Eylem Gözlemi Sırasında Motor Uyarılabilirliği Ölçmek için TMS'yi Kullanma
Kaynak: Jonas T. Kaplan ve Sarah I. Gimbel'in Laboratuvarları—Güney Kaliforniya Üniversitesi
Transkraniyal Manyetik Stimülasyon (TMS), kafa derisine y…
1. 20 katılımcıyı işe alın.
- Katılımcılar sağ elini kullanmalı ve nörolojik veya psikolojik bozukluk öyküsü olmamalıdır.
- Katılımcılar, görsel uyaranları düzgün bir şekilde görebilmelerini sağlamak için normal veya düzeltilmiş normal görüşe sahip olmalıdır.
2. Deney öncesi prosedürler
- Katılımcıdan yazılı izin alın ve deneye nelerin dahil olduğunu açıklayın.
- Katılımcının, TMS nabızları beynine iletilirken bir dizi kısa video izleyeceğini açıklayın. Denek, TMS bobininden kafasına hafif bir dokunuş yaşayabilir, ancak katılımla ilgili büyük bir rahatsızlık olmamalıdır.
3. Konuyu TMS için hazırlayın.
- Nesneyi bilgisayar ekranının önünde rahat bir sandalyeye oturtun. Dirsekleri 90º açıyla bükülmeli ve el rahatça yüzüstü yatmalıdır.
- Başın hareketini sabitlemek için bir çene dayama yeri kullanın ve öznenin gözlerinin bilgisayar ekranından yaklaşık 50 cm uzakta olduğundan emin olun.
- Alkol ile temizleyerek el derisini EMG elektrodu yerleştirilmesi için hazırlayın.
- Sağ elin birinci dorsal interosseöz (FDI) kasına iki EMG elektrodu yerleştirin.
- Katılımcıdan FDI kaslarını esnetmesini ve ilk elektrodu bu konuma yerleştirmesini isteyerek kas gerginliğinin zirve yerini bulun.
- Elin yakındaki kemiğine ikinci bir referans elektrodu yerleştirin.
- EMG elektrotlarını, sinyali sayısallaştıran, yükselten, filtreleyen ve görüntüleyen bir bilgisayara bağlayın.
4. TMS'yi yerelleştirin ve kalibre edin.
- Katılımcılara ellerini gevşetmelerini söyleyin, böylece kas gerginliği olmaz.
- Birincil motor korteksini bulmak için bir şekil-8 TMS bobini kullanın.
- Bobini kafa derisinin ön kısmındaki başın kontralateral (sol) yüzeyine yerleştirin.
- FDI kasında seğirmeler görünene ve kaydedilen MEP'ler kararlı ve güvenilir olana kadar bobinin konumunu sistematik olarak hareket ettirerek bir dizi bireysel TMS darbesi verin. Sıcak noktanın bulunmasına yardımcı olmak için bu aşamada stimülasyon yoğunluğu gerektiği gibi ayarlanabilir.
- Deneğin motor eşiğini belirleyin.
- 10 stimülasyondan 5'inde 50 μV'den daha büyük bir MEP üreten minimum stimülatör çıkış gücünü bulun. Bu değeri kaydedin.
- Dinlenme MEP genliğini ölçün.
- Temel MEP genliğini ölçmek için herhangi bir uyaranın yokluğunda, her biri 15 s ile ayrılmış bir dizi 10 TMS darbesi verin.
5. Deneysel görev
- Her seferinde bir tane olmak üzere bir dizi 5 sn video uyaranı oynatın.
- Üç tür video vardır: el hareketi gözlemi, kol hareketi gözlemi ve kontrol.
- Kontrol videolarında, bir masanın üzerinde bir bardak sunuluyor ve yakınlarda bir sağ el duruyor. Herhangi bir hareket yapılmaz.
- El aksiyon videolarında sağ el bardağa uzanır ve onu kavrar. Bu eylem, DYY kasının kasılmasını içerir.
- Kol hareket videolarında sağ kol uzanır, kaldırılır ve bölgede hareket ettirilir. Kavrama eylemi yapılmaz ve bu nedenle DYY kası dahil değildir.
- Her videoyu 10 kez oynatın, her videodan sonra 15 saniye dinlenin ve toplam 30 video izleyin. Videoları rastgele sırayla oynatın.
- Üç tür video vardır: el hareketi gözlemi, kol hareketi gözlemi ve kontrol.
- Video sırasında, motor eşiğinin %120'sinde bir TMS darbesi verin.
- Nabzı videodaki hareketle aynı zamana denk gelecek şekilde zamanlayın. Bunu başarmak için, nabız videonun başlamasından 2 saniye sonra gerçekleşmelidir.
6. Verileri analiz edin.
- Her MEP için tepeden tepeye genliği hesaplayın.
- Sahte sivri uçları gidermek için TMS stimülasyonundan önce veya stimülasyondan 100 ms'den daha uzun süre sonra ortaya çıkan MEP'leri atın.
- Her konu için, referans değer, eylem gözlemi ve kontrol koşulları için ortalama MEP genliğini hesaplayın.
- MEP genliğinin eylem gözleminden etkilendiği hipotezini test etmek için grup verileri üzerinde varyans analizi (ANOVA) yapın.
TMS olarak kısaltılan Transkraniyal Manyetik Stimülasyon, yalnızca beyin ve farklı kaslar arasındaki bağlantıları değil, aynı zamanda bir kişi başkalarındaki hareketleri gözlemlediğinde beyin aktivitesinin nasıl değiştiğini araştırmak için de kullanılabilen bir tekniktir.
Her gün, bir kişi, bir tenis topuna raketle vurmak için sağ kolunu sallamak gibi belirli eylemleri gerçekleştirmek için kaslarını bilinçli olarak hareket ettirir.
Tüm bu istemli kas hareketleri, beynin yüzeyinde, kafa derisinin hemen altında bulunan motor korteksteki uyarılmanın sonucudur.
Daha da önemlisi, ister sağ kol ister sol bacak olsun, farklı vücut bölümlerinin hareketi, farklı motor korteks bölgelerindeki nöron kümeleri tarafından kontrol edilir.
Örneğin, başın sağ üst kısmına yakın nöronlar uyarıldığında, beyinden omurgaya ve ardından sol koldaki kaslara giden elektrik sinyalleri üretebilirler.
Buna karşılık, kas hücreleri kendi elektrik sinyallerini üretir, bu da kasılma ve harekete yol açar.
İlginç bir şekilde, araştırmalar, motor korteksin bölgelerinin sadece bir kişi kendi başına bir eylem gerçekleştirdiğinde değil, aynı zamanda bir başkasının hareket etmesini izlediğinde de aktive olduğunu göstermiştir - sol koluyla bir makineye vuran bir tamirci gibi.
TMS, araştırmacılara motor korteks nöronlarında eylem gözleminin neden olduğu kolaylaştırmayı araştırmak için bir yol sağlar.
Luciano Fadiga ve meslektaşlarının TMS teknikleri aracılığıyla bu video, aksiyon gözlemi, motor korteks uyarımı ve kas aktivitesi arasındaki ilişkinin nasıl araştırılacağını göstermektedir.
Bu prosedürde katılımcılar iki aşamaya tabi tutulur mu? TMS lokalizasyonu ve kalibrasyonu ve deneysel bir görev, bir başkası tarafından gerçekleştirilen bir eylemi gözlemlediklerinde motor kortekslerinin bölgelerinin uyarılıp heyecanlanmadığını belirlemektir.
İlk aşamanın amacı, katılımcının sağ elindeki belirli bir kası hareket ettirmekten sorumlu beyin bölgesini tanımlamaktır - ilk dorsal interosseöz, başparmak ve işaret parmağı arasında yer alan FDI olarak kısaltılır.
Sekiz rakamlı bir TMS bobini daha sonra kafa derisine motor korteksin üzerine yerleştirilir. Beynin bu yarım küresi vücudun sağ tarafındaki hareketi yönlendirdiği için başlarının solunda yer alır.
Aynı zamanda, elektrotlar deneğin sağ elindeki FDI ve yakındaki kemik üzerine yerleştirilir, böylece bu kastaki herhangi bir elektriksel aktivite tespit edilebilir ve kaydedilebilir.
Bobin daha sonra kafa derisine tek bir darbe iletmek için kullanılır, bu da indüksiyon yoluyla alttaki sinir dokusunda bir elektrik akımına yol açan kısa bir manyetik alan oluşturur.
Nöronlar, özellikle bobinin merkezinin altındakiler, bununla aktive edilir ve sonuç olarak, bilinçli hareketler için olanlara benzer sinyaller üretir - hedef kaslara gider.
Yanıt olarak, motor uyarılmış potansiyeller, MEP'ler olarak adlandırılan ek elektrik sinyalleri oluşturulur ve milivoltların Y ekseninde ve zamanın X ekseninde çizildiği bir grafik üzerinde tepe noktaları olarak kaydedilebilir ve görselleştirilebilir.
Bu MEP'ler kasların fiziksel olarak seğirmesine neden olur, gözlemlenebilecek bir hareket. Eğer böyle bir spazm FDI dışında bir kasta meydana gelirse (üst kolda olduğu gibi) motor korteksin doğru bölgesi lokalize olmamıştır.
Bu durumda, bobin hafifçe hareket ettirilir ve başka bir tek darbe iletmek için kullanılır ve sonuçta ortaya çıkan herhangi bir hareket not edilir. Bu, motor korteksteki temsilinin bulunduğunun bir göstergesi olan sağ DYY'de seğirmeler görülene kadar tekrarlanır.
Bu bölge lokalize edildikten sonra, TMS uyaranının gücü değiştirilir, yeni bir nabız uygulanır ve elde edilen MEP kaydedilir. Bu sinyalin en yüksek pozitif tepe noktasından en düşük negatif noktasına kadar ölçülen genliğine dikkat edilir.
Bu ayarlamalar, genlikleri 50 μ'den büyük MEP'ler üreten bir ayar bulunana kadar devam eder. Fazların yarısında V, katılımcının motor eşiği olarak adlandırılan bir uyaran yoğunluğu.
Motor eşiğin %120'sinde birkaç ayrı TMS darbesi daha sonra motor korteksin sağ FDI bölgesinin üzerine uygulanır ve her biri için temel MEP'ler kaydedilir.
İkinci aşama olan deneysel görevde, katılımcılardan kendi vücut kısımlarını sabit tutarken kol veya el hareketlerini içeren üç tür film izlemeleri istenir.
El hareketi videoları olarak adlandırılan ilk görüntü türü, bir sağ elin bir bardağa uzanıp onu kavradığını gösteriyor - bu da doğrudan yabancı yatırım gerektiren bir eylem. Bu klipler, DYY tabanlı bir hareketin gözlemlenmesinin, motor korteksin DYY ile ilişkili bölgesindeki aktiviteyi nasıl etkilediğini değerlendirecektir.
Buna karşılık, kol hareketi videoları, DYY'den bağımsız bir sağ kol kaldırma ve bir fincan hareketiyle bir alanda hareket etmeyi içerir. Bu görüntü, sağ DYY kasılmasından sorumlu motor korteks alanının, bu kası içermeyen hareketlerin gözlemlenmesiyle uyarılıp uyarılamayacağını değerlendirecektir.
Üçüncü tip, herhangi bir kas hareketi olmadan bir bardağın yanında duran hala sağ eli gösteren kontrol videolarıdır.
Asıl görev yerine getirildiğinde, beynin sağ DYY hareketinden sorumlu bölgesinin üzerine tekrar bir TMS bobini yerleştirilir. Ardından, katılımcılar videoları rastgele bir sırayla izler ve her tür 10 kez tekrarlanır.
Görüntüde kas hareketi meydana geldiğinde, bir el veya kol hareketi videosu başladıktan yaklaşık 2 saniye sonra, TMS bobini tek bir elektromanyetik darbe vermek için kullanılır.
Benzer şekilde, kontrol videolarında herhangi bir hareket gösterilmemesine rağmen, bu tür kliplerin başlamasından 2 saniye sonra bir darbe uygulanır. Her durumda, ister kontrol, ister kol veya el hareket videoları olsun? Doğru DYY tarafından oluşturulan MEP'ler kaydedilir.
Burada bağımlı değişken MEP genlikleridir. Önceki çalışmalara dayanarak, el aksiyon filmlerinin gözlemlenmesi üzerine DYY'den kaydedilen MEP'lerin, kol hareketi veya kontrol filmleri izlerken kaydedilenlerden daha büyük olması, daha yüksek DYY aktivitesini ve dolayısıyla daha fazla motor korteks uyarılabilirliğini yansıtması beklenmektedir.
Deney başlamadan önce, sağ elini kullanan, normal görüşe sahip ve herhangi bir nörolojik bozukluk öyküsü olmayan 20 katılımcıyı işe alın ve onlardan yazılı onay alın.
Bir dizi video izleyecekler ve bu süre zarfında beyinlerinin bölgeleri TMS aracılığıyla uyarılacak. TMS bobininden kafaya hafif bir dokunuş hissedebileceklerini, ancak büyük bir rahatsızlık yaşamamaları gerektiğini vurgulayın.
Başlamak için, katılımcının bir bilgisayar ekranının önüne yerleştirilmiş bir sandalyeye oturmasını sağlayın. Sağ dirseklerini 90'da dinlenmeye yönlendirmek mi? açı verin ve sağ kolunun ve elinin rahatça yüzüstü olduğundan emin olun.
Ardından, gözleri ekrandan en az 50 cm uzakta olacak şekilde çenelerini bir çene dayanağına yerleştirin.
MEP kaydı için, katılımcının sağ elinin cildini alkolle temizleyin ve işaret parmağını ve başparmağını birbirine bastırarak sağ DYY kaslarını esnetmelerini sağlayın. Kas gerginliğinin zirve yerini belirleyin ve üzerine bir kayıt elektrodu yerleştirin. Daha sonra, elinizdeki yakındaki bir kemiğe bir referans elektrodu yerleştirin. Ayrıca toprak elektrodunu sağ dirseğine güvenli bir şekilde sabitleyin.
Elektrotlar yerleştirildikten sonra, katılımcıya kas gerginliği olmaması için elini gevşetmesini söyleyin.
Ardından, katılımcının kafa derisinin sol tarafına bir şekil-8 TMS bobini yerleştirin ve motor kortekste doğru FDI temsilini bulmak için kullanın. Bu meydana geldiğinde, sağ DYY'nin seğirmesini ve bu kastan kaydedilen kararlı MEP'leri gözlemlemeyi bekleyin.
Kalibrasyon için, TMS bobininin ayarlarını, 50'den büyük bir MEP üreten minimum çıkış gücüne kadar ayarlamaya devam edin. 10 stimülasyondan 5'inde V belirlenir.
Katılımcının motor eşiğini temsil eden bu değeri kaydedin. Belirlendikten sonra, temel MEP genliğini belirlemek için katılımcıya her biri 15 saniye ile ayrılmış bir dizi 10 TMS darbesi iletmek için bu ayarları kullanın.
Daha sonra, katılımcının rastgele bir sırayla üç tür film (el hareketi, kol hareketi ve kontrol) göstererek deneysel görevi gerçekleştirmesini sağlayın. Her biri arasına 15 sn dinlenme süresi ekleyin.
Toplam 30 film için her videonun 10 kez oynatıldığından emin olun. Katılımcı, filmin başlamasından yaklaşık 2 saniye sonra her klipteki aksiyonu izlerken, motor eşiğin %120'sinde bir TMS darbesi uygulayın.
Verileri analiz etmek için, kaydedilen her MEP için taban çizgisinden, eylem gözlemlerinden veya kontrol video koşullarından olsun, tepeden tepeye genliği hesaplayın. Sahte sivri uçları ortadan kaldırmak için, TMS stimülasyonundan önce veya stimülasyondan 100 ms'den fazla sonra meydana gelen MEP'leri atın.
El ve kol hareketlerinin yanı sıra el dayanağı videoları için ortalama MEP genliğini hesaplayın ve bunları ortalama taban çizgisinin üzerindeki yüzde olarak ifade edin.
El hareketi videoları için, FDI kasından kaydedilen MEP genliğinin, kontrol genliğine kıyasla önemli ölçüde daha yüksek olduğuna dikkat edin, bu da hareket gözlemi sırasında motor korteksin uyarılabilirliğinde arttığı bir kolaylaştırma etkisi olduğunu düşündürür.
Bununla birlikte, kol hareketi gözlemi sırasında kaydedilen MEP'ler, el hareketi videoları izlenerek üretilenlerden çok daha küçüktü. Bu, kolaylaştırma etkisinin nispeten seçici olduğunu ve gözlenen kas hareketlerinden sorumlu motor korteks bölgesine özgü olduğunu gösterir.
Artık araştırmacıların, eylem gözlemine yanıt olarak motor korteksin uyarılabilirliğini araştırmak için TMS'yi nasıl kullandıklarını bildiğinize göre, bu tekniğin diğer uygulamalarda nasıl uygulandığına bakalım.
Şimdiye kadar, bir hareketi izlemek ile motor korteks işlevi arasındaki ilişkiye odaklandık. Bununla birlikte, bazı araştırmacılar, bir eylemi hayal etmenin kayıtlı MEP'ler üzerinde de etkileri olup olmayacağını araştırıyorlar.
Bu tür bir çalışma, bir katılımcının, tek TMS darbeleri uygulandığında, sağ kollarını bükmek gibi bir vücut bölümünü fiziksel olarak hareket ettirirken hayal etmelerini gerektirir.
Kaslardan elde edilen MEP'ler değerlendirildiğinde, katılımcının böyle bir hareket hayal etmediği kontrol senaryoları sırasında kaydedilenlerden daha büyük oldukları bulunmuştur.
Bu etki, katılımcı hayal ettiği hareketi gözlemlediğinde daha da kolaylaşır. Toplu olarak, bu sonuçlar hayal gücü ve motor aktivasyon arasındaki ilişki için kanıt sağlar.
Diğer nöropsikologlar, TMS modifikasyonlarının terapötik amaçlar için kullanılıp kullanılamayacağını araştırıyorlar.
Örneğin, TMS'nin afazinin tedavisine yardımcı olup olamayacağına ilgi vardır; hastaların inmeden kaynaklanan bir nesnenin adı gibi sözlü bilgileri iletmekte zorluk çektiği bir durum.
Burada, inme hastalarında beynin sağ inferior frontal girus adı verilen bir bölgesi, nabızların tekrar tekrar ve hızlı bir şekilde uygulandığı tekrarlayan TMS yöntemi kullanılarak uyarıldı.
Hastalardan tedaviden aylar sonra ıstakoz veya şömine gibi nesneleri sözlü olarak tanımlamaları istendiğinde, bu, tekrarlayan TMS'nin bireyler üzerinde uzun vadeli, olumlu etkileri olduğunu ortaya koydu. kapasiteleri adlandırmak, bu yöntemin bilişsel eksiklikleri tedavi etmek için nasıl kullanılabileceğine dair fikir vermek.
Az önce JoVE'nin TMS ve eylem gözlemi hakkındaki videosunu izlediniz. Şimdiye kadar, bir kas hareketini izledikten sonra motor korteksteki aktiviteyi değerlendirmek için TMS'nin nasıl kullanılabileceğini anlamış olmalısınız. Ayrıca beynin bölgelerini bir TMS bobini ile nasıl uyaracağınızı, gözlem uyaranlarını nasıl sunacağınızı ve MEP verilerini nasıl toplayıp yorumlayacağınızı da bilmelisiniz. Son olarak, TMS'nin inme mağdurları için tedaviler gibi diğer uygulamalarda nasıl kullanıldığını anlamalısınız.
İzlediğiniz için teşekkürler!
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.