Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) har visat sig vara ett användbart verktyg för att undersöka rollen av artikulatoriska motoriska cortex i taluppfattning. I denna artikel beskrivs hur du spelar in motor evoked potential (MEP) från läppmusklerna och hur man störa motor läppen representation med hjälp av repetitiva TMS.
Transkraniell magnetisk stimulering (TMS) har visat sig vara ett användbart verktyg för att undersöka rollen av artikulatoriska motoriska cortex i taluppfattning. Forskare har använt en enstaka puls och repetitiv TMS stimulera läppen representation i motoriska cortex. Retbarhet av läppen motor representationen kan undersökas genom att tillämpa enstaka TMS pulser över detta kortikala område och inspelning TMS-inducerad motor framkallade potentialer (ledamöter) via elektroder fästa vid läppmusklerna (elektromyografi, EMG). Större Parlamentet återspeglar ökad kortikal retbarhet. Studier har visat att upphetsning ökar under lyssna på tal och under visning talrelaterade rörelser. TMS kan användas även för att störa läppen motor representation. En 15-minuters tåg av lågfrekvent under gränsvärdena repetitiv stimulering har visat sig dämpa motor retbarhet i ytterligare 15-20 min. Denna TMS-inducerad störning av motorläppen representation försämrar efterföljandeprestanda i krävande taluppfattningen uppgifter och modulerar hörsel-cortex svar på språkljud. Dessa resultat överensstämmer med förslaget att den motoriska cortexen bidrar till taluppfattning. Den här artikeln beskrivs hur du lokalisera läppen representation i motor cortex och hur man definierar lämpliga stimuleringsintensiteten för att utföra både enkel-puls och repetitiva TMS experiment.
Taluppfattning är en krävande färdighet som kräver kodning av komplexa och mycket varierande inkommande ljudsignaler. Även om det är okontroversiellt att hörselbarken spelar en avgörande roll för talhantering, att motorregionerna som styr rörelser articulators (t.ex. läppar) under tal produktionen bidrar också till taluppfattning är fortfarande ett ämne för aktiv utredning och vetenskaplig debatt 1 – 5. Tanken att motoriska representationer är involverade i taluppfattning är inte ny. Enligt Liberman motorteori taluppfattning 6,7 lyssnaren uppfattar tal genom att simulera de "avsedda artikulations gester" i högtalaren. TMS har visat sig vara ett kraftfullt verktyg för att undersöka den förmodade roll artikulatoriska motoriska cortex under taluppfattning (för en översikt, se punkt 8). Denna artikel fokuserar på stimulering av läppen motor representation med hjälp av en enstaka puls ochrepetitiva TMS tekniker.
Single-puls TMS har gett ett mycket effektivt sätt för att undersöka sambandet mellan motor cortex och talhantering 8-10. Enstaka TMS pulser tillämpas på den primära motoriska cortex (M1) framkalla motor framkallade potentialer (dvs. ledamöter) i den kontralaterala utvalda muskeln som kan spelas in med hjälp av elektromyografi (EMG). Ledamöterna som spelats in från handmusklerna (första rygg interosseus, FDI) topp ungefär 24 millisekunder efter pulsen, medan parlamentsledamöterna inspelade från läppmusklerna (orbicularis Oris, OO) topp ungefär 15 ms efter pulsen (se figur 1). Detta speglar skillnader i avstånd från motorn cortex till läpparna och handmuskler; den kortiko-bulbär vägen till läpparna är kortare än den kortiko-spinalvägen till händerna. Intensiteten i puls krävs för att framkalla en parlamentsledamot skiljer sig mycket mellan deltagarna, troligen avspeglar neuroanatomical skillnader och differenser i skallen tjocklek 11. Amplituden för MEP är beroende av funktionstillståndet hos motorsystemet, med pulser med en konstant intensitet inducera större parlamentsledamöter när målet muskeln kontrakte jämfört med när muskeln är avslappnad. MEP mätningar ger en korrekt sätt att lokalisera de kortikala representationer av olika muskler i varje deltagare samt normalisera TMS intensitet mellan individer. Metoden ger också ett direkt mått (dvs. MEP amplitud) av motor retbarhet i förhållande till en oberoende variabel av intresse. Till exempel har en enstaka puls TMS studier visat att stimulering av läpp-representationen inducerar större ledamöter (dvs. ökad upphetsning) när du lyssnar på tal och visning talrelaterade läpprörelser 10,12,13. En kombinerad PET och enstaka puls TMS studie visade att retbarhet av talet motorsystemet under auditiv taluppfattning moduleras delvis av aktiviteten iposterior lämnade underlägsna frontal gyrus 14.
Även enstaka puls TMS kan påvisa förändringar i retbarhet av motorsystemet under taluppfattning den inte ange om motor cortex bidrar till talhantering. Repetitiva TMS (registrerade varumärken) kan användas för att framkalla en tillfällig störning (dvs. "en virtuell lesion") i motor cortex 15. Denna "virtuella lesion" tillvägagångssätt möjliggör utredning av taluppfattning under kontrollerade, kortsiktiga störningar till ett fokus område av motorsystemet. De "virtuella skador" orsakade av TMS skilja från riktiga lesioner hos patienter som ofta täcker omfattande kortikala regioner leder till funktionell omorganisation av hjärnan över tiden. Patientstudier jämföra typiskt beteende av patienterna med en kontrollgrupp och sällan ge kunskap om resultat före stroke / skada. Genom att använda rTMS är det möjligt att undersöka en deltagares förmåga att utföra sPeech perceptions uppgifter med och utan motorstörningar och därför undersöka om dessa störningar bidrar till prestanda.
Under gränsvärdena lågfrekventa rTMS kan användas för att störa motorläppen representationen tillfälligt och den har använts för att undersöka den roll som artikulatoriska motoriska cortex i taluppfattning 16-18. I dessa försök var monofasiska pulssekvenser som används eftersom monofasiska lågfrekventa rTMS har visat sig vara mer effektiva för att minska kortikala retbarhet jämfört med bifasiskt rTMS 19. Storleken på ledamöter som spelats in från läpparna minskar efter en 15-minuters tåg av under gränsvärdena monofasiska TMS pulser som tillämpas på priser under 1 Hz, dvs motor retbarhet undertrycks 18. Detta rTMS-inducerade störningar försämrar också lyssnare möjlighet att kategoriskt uppfatta akustisk fortsättning på mellan två talljud som skilde sig i artikulationsställe (t.ex. "ba & #39; vs "da" och "pa" vs "ta '). Den försämrad prestanda efter störningar i läppen motor cortex tyder på att motorsystemet bidrar till taluppfattning. Rubbning av handen motor representation har ingen effekt på kategorisk uppfattningen av talljud. Dessa resultat överensstämmer med tidigare rön som visar att lågfrekventa rTMS tillämpas på premotoriska cortex försämrar prestanda i en fonetisk diskriminering uppgift när du använder stavelser som presenteras i buller jämfört med en kontroll färgseende uppgift matchas på svårigheter, aktivitetsstruktur och svar typ 20. Dessa studier visar att rTMS är ett mycket effektivt sätt att utforska de auditiv-motorkretsar som kan stödja både tal produktion och perception. Lågfrekventa rTMS kan också användas tillsammans med neuroradiologiska tekniker för att ytterligare utreda denna fråga (se diskussion).
Under de senaste två decennierna, har TMS blivit en allmänt använd metod inom kognitiv neurovetenskap, eftersom det kan ge information som kompletterar neuroimaging. Det har också gett tal forskare med nya verktyg för att undersöka om motor tal produktionssystemet skulle kunna vara inblandade i taluppfattning. Specifikt ger TMS ett viktigt medel för att testa experimentellt om de nervbanor som styr tal artikulation underlättas samtidigt som du lyssnar på tal och, om dessa kretsar bidrar till taluppfattning.
Den här artikeln beskrivs hur motorn läppen representationen kan stimuleras med hjälp av TMS, och hur både enkel-puls och repetitiva TMS tekniker har använts för att undersöka betydelsen av den motoriska cortex i taluppfattning. Studierna som redovisas här ger bevis för att den motoriska cortexen bidrar till talbehandling i den mänskliga hjärnan. Andra TMS-paradigmer har också använts för att undersöka spEECH bearbetning i det motoriska systemet. Dubbla TMS pulser som levereras över motor läpp-och tungStällningarna inför hörsel stavelser har visat sig underlätta erkännande av läpp-och tung ledade stavelser, respektive 22. En parade-spole paradigm kan användas för att undersöka effektiv anslutning mellan läppen representation och andra kortikala regioner under taluppfattning 23. Det visade sig att den effektiva anslutningar mellan motorläppen representation och temporo-parietal junction och underlägsna frontal cortex förstärks vid att lyssna på tal, men inte vid att lyssna på vitt brus. Kontinuerlig theta-burst stimulering (CTBS) över temporo-parietal junction avskaffade sin effektiva anslutningsmöjligheter med motorläpp representation, ger ytterligare belägg för att dessa kortikala områden är funktionellt kopplade vid att lyssna till tal 23. Fördelen med CTBS över lågfrekventa rTMS är att en relativt kort tåg av CTBS (<em> t.ex. 40 sek) kan ge en långvarig störning i motor cortex (upp till 60 min) 24. Men effekterna av CTBS på motor retbarhet är mycket varierande mellan deltagarna 25.
Kombinera TMS med andra neuroradiologiska tekniker som mäter hela hjärnaktivitet kan ge insikt i hur TMS påverkar neurala processer i både närliggande och mer distala kortikala regioner. Hjärnregioner tveklöst interagerar med varandra under perceptuella och kognitiva processer, och därför är det inte förvånande att en inducerad "virtuell lesion" i ett hjärnområde skulle modulera funktionen hos andra områden i hjärnan som bedriver samma process. För att förbättra förståelsen av den neurala grunden för taluppfattning, är det viktigt att undersöka hur artikulatoriska motoriska cortex interagerar med de auditiva regionerna i den överlägsna temporal cortex vid att lyssna på tal och hur dessa interaktioner bidrar till taluppfattning. Samarbetetmbination av TMS med hjärnavbildningstekniker ger en möjlighet att ta itu med dessa frågor. Till exempel är det möjligt att undersöka påverkan av TMS-inducerade störningar i artikulatoriskt systemet på bearbetning av talsignaler i superior temporal cortex användning av elektroencefalografi (EEG), magnetencefalografi (MEG), funktionell MRI och positronemissionstomografi (PET). Experiment som kombinerar lågfrekventa rTMS och EEG visar att TMS-inducerad störningar i artikulatoriska motoriska cortex modulerar automatisk diskriminering av tal, men inte icke-tal, ljud i hörselsystemet, som visar att dessa system samverkar under talbehandling 16. Kombination av rTMS med MEG är också en kraftfull metod för att undersöka tidpunkten för hörsel-motoriska interaktioner 17.
Ändå är länken mellan tal produktion och perception fortfarande dåligt kända. TMS i kombination med tal uppgifter och ytterligare neuroradiologiska tekniker kan hjälpaforskare för att förbättra förståelsen av de neurala grunderna för taluppfattningen och produktion och om de överlappar varandra.
The authors have nothing to disclose.
RM stöddes av Medical Research Council (karriärutveckling gemenskap). JR stöddes av Wellcome Trust (projektbidrag beviljas till KEW och RM). Vi vill tacka Jennifer Chesters för hennes hjälp att göra videon.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
TMS stimulator | Magstim Limited, Wales, U.K. | Magstim BiStim (two MagStim 200s connected) | |
2 TMS coils | Magstim Limited, Wales, U.K. | 70-mm figure-of-eight coil, D70 Alpha | |
Electrodes for recording EMG signal | Covidien llc, MA, USA. | Kendall Neonatal ECG electrodes, 22 mm x 30 mm | |
Electrode box (for EMG recording) | Cambridge Electronic Design Limited, U.K. | CED 1902-11/4 Electrode Adaptor | |
Data acquisition unit (for EMG) | Cambridge Electronic Design Limited, U.K. | Micro1401-3 | |
Amplifier (for EMG) | Cambridge Electronic Design Limited, U.K. | 1902 | |
Software for EMG recording and analyses | Cambridge Electronic Design Limited, U.K. | Spike2, version 7 |