Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Behavior
Click here for the English version

Behavior

Modulação de excitabilidade corticospinal durante a observação de ação

Published: December 31, 2013 doi: 10.3791/51001
Automatic Translation
1, 1, 1
1Dipartimento di Psicologia Generale, Universita degli Studi di Padova

Summary

A estimulação magnética transcraniana de pulso único sobre o córtex motor primário, a neuronavigação e o registro de atividade eletromiográfica dos músculos das mãos foram utilizadas neste estudo para explorar a excitabilidade corticospinal enquanto os participantes observavam sequências de ação.

Abstract

Este estudo utilizou a técnica de estimulação magnética transcraniana/potencial evocado motor (TMS/MEP) para identificar quando a tendência automática de espelhar a ação de outra pessoa se torna simulação antecipatória de um ato complementar. O TMS foi entregue ao córtex motor primário esquerdo correspondente à mão para induzir o mais alto nível de atividade do MEP a partir do abduzidor digiti minimi (ADM; o músculo que serve o abdução do dedo mindinho) bem como o primeiro interosseu dorsal (IDF; os músculos de flexão/extensão do dedo indicador do músculo. Um sistema de neuronavigação foi utilizado para manter a posição da bobina TMS, e a atividade eletromiográfica (EMG) foi registrada a partir dos músculos ADM e FDI direito. Produzindo dados originais no que diz respeito à ressonância motora, a técnica combinada TMS/MEP levou a pesquisa sobre o mecanismo de acoplamento percepção-ação um passo adiante. Especificamente, ele respondeu às perguntas de como e ao observar as ações de outra pessoa produz facilitação motora nos músculos correspondentes de um espectador e de que forma a excitabilidade corticospinal é modulada em contextos sociais.

Introduction

Nos últimos dez anos, a pesquisa em neurociência modificou em grande parte a visão tradicional do sistema motor. Uma quantidade considerável de dados sugere que observar os movimentos do corpo de outra pessoa ativa representações motoras no cérebro do espectador (por exemplo,1-3). Esses estudos mostraram que o córtex motor de um observador replica dinamicamente as ações sendo observadas como se estivessem sendo executadas pelo próprio espectador. A estimulação magnética transcraniana (TMS) é útil para avaliar a excitabilidade corticospinal (CS) com uma resolução temporal relativamente alta, a fim de rastrear mudanças de excitabilidade enquanto alguém observa outra pessoa realizando uma ação.

O princípio fundamental do funcionamento do TMS é que uma corrente elétrica primária em mudança em uma bobina de estimulação produz um campo magnético em mudança, o que, por sua vez, induz um fluxo secundário de corrente elétrica em condutores próximos, neste caso, tecido cortical, conforme prescrito pela lei4de Faraday. O cérebro é um condutor inhomogêgógeno composto por matéria branca, matéria cinzenta e fluido espinhal cerebral com condutividades 0,48, 0,7 e 1,79 S/m,respectivamente 5. A análise mostra que, para efeitos de estimulação magnética, o cérebro pode ser tratado como um condutor homogêneo5. A despolarização dos neurônios é produzida em virtude da corrente induzida. No centro do processo está a transferência de carga através da membrana nervosa proporcional para elevar seu potencial intracelular cerca de 30-40 mV. No ponto em que íons positivos são levados para uma célula nervosa, seu potencial intracelular aumentará, e se o aumento for suficiente, um potencial de ação resulta5. Priori e seus colegas6 foram os primeiros a mostrar que uma corrente fraca poderia modular a excitabilidade do córtex motor humano, medida pela amplitude do potencial criado pelo motor (MPE) da TMS. Grande parte do trabalho envolvendo estimulação magnética do córtex motor humano tem, de fato, focado nas respostas EMG nos músculos intrínsecos da mão7. Em 2004, Uozomi e seus colegas8 descobriram que a spTMS sobre a área 44 poderia facilmente interromper os movimentos das mãos orientadas para o alvo e produziu potencial de evocação motora dos músculos das mãos. A área humana 44 tem efeitos facilitadores e inibitórios sobre os movimentos tônicos e afásicos dos dedos9-10, e tem projeções corticospinais de condução rápida direta.

A primeira evidência de que a excitabilidade da CS é modulada não apenas durante os movimentos voluntários, mas também durante a observação da ação foi produzida por Fadiga e colegas em 19953. O TMS foi aplicado nas áreas manuais dos cortices motores primários (M1) e os MEPs foram registrados a partir de músculos da mão contralateral, enquanto um voluntário foi instruído a observar movimentos transitivos e intransitivos (os primeiros são direcionados ao objetivo, estes últimos não são). A amplitude dos meps registrados a partir dos músculos opponens pollicis (OP) e FDI foi aumentada durante a observação das ações de apreensão em relação à registrada em condições de controle. A questão surgiu assim: os músculos que são facilitados durante a observação de ação são os mesmos utilizados durante a execução da ação? As respostas emG nos músculos da mão registradas enquanto um objeto estava sendo apreendido e durante os movimentos de elevação do braço foram encontradas para replicar exatamente o padrão de MEPs provocado pelo TMS durante a observação da ação. Alguns grupos de pesquisa foram capazes de repetir esses mesmos experimentos e projetaram outros11-16.

Durante a observação da ação, o sistema motor do observador na prática "ressoa" com os movimentos observados e simula sob limiar essas ações de forma estritamente congruente. Como os músculos envolvidos no observador são os mesmos que estão sendo utilizados pela pessoa que realiza a ação, eles são temporalmente acoplado à dinâmica da ação observada. Em 2001, Gangitano e colegas demonstraram que o sistema de correspondência execução-observação está ligado à ação observada mesmo em termos de sua codificação temporal17. As amplitudes do MEP tornam-se maiores à medida que a abertura do dedo aumenta e menor durante a fase de fechamento. Clark et al. 18 se propustou a avaliar a especificidade da facilitação corticospinal (CS) enquanto os participantes observavam, eram convidados a imaginar, ou observavam ações que mais tarde teriam que realizar. Esses investigadores relataram que não parecia haver diferenças estatisticamente significativas nessas três condições.

Há pelo menos duas hipóteses que explicam a facilitação do MEP induzida pela observação da ação. De acordo com o primeiro, o aprimoramento da excitabilidade M1 é produzido através de conexões cortico-cortica excitatórias. Segundo o segundo, a TMS revela, através de voleios descendentes de CS, uma facilitação de motoneurons (MNs). As modulações nas amplitudes de MEP causadas por variações na excitabilidade de M1 ou MNs não podem ser distinguidas. Como Baldissera et al. 19 queriam investigar a excitabilidade da medula espinhal ligada à facilitação do MEP, decidiram medir a amplitude do reflexo de Hoffmann (evocado por estimular as fibras diferentes nos nervos periféricos) nos músculos do antebraço flexionador do dedo, enquanto os voluntários observavam ações manuais direcionadas ao objetivo. Eles relataram que, enquanto a modulação da excitabilidade cortical imitava de perto os movimentos observados como se estes estivessem sendo realizados pelo observador, a excitabilidade da medula espinhal parecia ser recíproca modulada. Esses investigadores consideraram o efeito uma expressão de um mecanismo que bloqueia a execução de ações observadas. A modulação dos potenciais motores evocados pelo TMS durante a observação de ação3,20,21 parece ser específica, então, para os músculos envolvidos na execução de uma ação3 e segue, de forma antecipatória22, o mesmo padrão de ativação temporal17,23. Nesse sentido, Urgesi e seus colegas24,25 recentemente descobriram que a observação das fases iniciais e médias das ações de apreensão gerou uma facilitação motora significativamente maior do que observar suas posturas finais. A facilitação do motor foi máxima para os instantâneos evocando ações contínuas, mas incompletas. Os resultados fornecem evidências convincentes de que o componente frontal do sistema de correspondência observação-execução desempenha um papel importante na codificação preditiva dos comportamentos motores dos outros.

É, no entanto, inegável que a interação bem sucedida no mundo real muitas vezes requer ações complementares e não emulativas26 e que a imitação nem sempre é uma resposta eficaz ou apropriada à observação da ação. Nos casos em que, por exemplo, alguém entrega a outra pessoa uma caneca sendo segurada por sua alça, todos sabemos que o receptor vai, sem pensar, pegar a caneca com um gesto de mão inteiro (o único que seria apropriado nesta situação). Pouco se sabe sobre como a tendência inflexível de combinar ações observadas em nosso sistema motor pode ser conciliada com o pedido de preparar respostas não idênticas. Nesse sentido, alguns pesquisadores mostraram que os efeitos automáticos do espelhamento podem ser abolidos após treinamento incompatível: as respostas espelhadas e contra-espelhos parecem seguir o mesmo curso de tempo27,28. Curiosamente, em contraste com estudos anteriores, os MEPs induzidos pelo SPTMS foram recentemente utilizados para avaliar a ativação corticospinal espontânea, enquanto os videoclipes evocando gestos complementares emulativos ou não identificáveis estavam sendo simplesmente observados29,30. Os resultados mostraram uma mudança natural de uma ação emulativa para uma ação relacionada ao contexto na atividade corticospinal. Um mecanismo de correspondência no início de uma sequência de ação se transformou em um complemento se um pedido de ação recíproca se tornasse evidente.

Capitalizando esses resultados, o presente estudo foi concebido para determinar especificamente, utilizando a técnica combinada TMS/MEP, em que estágio a mudança espontânea da emulação para a reciprocidade ocorre quando a observação da ação evoca uma resposta complementar. Os meps foram então registrados em cinco momentos diferentes da sequência dos músculos das mãos FDI e ADM. Nós imaginamos que os meps registrados no momento em que o observador inicialmente percebe uma garra inteira pode provocar a facilitação dos músculos ADM e FDI, porque esses músculos são geralmente recrutados para tal aderência. Por outro lado, quando o gesto observado provoca um gesto complementar não-identificável (ou seja, um PG) no observador, apenas os MEPs registrados do músculo FDI devem revelar um aumento acentuado na ativação. Isso porque o PG não implica o recrutamento do músculo ADM. Prevemos também que quando a ação observada não transmite qualquer significado social, simples efeitos de facilitação simétrica devem surgir durante toda a sequência de ação.

Protocol

1. Preparação dos Estímulos de Vídeo

  1. Comissione um modelo para executar quatro sequências de ação.
    1. Nas duas primeiras sequências de ação, sente o modelo em uma mesa voltada para a câmera. Coloque três canecas na mesa perto dela e uma quarta mais longe do outro lado da mesa em primeiro plano. Instrua o modelo a iniciar sua ação, alcançando e segurando uma colher de açúcar.
    2. Instrua a modelo a começar sua ação despejando açúcar nas três canecas. Quando ela terminar de derramar açúcar na terceira caneca, instrua a modelo a mover o pulso como se ela pretendesse derramar açúcar no 4º também.
    3. Instrua a modelo a começar sua ação despejando açúcar nas três canecas. Quando ela terminar de derramar açúcar na terceira caneca, que o modelo mova o pulso para trazê-lo de volta à sua posição original.
    4. Nas duas últimas sequências de ação, sente o modelo mais uma vez em uma mesa voltada para a câmera. Coloque três xícaras de café expresso sobre a mesa perto dela e uma quarta mais longe dela do outro lado da mesa em primeiro plano. Instrua o modelo a iniciar sua ação, alcançando e segurando uma garrafa térmica.
    5. Instrua o modelo a iniciar sua ação colocando café nas três xícaras de café expresso. Quando ela terminar de colocar café na terceira xícara, que a modelo mova o pulso como se ela pretendesse colocar café na quarta xícara também.
    6. Instrua o modelo a iniciar sua ação colocando café nas três xícaras de café expresso. Quando ela terminar de colocar café na terceira xícara, que o modelo mova o pulso para trazê-lo de volta à sua posição original.
  2. Instrua o modelo a pegar e segurar a colher de açúcar usando uma pegada de precisão (PG; ou seja, a oposição do polegar com o dedo indicador) e para pegar e segurar a garrafa térmica de forma natural usando uma garras de mão inteira (WHG; ou seja, a oposição do polegar com os outros dedos).
  3. No início de cada vídeo-clipe, instrua a modelo a mostrar que sua mão está em uma posição propensa apoiada sobre a mesa.
    1. Providencie para que o modelo inicie um movimento de alcance para agarrar aproximadamente 900 msec mais tarde.
    2. Providencie os dedos do modelo para fazer contato com o primeiro objeto aproximadamente 450 msec depois.
    3. Que a modelo comece a mover a mão para realizar a segunda etapa de ação 5.000 msec mais tarde.
  4. Use uma técnica de digitalização para realizar uma análise cinemática pós-hoc dos movimentos do modelo
    1. Marque cada movimento, quadro a quadro, atribuindo manualmente um marcador ao pulso do modelo.
    2. Acompanhe os movimentos do modelo. Apontou o Desvio de Trajetória: o momento em que a trajetória da mão começa a se diversificar para condições sociais e não sociais. Bloqueie os eventos cinemáticos mais marcantes caracterizando a sequência de ação com o tempo de estimulação TMS.

2. Preparação de instrumentos

  1. Conecte quatro ag/agcl bipolar sintered e um monopolar surface electrodes (15 kΩ, 1,5 mm touch-proof safety socket) com uma área de sensor (9 mm de diâmetro) a uma caixa de entrada ExG portátil isolada ligada ao amplificador PRINCIPAL EMG. Recomenda-se um cabo de fibra óptica duplo para transmissão de sinal, mas não obrigatório.
  2. Gerencie um script para avaliação de limiar de motor de repouso individual (rMT), apresentação de estímulos de vídeo e estimulação TMS sincronizada com registro EMG por software de apresentação E-Prime rodando em um PC com um monitor (resolução 1.280 x 1.024 pixels, frequência de atualização de 75 Hz, luminância de fundo de 0,5 cd/m2) definido no nível dos olhos.
  3. Obter um efeito de animação selecionando uma série de quadros únicos (30 msec cada, 30 fps) e o primeiro e último quadros com duração, respectivamente, 500 e 1.000 msec.

3. Recrutamento de Participantes

  1. Recrute apenas participantes destros com visão normal ou corrigida ao normal. Verifique se há entrega usando o questionário de Inventário de Handedness Padrão31.
  2. Verifique se algum dos candidatos tem contraindicações ao TMS32,33.
    1. Exclua indivíduos com risco de convulsão maior do que o normal (com base no histórico pessoal/familiar de epilepsia, neurocirurgia, lesão cerebral) ou recebendo medicação neuroativa, tendo em vista que o principal risco de saúde conhecido da TMS é a indução de convulsão.
    2. Excluir mulheres grávidas como os riscos de TMS para um feto não nascido são desconhecidos.
  3. Dê informações básicas sobre o estudo a todos os participantes e peça que assinem formulários de consentimento por escrito.
  4. Possivelmente realizar experimentos em uma sala faraday atenuada ao som: isso é recomendado, mas não obrigatório.
  5. Que o participante se sente em uma poltrona confortável.
  6. Posicione o braço direito em um suporte completo do braço.
  7. Conserte a cabeça do participante em um descanso na cabeça. A distância dos olhos da tela deve ser determinada com base no tamanho da apresentação de estímulo.
  8. Peça ao participante para remover todos os objetos metálicos (brincos, colares, etc.) e objetos sensíveis a campos magnéticos (telefones celulares, cartões de crédito) como a rápida taxa de mudança de corrente na bobina é capaz de induzir um campo magnético em mudança.
  9. Instrua os participantes a observar os estímulos visuais cuidadosamente e manter um bom nível de atenção; explicar que eles serão questionados mais tarde sobre o conteúdo.

4. Estimulação tms e registro de MEP

  1. Determine onde os eletrodos devem ser posicionados sobre os músculos ADM e FDI por palpação durante a ativação muscular voluntária máxima. Limpe a pele para todos os locais de eletrodos (também para o solo). Aplique um gel de preparação de pele abrasivo em todo o local usando uma almofada de gaze. Esfregue-o levemente na pele e remova qualquer excesso com uma almofada de gaze limpa.
  2. Coloque dois eletrodos de superfície, cada um contendo uma pequena quantidade de pasta condutora de EEG solúvel em água, sobre cada músculo e anexe-os à pele usando almofadas auto-adricantes.
    1. Realize uma montagem do tendão da barriga colocando os eletrodos ativos sobre as barrigas musculares do ADM direito e do FDI e os eletrodos de referência sobre a articulação metacarpalangeal ipsilateral. Conecte um único eletrodo de terra contendo pasta condutora no pulso esquerdo do participante.
    2. Conecte os eletrodos à entrada comum da caixa de entrada ExG e verifique os valores de impedância. Caso estejam acima do limiar (>5 Ω), preparem a pele novamente.
  3. Entregue TMS de pulso único ao couro cabeludo sobrepondo o córtex motor primário esquerdo (M1) correspondente à região da mão usando uma bobina de 70 mm de figura de oito conectada a um estimulador Magstim 200.
    Nota: Um estimulador TMS básico é composto por uma fonte de energia, um elemento de armazenamento de energia e um interruptor de alta potência precisamente controlado por um processador que aceita entrada de controle do operador do equipamento. O mecanismo operacional fundamental de um estimulador TMS é criar um campo magnético em mudança que possa induzir uma corrente em material condutor adjacente (como tecido cortical). A estimulação tecidual é provocada por induzir uma corrente de densidade suficiente no tecido, o que é proporcional à taxa de tempo de mudança da densidade do fluxo magnético34. Com uma bobina de oito figuras, as linhas isopotenciais do campo elétrico induzido formam um oval, cujo eixo longo é paralelo à direção do fluxo de corrente na junção da bobina35.
    1. Coloque a bobina em um ângulo de 45° em relação à fissura interhemisférica e posicione-a perpendicularmente em relação ao sulco central: o menor limiar motor é alcançado quando a corrente elétrica induzida no cérebro está fluindo aproximadamente perpendicular ao sulco central36,37.
    2. Tenha a alça apontando lateralmente e caudally para induzir uma corrente cerebral posterior-anterior através do giro pré-central38. Em intensidades de estimulação baixas, mas supra-limiar, a corrente induzida pelo TMS excita preferencialmente axônios de interneurônios que projetam direta ou indiretamente neurônios corticospinais. Tanto as sinapses inibitórias quanto as excitatórias são ativadas, mas em tais intensidades de estimulação o efeito líquido é o de um potencial pós-sináptico excitatório em neurônios corticospinais.
    3. Localize a posição ideal do couro cabeludo (OSP) sobre os pars opercularis do giro frontal inferior. Estímulos de uma intensidade ligeiramente supraterrester no OSP invariavelmente produzem os mais altos níveis de atividade do MEP a partir dos músculos ADM contralateral e FDI.
    4. Use um Sistema Internacional 10-20 (o local estimulado correspondente ao local C3) para estabelecer o OSP para captar potenciais criados por motores (MEPs) nos músculos da mão, em seguida, mover a intersecção da bobina em aproximadamente 0,5 cm passos ao redor da área alvo e fornecer pulsos TMS em intensidade constante.
    5. Após a correta identificação da área alvo, estabilize a bobina usando um suporte mecânico para manter um posicionamento consistente.
  4. Use um sistema de neuronavigação para manter o posicionamento constante da bobina durante todo o experimento e evitar qualquer viés devido a pequenos movimentos da cabeça do participante durante a coleta de dados.
    1. Aplique marcadores esféricos passivos tanto na bobina quanto na cabeça do participante.
    2. Registo de marcação usando um digitalizador óptico para reproduzi-los na tela do computador.
    3. Detecte qualquer diferença na localização e orientação da bobina espacial e adote uma tolerância de 2-3 mm para cada uma das coordenadas cartesianas.
    4. Utilize informações on-line tridimensionais no que diz respeito às colocações iniciais e reais da bobina para permitir o reposicionamento exato da bobina TMS em tempo real durante a sessão experimental, quando necessário.
  5. Para determinar o "limiar motor de repouso individual" (rMT) para cada participante na OSP, detecte a intensidade mínima de estimulação necessária para produzir meps confiáveis (≥ 50 μV de amplitude de pico ao pico) em um músculo relaxado em cinco dos dez ensaios consecutivos. Determine o OSP e o rMT para o músculo limiar mais alto para evitar a perda de quaisquer modulações diferenciais envolvendo o músculo menos excitável.
  6. Mantenha a intensidade de estimulação a um valor fixo (ou seja, 110% do rMT) durante toda a sessão de gravação.
  7. Use um filtro bandpass (20 Hz-1 kHz) para gravar os sinais miográficos brutos. Após a amplificação digitalize os sinais (taxa de amostragem de 5 kHz) e armazene no computador para análise off-line.
  8. Grave 10 MEPs enquanto o participante assiste passivamente a uma cruz de fixação de cor branca em um fundo preto na tela do computador no início da sessão experimental.
  9. Recorde mais 10 deputados no final da sessão experimental.
  10. Registo os dados EMG dos músculos ADM e FDI certos após o pulso TMS em um dos cinco pontos de tempo possíveis(Figura 1) e isto é:
    1. Quando a mão do modelo faz contato com a colher de açúcar ou com a garrafa térmica (T1).
    2. Quando o modelo termina de derramar açúcar/café na terceira xícara/caneca (T2).
    3. Quando a modelo começa a puxar a mão para longe do terceiro copo/caneca (T3).
    4. Quando o braço do modelo começa a voltar para a posição inicial ou começa a se mover em direção à quarta xícara/caneca (respectivamente, as condições não sociais e sociais) (T4).
    5. Quando o braço do modelo retorna ao ponto de partida ou quando atinge a quarta xícara/caneca (respectivamente, as condições não sociais e sociais) (T5).
  11. Insira um intervalo de descanso de 10 segundos entre os vídeos. Que uma mensagem apareça durante os primeiros cinco segundos do intervalo de descanso lembrando os participantes a manterem as mãos descansando tranquilamente e totalmente relaxadas. Uma vez que a mensagem desapareça, organize uma cruz de fixação para aparecer durante os cinco segundos restantes.

5. Interrogatório

  1. Fornecer aos participantes informações detalhadas sobre o design experimental no final da sessão.

6. Análise de dados

  1. Realize uma análise kinematical pós-hoc.
    1. Defina um quadro de referência identificando x-e-y-axes como direções horizontais e verticais e analise a amostra de vídeo quadro por quadro.
    2. Use um comprimento conhecido no campo de visão da câmera e no plano do movimento como a medição da unidade de referência.
    3. Atribua um marcador ao pulso do modelo para medir a cinemática do braço.
    4. Defina a posição inicial como o tempo em que a mão direita do modelo está descansando em uma posição propensa na tabela. Rastreie a trajetória do pulso no espaço e no tempo, extraia o caminho da trajetória e identifique os eventos cinemáticos salientes caracterizando a ação de dois passos do modelo.
  2. Analise os dados do EMG.
    1. Segmente o traçado EMG para cada músculo em diferentes segmentos (épocas) do mesmo comprimento em relação a um marcador de referência (estímulo TMS). Defina a janela de tempo em 100 msec antes que os pulsos TMS sejam entregues e 200 msec após pulsos TMS. Isso permitirá que você verifique se há possíveis atividades de antecedentes.
    2. Em cada canal do EMG selecione uma faixa precisa de um período de tempo (por exemplo, 10-40 msec) para procurar picos em todos os segmentos.
    3. Aplique um algoritmo que leve em conta os picos positivos e negativos dentro de cada segmento e calcule a amplitude máxima da curva EMG em μV de pico a pico.
    4. Elimine ensaios com atividade EMG de fundo superior a 100 μV para evitar contaminar medições de MEP por atividade de fundo.
  3. Calcule as amplitudes médias de pico ao pico de MEP separadamente dos músculos ADM e FDI para cada condição, excluindo aqueles que desviam mais de 2 desvios padrão da média (outliers).
  4. Compare as duas séries de amplitudes de MEP registradas de cada músculo em cada participante durante os ensaios de fixação da linha de base cruzada no início e no final da sessão experimental para verificar as variações de excitabilidade corticospinal relacionadas ao TMS em si. A amplitude média das duas séries também permite definir o valor da linha de base individual para procedimentos de normalização de dados em cada músculo separadamente39.
  5. Valores de razão computacional utilizando o valor de linha de base individual do participante (razão MEP = MEPobtido/MEP baseline) 39.

Representative Results

A eficácia da técnica TMS/MEP na avaliação da excitabilidade da CS durante a observação da ação depende da localização da posição ideal do couro cabeludo para os músculos ADM e FDI. Eletrodos de superfície em montagens do tendão da barriga devem ser aplicados e devem estar em conformidade com padrões regulares de estimulação de pulso único.

Neste estudo, os resultados foram obtidos em uma amostra de trinta participantes (22 mulheres e 8 homens: idade = 21±5 anos), todos destros de acordo com um Inventário de FlagrantesPadrão 31 e com visão normal ou corrigida ao normal. Nenhum deles teve qualquer contraindicação ao TMS32,33 nem experimentou desconforto durante o experimento. Os procedimentos experimentais aqui descritos foram concedidos aprovação ética (Comitê de Ética da Universidade de Padova) de acordo com os princípios da Declaração de Helsinque de 1964 e todos os participantes deram consentimento por escrito informado.

De acordo com nossa hipótese, os deputados registrados quando a necessidade de uma ação complementar se torna aparente devem ser modulados dependendo do objeto colocado em primeiro plano. Quando a4ª xícara de café evoca uma tendência para realizar um PG, apenas o músculo FDI deve ser ativado. Mas quando a ação do modelo em relação à4ª caneca evoca um WHG, então os músculos ADM e FDI devem ser encontrados ativados. Como o IED foi recrutado tanto para o PG quanto para o WHG, não era esperada modulação de MEP em termos do tipo de compreensão observada. Os MEPs que estão sendo registrados da mão do observador no momento em que o modelo inicialmente apreende a garrafa térmica devem, além disso, mostrar, por exemplo, a facilitação motora nos músculos ADM e FDI, que são os músculos classicamente envolvidos em um WHG. Pelo contrário, observar o modelo enquanto sua mão se move em direção à quarta xícara de café deve produzir apenas a facilitação muscular do FDI, pois apenas esse músculo (e não o ADM) está envolvido em um PG.

Observar uma sequência de ação em duas etapas contendo implicitamente um pedido de movimento complementar causou a mudança da emulação para a responsividade na atividade corticospinal do espectador e indicou, nos ensaios realizados, exatamente quando ocorreu a mudança(Figura 2).

Uma variação anunciando uma ação recíproca ocorreu nos deputados da ADM do observador no momento em que o pulso do modelo começou a se mover em direção à quarta caneca (a condição social). Inversamente, uma variação anunciando uma ação emulativa ocorreu nos MEPs do observador no momento em que o pulso do modelo começou a retornar à sua posição original (a condição não social, ver Figura 3). O FDI, como esperado, esteve ativamente envolvido em todos os movimentos observados e ações simuladas (ver Figuras 4 e 5). Parece, então, a partir desses resultados que os seres humanos podem codificar uma ação como social ou não social mesmo antes de se tornar explícita. Pode-se concluir que os observadores estão sintonizados com informações de movimento avançadas fornecidas por pistas cinemáticas sutis e que são capazes de usá-la para antecipar um curso de ação futuro. Durante as sessões experimentais aqui descritas, os participantes mostraram que eram capazes de discriminar entre ações motivadas por condições sociais ou não sociais simplesmente observando pistas cinemáticas quase imperceptíveis. Durante os experimentos realizados, a modulação da excitabilidade corticospinal foi uma medida confiável e indireta da capacidade de ativar programas motores apropriados em um contexto interativo.

Figure 1
Figura 1. Aqui a sequência de eventos que ocorrem durante cada ensaio é esquematizada. A linha oblíqua contínua representa toda a apresentação do videoclipe. As linhas horizontais denotam os pontos de tempo quando os pulsos TMS únicos foram entregues: em T1 (quando a mão do modelo faz contato com o copo/caneca), T2 (quando o modelo termina de derramar açúcar/café), T3 (quando o modelo começa a mover a mão para longe da terceira xícara/caneca), T4 (quando o a mão do modelo começa a voltar à sua posição original ou a se mover em direção ao quarto copo/caneca – considerado o início de uma sugestão para um gesto complementar), e T5 (quando o braço do modelo está claramente retornando à sua posição original ou movendo-se para a quarta xícara/caneca – considerado o fim da deixa para um gesto complementar). Os quadros não mostrados na figura (o tempo entre a ação do modelo de fazer contato com a colher de açúcar/termo e a ação de derramar açúcar/café foi concluído) são representados por barras oblíquas duplas.

Figure 2
Figura 2. Os quadros extraídos dos videoclipes filmados para este estudo acompanham as linhas do gráfico que representam os meios das amplitudes mep normalizadas da ADM. Movimentos sociais de compreensão integral que requerem um PG e movimentos de precisão social que requerem um WHG são ilustrados (preto e branco, respectivamente). As barras representam o erro padrão de meios.

Figure 3
Figura 3. Os quadros extraídos dos videoclipes filmados para este estudo acompanham as linhas do gráfico que representam os meios das amplitudes mep normalizadas da ADM. Movimentos de compreensão integral não sociais que requerem um PG e movimentos de precisão não-sociais que requerem um WHG são ilustrados (preto e branco, respectivamente). As barras representam o erro padrão de meios.

Figure 4
Figura 4. Os quadros extraídos dos videoclipes filmados para este estudo acompanham as linhas do gráfico que representam os meios das amplitudes do MEP normalizados do FDI. Movimentos sociais de compreensão integral que requerem um PG e movimentos de precisão social que requerem um WHG são ilustrados (preto e branco, respectivamente). As barras representam o erro padrão de meios.

Figure 5
Figura 5. Os quadros extraídos dos videoclipes filmados para este estudo acompanham as linhas do gráfico que representam os meios das amplitudes do MEP normalizados do FDI. Movimentos de compreensão integral não sociais que requerem um PG e movimentos de precisão não-sociais que requerem um WHG são ilustrados (preto e branco, respectivamente). As barras representam o erro padrão de meios.

Discussion

Os passos mais críticos na medição da modulação em excitabilidade de CS em humanos durante a observação de ação são: 1) projetar/filmar clipes de vídeo que induzem uma tendência de ação em um observador antecipando respostas emulativas e complementares; 2) determinar os eventos cinemáticos caracterizando as diversas fases das ações do modelo para estimulação de TMS de bloqueio de tempo em conformidade; 3) identificar a posição ideal do couro cabeludo para cada músculo da mão e manter um posicionamento consistente durante todo o experimento; 4) registrar corretamente a atividade EMG dos músculos estimulados.

Estudos anteriores utilizando a técnica TMS/MEP mostraram que a ativação corticospinal resultante da observação de ação não possui invariavelmente viés imitativo, mas, dependendo de fatores contextuais, também pode ser acionada para ações complementares29,30. Estudos de TMS de pulso único demonstraram que observar uma sequência de ação em duas etapas em que uma solicitação complementar é incorporada solicita uma mudança da emulação para a responsividade na atividade corticospinal dos participantes. Este estudo vai além ao mostrar quando exatamente a mudança ocorre e demonstra que os seres humanos são capazes de antecipar a intenção social de uma ação observando pistas cinemáticas precoces sinalizando a necessidade/solicitação de uma resposta complementar. Informações de movimento avançado são, de fato, suficientes para um observador fazer inferências sobre a intenção por trás dela. Os mecanismos subjacentes à observação da ação parecem então ser maleáveis, imediatos e sensíveis a pedidos complexos incorporados em contextos sociais. Pesquisas futuras continuarão a analisar se o processamento é serial ou paralelo. Estudos de neuroimagem que empregam paradigmas como o utilizado aqui poderão esclarecer ainda mais esse processo, delineando as redes corticais subjacentes à capacidade de passar da emulação para a reciprocidade.

Esses resultados também apontarão o caminho para futuras aplicações de técnicas TMS/EMG para estudar a excitabilidade do CS e a plasticidade do sistema motor. Inúmeros estudos já mostraram que as medidas de TMS da função do córtex motor são seguras, confiáveis e potencialmente úteis no cenário clínico40.46. Comparações longitudinais de amplitude do MEP poderiam, de fato, fornecer uma avaliação direta dos efeitos de plasticidade cortical motora.

Estudos recentes têm relatado que a observação da ação tem um efeito positivo na reabilitação pós-acidente vascular cerebral de déficits motores e pode ser benéficamente utilizada para reativar áreas motoras em indivíduos que precisam reabilitar o controle motor47. Uma estratégia de terapia de observação de ação complementar poderia, assim, ser desenvolvida, que faz uso da observação de gestos complementares para reativar habilidades motoras prejudicadas. Se, ao que parece, o comportamento motor é resultado de fatores internos e externos, a observação da ação deve ser incluída em protocolos de treinamento com o objetivo de reabilitar esse tipo de paciente. A observação das ações cotidianas, juntamente com a prática física, poderia abrir caminho para uma estratégia de reabilitação mais eficaz. Até agora, além disso, apenas medidas indiretas, como escalas funcionais ou subjetivas, têm sido utilizadas para avaliar a melhora clínica; no futuro, a avaliação TMS/EMG pode ser utilizada para medir a melhoria funcional desses pacientes.

Concluindo, este estudo delineia como e ao observar as ações de outra pessoa produz facilitação motora nos músculos correspondentes de um espectador e de que forma a excitabilidade corticospinal é modulada em contextos sociais. Também confirma que os potenciais motores evocados pela TMS são indicadores seguros e confiáveis de excitabilidade e modulação de CS durante a observação da ação.

Disclosures

Não há nada para revelar.

Acknowledgments

Luisa Sartori foi apoiada por uma bolsa da Università degli Studi di Padova, Bando Giovani Studiosi 2011, L. n.240/2010.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Transcranial Magnetic Stimulator Magstim
BrainAmp MR system for EMG acquisition Brain Products
Softaxic Optic system for stereotaxic neuronavigation E.M.S.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Aglioti, S. M., Cesari, P., Romani, M., Urgesi, C. Action anticipation and motor resonance in elite basketball players. Nat. Neurosci. 11, 1109-1116 (2008).
  2. Avenanti, A., Bolognini, N., Malavita, A., Aglioti, S. M. Somatic and motor components of action simulation. Curr. Bio. 17, 2129-211235 (2007).
  3. Fadiga, L., Fogassi, L., Pavesi, G., Rizzolatti, G. Motor facilitation during action observation: a magnetic stimulation study. J. Neurophysiol. 73, 2608-2611 (1995).
  4. Epstein, C. M. Electromagnetism. Oxford Handbook of Transcranial Stimulation. ed Wasserman. Wasserman, E., Epstein, C., Ziemann, U., Walsh, V., Paus, T., Lisanby, S. , University Press. (2008).
  5. Davey, K. Magnetic field stimulation: the brain as a conductor. In: Oxford Handbook of Transcranial Stimulation. , Oxford University Press. ed (2008).
  6. Priori, A., Berardelli, A., Rona, S., Accornero, N. &, Manfredi , M. anfredi Polarization of the human motor cortex through the scalp. Neuroreport. 15, 2257-2260 (1998).
  7. Lemon, R. N., Johansson, R. S., Westling, G. Corticospinal control during reach, grasp, and precision lift in man. J. Neurosci. 15, 6145-6156 (1995).
  8. Uozumi, T., Tamagawa, A., Hashimoto, T., Tsuji, S. Motor hand representation in cortical area 44. Neurology. 62, 757-761 (2004).
  9. Kraskov, A., Dancause, N., Quallo MM,, Shepherd, S., RN, L. emon Corticospinal neurons in macaque ventral premotor cortex with mirror properties: a potential mechanism for action suppression. Neuron. 64, 922-930 (2009).
  10. Dum, R. P., Strick, P. L. The origin of corticospinal projections from the premotor areas in the frontal lobe. J. Neurosci. 11, 667-689 (1991).
  11. Leonard, G., Tremblay, F. Corticomotor facilitation associated with observation, imagery and imitation of hand actions: a comparative study in young and old adults. Exp. Brain Res. 177, 167-175 (2007).
  12. Tremblay, F., Leonard, G., Tremblay, L. Corticomotor facilitation associated with observation and imagery of hand actions is impaired in Parkinson's disease. Exp. Brain Res. 185, 249-257 (2008).
  13. Liepert, J. Neveling N. Motor excitability during imagination and Observation of foot dorsiflexions. J. Neural Transm. 116, 1613-161609 (2009).
  14. Kujirai, T., Caramia MD,, Rothwell JC,, Day BL,, Thompson PD,, Ferbert, A., et al. Corticocortical inhibition in human motor cortex. J. Physiol. 471, 501-519 (1993).
  15. Feurra, M., Bianco, G., Polizzotto NR,, Innocenti, I., Rossi, A., Rossi, S. Cortico-Cortical Connectivity between Right Parietal and Bilateral Primary Motor Cortices during Imagined and Observed Actions: A Combined TMS/tDCS Study. Front Neural Circuits. 5, 10 (2011).
  16. Cattaneo, L., Caruana, F., Jezzini, A., Rizzolatti, G. Representation of goal and movements without overt motor behavior in the human motor cortex: a Transcranial magnetic stimulation study. J. Neurosci. 29, 11134-11138 (2009).
  17. Gangitano, M., Mottaghy, F. M., Pascual-Leone, A. Phase-specific modulation of cortical motor output during movement observation. NeuroReport. 12, 1489-1492 (2001).
  18. Clark, S., Tremblay, F., Ste-Marie, D. Differential modulation of corticospinal excitability during observation, mental imagery and imitation of hand actions. Neuropsychologia. 42 (1), 105-112 (2004).
  19. Baldissera, F., Cavallari, P., Craighero, L., Fadiga, L. Modulation of spinal excitability during observation of hand actions in humans. Eur. J. Neurosci. 13, 190-194 (2001).
  20. Maeda, F., Chang, V. Y., Mazziotta, J., Iacoboni, M. Experience-dependent modulation of motor corticospinal excitability during action observation. Exp. Brain. Res. 140, 241-244 (2001).
  21. Paus Strafella, A. P., Paus, T. Modulation of cortical excitability during action observation: a transcranial magnetic stimulation study. NeuroReport. 11, 2289-2292 (2000).
  22. Borroni, P., Montagna, M., Cerri, G., Baldissera, F. Cyclic time course of motor excitability modulation during observation of hand actions in humans. Eur. J. Neurosci. 13, 190-194 (2005).
  23. Montagna, M., Cerri, G., Borroni, P., Baldissera, F. Excitability changes in human corticospinal projections to muscles moving hand and fingers while viewing a reaching and grasping action. Eur. J. Neurosci. 22, 1513-1520 (2005).
  24. Urgesi, C., Maieron, M., Avenanti, A., Tidoni, E., Fabbro, F., Aglioti, S. M. Simulating the future of actions in the human corticospinal system. Cereb. Cortex. 20, 2511-2521 (2010).
  25. Urgesi, C., Moro, V., Candidi, M. Aglioti SM. Mapping implied body actions in the human motor system. J. Neurosci. 26, 7942-7949 (2006).
  26. Sebanz, N., Bekkering, H., Knoblich, G. Joint action: Bodies and minds moving together. Trends Cogn. Sci. 10, 70-76 (2006).
  27. Cavallo, A., Heyes, C., Becchio, C., Bird, G., Catmur, C. Timecourse of mirror and counter-mirror effects measured with transcranial magnetic stimulation. SocCogn Affect Neurosci. , (2013).
  28. Cattaneo, L., Barchiesi, G. Transcranial Magnetic Mapping of the Short-Latency Modulations of Corticospinal Activity from the Ipsilateral Hemisphere during Rest. Front Neural Circuits. 5, 14 (2011).
  29. Sartori, L., Cavallo, A., Bucchioni, G., Castiello, U. Corticospinal excitability is specifically modulated by the social dimension of observed actions. Exp. Brain. Res. 211 (3-4), 3-4 (2011).
  30. Sartori, L., Cavallo, A., Bucchioni, G., Castiello, U. From simulation to reciprocity: The case of complementary actions. Soc. Neurosci. 7 (2), 146-158 (2011).
  31. Briggs, G. G., Nebes, R. D. Patterns of hand preference in a student population. Cortex. 11, 230-238 (1975).
  32. Wassermann, E. M. Risk and safety of repetitive transcranial magnetic stimulation: report and suggested guidelines from the International Workshop on the Safety of Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation. Electroen. Clin. Neur. 108, 1-16 (1996).
  33. Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. Safety, ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice. Clin. Neurophysiol. 120, 2008-2039 (2009).
  34. Riehl, M. TMS stimulator design. Oxford Handbook of Transcranial Stimulation.. Riehl, M., Wasserman, E., Ziemann, U., Walsh, V., Paus, T., Lisanby, S. , Oxford University Press. (2008).
  35. Epstein, C. M. TMS stimulation coils. InOxford Handbook of Transcranial Stimulation.. Wasserman, E., Epstein, C., Ziemann, U., Walsh, V., Paus, T., Lisanby, S. , Oxford University Press. (2008).
  36. Brasil-Neto, J. P., Cohen, L. G., Panizza, M., Nilsson, J., Roth, B. J., Hallett, M. Optimal focal transcranial magnetic activation of the human motor cortex: effects of coil orientation, shape of the induced current pulse, and stimulus intensity. J. Clin. Neurophysiol. 9, 132-136 (1992).
  37. Mills, K. R., Boniface, S. J., Schubert, M. Magnetic brain stimulation with a double coil: the importance of coil orientation. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 85, 17-21 (1992).
  38. Sommer, M., Paulus, W. TMS waveform and current direction.. Oxford Handbook of Transcranial Stimulation. Wasserman, E., Epstein, C., Ziemann, U., Walsh, V., Paus, T., Lisanby, S. (2008), Oxford University Press. (2008).
  39. Lepage, J. F., Tremblay, S., Théoret, H. Early non-specific modulation of corticospinal excitability during action observation. Eur. J. Neurosci. 31, 931-937 (2010).
  40. Carroll, T. J., Riek, S., Carson, R. G. Reliability of the input-output properties of the cortico-spinal pathway obtained from transcranial magnetic and electrical stimulation. J. Neurosci. Meth. 112, 193-202 (2001).
  41. Malcolm, M. P., Triggs, W. J., Light, K. E., Shechtman, O., Khandekar, G., Gonzalez Rothi, L. J. Reliability of motor cortex transcranial magnetic stimulation in four muscle representations. Clin. Neurophysiol. 117, 1037-1046 (2006).
  42. McMillan, A. S., Watson, C., Walshaw, D. Transcranial magnetic-stimulation mapping of the cortical topography of the human masseter muscle. Arch. Oral Biol. 43, 925-931 (1998).
  43. Miranda, P. C., de Carvalho, M., Conceiço, I., Luis, M. L., Ducla-Soares, E. A new method for reproducible coil positioning in transcranial magnetic stimulation mapping. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 105 (2), 116-123 (1997).
  44. Mortifee, P., Stewart, H., Schulzer, M., Eisen, A. Reliability of transcranial magnetic stimulation for mapping the human motor cortex. Electroencephalogr. Clin. Neurophysiol. 93, 131-137 (1994).
  45. Uy, J., Ridding, M. C., Miles, T. S. Stability of maps of human motor cortex made with transcranial magnetic stimulation. Brain Topogr. 14, 293-297 (2002).
  46. Wolf, M. E., Sun, X., Mangiavacchi, S., Chao, S. Z. Psychomotor stimulants and neuronal plasticity. Neuropharmacology. 47 (1), 61-79 (2004).
  47. Ertelt, D., et al. Action observation has a positive impact on rehabilitation of motor deficits after stroke. Neuroimage. 36, 164-173 (2007).

Tags

Comportamento Questão 82 observação de ação estimulação magnética transcraniana potenciales evocados motores excitabilidade corticospinal
Modulação de excitabilidade corticospinal durante a observação de ação
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Sartori, L., Betti, S., Castiello,… More

Sartori, L., Betti, S., Castiello, U. Corticospinal Excitability Modulation During Action Observation. J. Vis. Exp. (82), e51001, doi:10.3791/51001 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter