowane zarówno do PG, jak i WHG, nie spodziewano się modulacji MEP pod względem zaobserwowanego rodzaju chwytu. Nagrania MEP z ręki obserwatora w momencie, gdy model po raz pierwszy chwyta termos, powinny ponadto wykazywać na przykład sprawność motoryczną zarówno w mięśniach ADM, jak i FDI, czyli mięśniach klasycznie zaangażowanych w WHG. Wręcz przeciwnie, obserwowanie modelki, gdy jej ręka przesuwa się w kierunku czwartej filiżanki kawy, powinno powodować tylko ułatwienie mięśni BIZ, ponieważ tylko ten mięsień (a nie ADM) jest zaangażowany w PG.

Obserwowanie dwuetapowej sekwencji działań domyślnie zawierającej żądanie komplementarnego ruchu spowodowało przejście od emulacji do responsywności w aktywności korowo-rdzeniowej obserwatora i wskazało, w przeprowadzonych próbach, dokładnie, kiedy nastąpiła zmiana (Rysunek 2).

Wariacja zwiastująca wzajemne działanie miała miejsce w ADM MEP obserwatora w momencie, gdy nadgarstek modela zaczął poruszać się w kierunku czwartego kubka (stan społeczny). Z drugiej strony, wariacja zwiastująca działanie emulacyjne miała miejsce w MEP obserwatora w momencie, gdy nadgarstek modela zaczął wracać do swojej pierwotnej pozycji (stan niespołeczny, patrz rysunek 3). Bezpośrednie inwestycje zagraniczne, zgodnie z oczekiwaniami, były aktywnie zaangażowane we wszystkie obserwowane ruchy i symulowane działania (zob. rys. 4 i 5). Z tych wyników wynikałoby więc, że ludzie mogą zakodować działanie jako społeczne lub niespołeczne, zanim jeszcze stanie się ono jawne. Można wywnioskować, że obserwatorzy są dostrojeni do informacji o ruchu z wyprzedzeniem dostarczanych przez subtelne wskazówki kinematyczne i że są w stanie wykorzystać je do przewidywania przyszłego kierunku działań. Podczas opisanych tu sesji eksperymentalnych uczestnicy wykazali, że są w stanie rozróżnić działania wywołane warunkami społecznymi i niespołecznymi, po prostu obserwując prawie niezauważalne sygnały kinematyczne. Podczas przeprowadzanych eksperymentów modulacja pobudliwości korowo-rdzeniowej była wiarygodną, pośrednią miarą zdolności do aktywacji odpowiednich programów motorycznych w kontekście interaktywnym.

Rysunek 1. W tym miejscu schematyzowana jest sekwencja zdarzeń mających miejsce podczas każdej próby. Ciągła ukośna linia reprezentuje całą prezentację wideoklipu. Linie poziome oznaczają punkty czasowe, w których zostały dostarczone pojedyncze impulsy TMS: w T₁ (gdy ręka modelki styka się z filiżanką/kubkiem), T₂ (gdy modelka kończy nalewać cukier/kawę), T₃ (gdy modelka zaczyna odsuwać rękę od trzeciej filiżanki/kubka), T₄ (gdy ręka modelki zaczyna wracać do swojej pierwotnej pozycji lub przesuwać się w kierunku czwartej filiżanki/kubka – rozważano początek sygnału do gestu komplementarnego), a T₅ (gdy ręka modela wyraźnie wraca do swojej pierwotnej pozycji lub porusza się w kierunku czwartej filiżanki/kubka – uważano za koniec sygnału dla gestu komplementarnego). Ramki niepokazane na rysunku (czas pomiędzy czynnością modelu polegającą na zetknięciu się z łyżeczką/termosem a czynnością nalewania cukru/kawy został zakończony) są reprezentowane przez podwójne ukośne paski.

Rysunek 2. Klatki wyodrębnione z klipów wideo nakręconych na potrzeby tego badania towarzyszą liniom wykresu, które reprezentują średnie znormalizowanych amplitud MEP ADM. Pokazano społeczne ruchy chwytu całej ręki wymagające PG i społeczne ruchy chwytu precyzyjnego wymagające WHG (odpowiednio czarne i białe). Słupki reprezentują błąd standardowy średnich.

Rysunek 3. Klatki wyodrębnione z klipów wideo nakręconych na potrzeby tego badania towarzyszą liniom wykresu, które reprezentują średnie znormalizowanych amplitud MEP ADM. Zilustrowano niespołeczne ruchy chwytu całej ręki wymagające PG i niespołeczne ruchy chwytu precyzyjnego wymagające WHG (odpowiednio czarne i białe). Słupki reprezentują błąd standardowy średnich.

Rysunek 4. Klatki wyodrębnione z klipów wideo nakręconych na potrzeby tego badania towarzyszą liniom wykresu, które reprezentują średnie znormalizowanych amplitud MEP BIZ. Pokazano społeczne ruchy chwytu całej ręki wymagające PG i społeczne ruchy chwytu precyzyjnego wymagające WHG (odpowiednio czarne i białe). Słupki reprezentują błąd standardowy średnich.

Rysunek 5. Klatki wyodrębnione z klipów wideo nakręconych na potrzeby tego badania towarzyszą liniom wykresu, które reprezentują średnie znormalizowanych amplitud MEP BIZ. Zilustrowano niespołeczne ruchy chwytu całej ręki wymagające PG i niespołeczne ruchy chwytu precyzyjnego wymagające WHG (odpowiednio czarne i białe). Słupki reprezentują błąd standardowy średnich.

Discussion

Najbardziej krytycznymi etapami pomiaru modulacji pobudliwości CS u ludzi podczas obserwacji działania są: 1) projektowanie/filmowanie klipów wideo, które wywołują tendencję do działania u obserwatora, przewidując zarówno reakcje emulacyjne, jak i uzupełniające; 2) wyznaczenie zdarzeń kinematycznych charakteryzujących poszczególne fazy działania modelu w celu odpowiedniego zablokowania czasowego stymulacji TMS; 3) określenie optymalnej pozycji skóry głowy dla każdego mięśnia ręki i utrzymanie spójnego pozycjonowania przez cały czas trwania eksperymentu; 4) prawidłowe rejestrowanie aktywności EMG ze stymulowanych mięśni.

Wcześniejsze badania z wykorzystaniem techniki TMS/MEP wykazały, że aktywacja korowo-rdzeniowa wynikająca z obserwacji działania nie zawsze ma tendencję naśladowczą, ale w zależności od czynników kontekstowych może również inicjować aktywację motoryczną do działań uzupełniających^29,30. Badania TMS z pojedynczym impulsem wykazały, że obserwacja dwuetapowej sekwencji działania, w której osadzone jest komplementarne żądanie, powoduje przejście od emulacji do responsywności w aktywności korowo-rdzeniowej uczestników. To badanie idzie o krok dalej, pokazując, kiedy dokładnie następuje zmiana i pokazuje, że ludzie są w stanie przewidzieć społeczną intencję działania, obserwując przedwczesne sygnały kinematyczne sygnalizujące potrzebę/prośbę o komplementarną reakcję. Informacja o ruchu z wyprzedzeniem jest w istocie wystarczająca, aby obserwator mógł wysnuć wnioski na temat intencji, która za nią stoi. Mechanizmy leżące u podstaw obserwacji działań wydają się więc plastyczne, szybkie i wrażliwe na złożone żądania osadzone w kontekstach społecznych. Przyszłe badania będą kontynuowane w celu przeanalizowania, czy przetwarzanie jest szeregowe czy równoległe. Badania neuroobrazowe wykorzystujące paradygmaty takie jak ten zastosowany tutaj będą w stanie jeszcze bardziej wyjaśnić ten proces, określając sieci korowe leżące u podstaw zdolności do przejścia od emulacji do wzajemności.

Wyniki te wskażą również drogę do przyszłych zastosowań technik TMS/EMG do badania pobudliwości CS i plastyczności układu motorycznego. Liczne badania wykazały już, że pomiary funkcji kory ruchowej TMS są bezpieczne, wiarygodne i potencjalnie przydatne w warunkach klinicznych^40.46. Porównania podłużne amplitudy MEP mogą w rzeczywistości zapewnić bezpośrednią ocenę efektów plastyczności kory ruchowej.

Ostatnie badania wykazały, że obserwacja działania ma pozytywny wpływ na rehabilitację deficytów motorycznych po udarze mózgu i może być korzystnie wykorzystana do reaktywacji obszarów motorycznych u osób potrzebujących rehabilitacji kontroli motorycznej⁴⁷. W związku z tym można by opracować komplementarną strategię terapii opartej na obserwacji działania, która wykorzystuje obserwację uzupełniających gestów do reaktywacji upośledzonych zdolności motorycznych. Jeśli, jak się wydaje, zachowania motoryczne są wynikiem działania zarówno czynników wewnętrznych, jak i zewnętrznych, obserwacja działania powinna zostać włączona do protokołów treningowych mających na celu rehabilitację tego typu pacjenta. Obserwacja codziennych czynności w połączeniu z praktyką fizyczną może utorować drogę do skuteczniejszej strategii rehabilitacji. Co więcej, do tej pory do oceny poprawy klinicznej stosowano jedynie miary pośrednie, takie jak skale funkcjonalne lub subiektywne; w przyszłości ocena TMS/EMG może być wykorzystana do pomiaru poprawy funkcjonalnej u tych pacjentów.

Podsumowując, badanie to określa, w jaki sposób i kiedy obserwowanie działań innej osoby powoduje ułatwienia motoryczne w odpowiednich mięśniach obserwatora i w jaki sposób pobudliwość korowo-rdzeniowa jest modulowana w kontekstach społecznych. Potwierdza również, że potencjały motoryczne wywoływane przez TMS są bezpiecznymi, wiarygodnymi wskaźnikami pobudliwości i modulacji CS podczas obserwacji działania.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Przezczaszkowy stymulator magnetyczny	Magstim
BrainAmp System MR do akwizycji EMG	Produkty dla mózgu
System optyczny Softaxic do neuronawigacji stereotaktycznej	E.M.S.