Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Neuropsychology

A subscription to JoVE is required to view this content.
You will only be able to see the first 20 seconds.

 

Overview

출처: 조나스 T. 카플란과 사라 I. 짐벨의 연구소 - 서던 캘리포니아 대학

뇌 조직의 한 가지 원리는 정보의 지형 매핑입니다. 특히 감각 및 모터 코르티체에서, 뇌의 인접 한 영역은 신체의 인접 한 부분에서 정보를 나타내는 경향이, 뇌의 표면에 표현 된 신체의지도의 결과. 뇌의 주요 감각 및 모터 지도는 중앙 황액으로 알려진 눈에 띄는 황액을 둘러싸고 있습니다. 중앙 황액에 피질 전방은 중앙 자이러스로 알려져 있으며 1 차 모터 피질을 포함하고 있으며, 중앙 황액에 피질 후방은 포스트 센트럴 자이루스로 알려져 있으며 1 차 감각 피질을 포함(도 1).

Figure 1
그림 1: 중앙 설커스 주변의 감각 및 모터 맵. 바디의 이펙터의 모터 지도가 포함된 1차 모터 피질은, 전두엽의 중앙 자이루스에서 중앙 설커스에 앞쪽입니다. 신체의 외부 부위로부터 접촉, 통증 및 온도 정보를 받는 주요 일부 (감각) 피질은 정수리 엽의 중앙 자이루스에서 중앙 황액에 후방에 위치합니다.

이 실험에서 기능성 신경 이미징은 프리센트럴 자이러스에서 모터 맵을 시연하는 데 사용됩니다. 이 지도는 종종 사람의 뇌의이 부분에 표현 된 자신의 자아의 작은 버전이 있기 때문에"작은 사람"에 대한 라틴어 모터 homunculus라고합니다. 이 지도의 한 가지 흥미로운 속성은 더 많은 피질 공간이 손과 입과 같은 미세한 제어를 필요로하는 신체 부위에 전념하여 피질에 있는 부속물을 불균형하게 표현한다는 것입니다. 또한, 모터 시스템의 해부학 때문에 신체의 오른쪽을 제어하는 뉴런이 왼쪽 1 차 운동 피질에 있으며 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 따라서 실험에 참여한 참가자가 오른손이나 발을 움직여야 하는 경우 왼쪽 중앙 자이루스의 활성화가 증가할 것으로 예상됩니다.

이 실험에서 참가자는 뇌 활동이 fMRI로 측정하는 동안 좌우 측면에서 손과 발을 번갈아 움직여야합니다. fMRI 신호는 참가자들이 하는 움직임에 비해 느린 혈액 산소화의 변화에 의존하기 때문에, 이동 기간은 다양한 조건이 서로 및 휴식 기준선으로부터 구별될 수 있도록 고요함의 기간으로 분리됩니다. 움직임의 정확한 타이밍을 달성하기 위해 참가자들은 시각적 신호로 각 움직임을 시작하고 종료할 시기를 지시받습니다. 이 비디오의 방법은 1 차적인 모터 피질에 있는 somatotopy를 입증한 몇몇 fMRI 연구 결과에 의해 이용된 것과 유사합니다. 1,2

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. 20명의 참가자를 모집합니다.

  1. 참가자는 신경 또는 심리적 장애의 역사가 없는지 확인합니다.
  2. 참가자가 손별 설문지를 사용하여 모든 오른손잡이임을 확인하십시오.
  3. 참가자가 시각적 신호를 제대로 볼 수 있도록 정상 또는 정상 시력으로 수정되었는지 확인합니다.
  4. 참가자가 몸에 금속이 없는지 확인합니다. 이것은 fMRI에 관련된 높은 자기장 때문에 중요한 안전 요구 사항입니다.
  5. fMRI는 스캐너 보어의 작은 공간에 누워 필요하기 때문에 참가자가 밀실 공포증으로 고통받지 않는다는 것을 확인하십시오.

2. 사전 스캔 절차

  1. 사전 스캔 서류를 작성합니다.
  2. 참가자가 fMRI 스캔을 위해 들어올 때, 먼저 MRI에 대한 반대 표시가 없는지 확인하기 위해 금속 스크린 양식을 작성하도록 하고, 방사선 전문의가 스캔에 동의하는 부수적인 연구 결과 양식, 연구의 위험과 이점을 자세히 설명하는 동의서를 작성하도록 합니다.
  3. 참가자들은 스캐너에 갈 준비를 하기 위해 몸에서 모든 금속(벨트, 지갑, 휴대폰, 헤어 클립, 동전 및 모든 보석 포함)을 제거하도록 합니다.

3. 참가자에 대한 지침을 제공합니다.

  1. 참가자에게 화면에 손을 볼 때 시각적 단서가 사라질 때까지 손을 움직이기 시작한다고 말합니다. 손 움직임은 순서대로 같은 손의 각 손가락에 엄지 손가락을 터치하고 역으로이 순서를 반복 포함한다는 것을 참가자에게 알립니다. 큐가 화면 왼쪽에 나타나면 왼손을 움직여야 하며 화면 오른쪽에 큐가 나타나면 오른손을 움직여야 합니다.
  2. 참가자에게 화면에 발을 볼 때 발을 움직이기 시작하고 시각적 단서가 사라질 때까지 계속 그렇게해야 한다고 말합니다. 참가자에게 발 의 움직임은 가상의 페달을 누르는 것처럼 반복적으로 발을 누르는 것을 포함한다는 것을 알려줍니다. 큐가 화면 왼쪽에 나타나면 왼발을 움직여야 하며 화면 오른쪽에 큐가 나타나면 오른발을 움직여야 합니다.
  3. 참가자에게 손이나 발을 움직이는 동안에도 머리를 가만히 두는 것의 중요성을 강조합니다.

4. 참가자를 스캐너로 안내합니다.

  1. 참가자에게 귀마개를 주고 (스캐너의 소음으로부터 귀를 보호하기 위해) 이어폰 (스캔 중에 실험자의 소리를들을 수 있도록 착용) 코일에 머리를 들고 침대에 누워있게하십시오.
  2. 참가자에게 비상 압착 공을 주고 스캔 중에 비상 시 압박하도록 지시하십시오.
  3. 스캔 중에 과도한 움직임을 피하기 위해 폼 패드로 코일에 참가자의 머리를 고정하고, 심지어 작은 움직임이 이미지를 흐리게로, 스캔 하는 동안 가능한 한 가만히 유지하는 것이 매우 중요하다는 것을 참가자를 생각 나게한다.

5. 데이터 수집

  1. 고해상도 해부학 검사를 수집합니다.
  2. 기능 적 스캐닝을 시작합니다.
    1. 자극 프레젠테이션의 시작을 스캐너의 시작과 동기화합니다.
    2. 프로젝터에 연결된 랩톱을 통해 시각적 신호를 제시합니다. 참가자는 스캐너 보어 의 뒷면에 화면을 반사, 자신의 눈 위에 거울이 있어야합니다.
    3. 12s에 대한 각 시각적 큐를 제시한 다음 12s의 휴식 기준선을 제시합니다. 왼손, 오른손, 왼발 및 오른발 사이를 번갈아 가며.
    4. 각 조건의 4회 반복을 총 6.5분 동안 반복합니다.

6. 스캔 후 절차

  1. 참가자를 스캐너에서 꺼내십시오.
  2. 참가자를 브리핑합니다.
  3. 참가자에게 지불합니다.

7. 데이터 분석

  1. 데이터를 미리 처리합니다.
    1. 모션 보정을 수행하여 모션 아티팩트를 줄입니다.
    2. 시간적 필터링을 수행하여 신호 드리프트를 제거합니다.
    3. 데이터를 부드럽게 하여 신호 대 잡음 비율을 높입니다.
  2. 각 참가자에 대한 데이터를 모델링합니다.
    1. 각 작업 조건에 대해 예상되는 혈역학 적 응답이 있어야 하는 모델을 만듭니다.
    2. 이 모델에 데이터를 맞게 하면 각 복셀의 값이 작업 조건에 해당 복셀이 관련된 정도를 나타내는 통계 맵이 생성됩니다.
    3. 참가자의 뇌를 참가자에게 데이터를 결합하기 위해 표준 아틀라스에 등록하십시오.
  3. 데이터의 그룹 수준 분석을 위해 주제 간에 통계 맵을 결합합니다.

모터 정보는 1 차적인 모터 피질의 해부학 적 분열에 따라 조직되어 뇌의 지형지도를 만듭니다.

중앙 지방 자이루스에 위치한 신체의 피질 표현은 모터 homunculus로 구성됩니다 -"작은 사람"-그리고 발가락을 제어하는 영역이 내측 벽에서 발견되고 혀가 측면 황액 근처에 위치하도록 반전 된 방식으로 배치됩니다.

또한 손과 관련 숫자와 같은 보다 미세한 자발적 모터 제어를 필요로 하는 신체 부위는 엉덩이와 같은 정밀한 조작을 필요로 하지 않는 해부학적 특징에 비해 피질에 더 큰 표현을 가지고 있습니다.

homunculus는 또한 측면화, 왼쪽 기본 모터 피질의 뉴런으로-본체의 오른쪽을 제어 하는 여기 표시, 그리고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 따라서, 개인이 오른쪽 엉덩이를 움직일 때, 이산 영역 내에서 왼쪽 중앙 자이루스에 피질 활성화가 증가한다.

이 비디오는 참가자가 손이나 발을 움직일 때 뇌 활동을 수집하고 분석하는 방법을 포함하여 인간의 1 차 모터 피질의 신체 매핑 조직을 시연하기 위해 현대 기능 신경 이미징을 사용하는 실험을 자세히 설명합니다.

이 실험에서 뇌 활동은 fMRI로 축약된 기능성 자기 공명 이미징을 사용하여 측정되며, 참가자들은 왼쪽 또는 오른손의 숫자와 같이 다른 신체 부위를 반복적으로 움직입니다.

이 기술은 BOLD-혈액-산소-수준-의존-응답이라고 하는 혈액 산소화 수준에 있는 변경에 의존합니다. 방법 의 원리를 자세히 보려면 JOVE의 신경 과학 컬렉션, fMRI : 기능적 자기 공명 이미징의다른 비디오를 참조하십시오.

여기에 제시된 맥락에서, 왼발과 같은 신체 부위가 앞뒤로 구부러질 때, 뇌의 동맥에 의해 공급되는 산소대뇌 혈류는 1차 운동 피질과 같은 이 운동 중에 활성화되는 신경 영역으로 증가합니다.

그러나, 이 혈역학 반응은 실제 물리적 운동 보다는 더 느리게 생깁니다, 이는 행동이 휴식의 기간으로 분리될 것을 보증합니다.

따라서, 각 신체 운동은 왼손잡이, 왼발, 오른손 및 오른발의 네 가지 조건을 구별하는 데 정확하게 시간이 정해져 있습니다.

예를 들어 fMRI 기계의 참가자는 프레젠테이션 화면왼쪽에 나타날 때 왼손을 제스처하기 시작하도록 요청받습니다.

필요한 손 움직임은 실제로 복잡하며 포인터부터 시작하여 엄지 손가락을 순서대로 각 손가락에 터치하는 것을 포함합니다. 그런 다음 참가자는 핑키로 시작하여 반대 방향으로 이러한 작업을 반복해야 합니다.

이 경우 왼쪽 그림이 화면에서 사라지면 움직임이 중지됩니다.

마찬가지로, 오른쪽에 발을 볼 때 이미지가 사라질 때까지 반복적으로 아래로 밀어 오른발을 움직이라는 지시를 받습니다.

여기서, 종속 변수는 손이나 발에서 의한 운동 후 BOLD 반응의 강도이며, 이는 특정 뇌 영역으로 국한될 수 있다.

왼손 운동의 경우, 뇌 활성화는 주로 중앙 지방 자이러스의 오른쪽 등측 표면에 기대됩니다. 대조적으로, 오른손 의 움직임에 대 한, 뇌 활성화 왼쪽 등측 표면에 예상 된다. 이러한 결과는 측면 모터 homunculus와 일치합니다.

실험에 앞서, 오른손잡이이거나, 정상 또는 교정된 시력을 가지고 있거나, 몸에 금속 임플란트가 없거나, 실험적 통제 및 안전 문제로 밀실 공포증을 앓고 있는 참가자를 모집합니다.

방사선 전문의가 부수적 인 발견의 경우 자신의 이미지를 보고뿐만 아니라 연구의 위험과 이점을 자세히 설명하는 동의와 같은 세션 중 건강 및 안전 문제와 관련된 질문을 포함하는 사전 스캔 서류를 작성하도록하십시오.

또한 참가자에게 시계, 휴대폰, 지갑, 열쇠, 벨트, 동전 등 모든 금속 물체를 몸에서 제거하여 스캔룸에 들어갈 준비를 하도록 요청합니다.

다음으로 작업 규칙을 설명합니다: 이동해야 하는 부속체(이 경우 발은 화면의 해당 측면에 시각적 신호로 나타납니다). 상상의 페달을 밟는 것처럼 반복적으로 누르고 발을 움직여야 하는 방법을 보여 준다.

손 큐가 나타나면 엄지손가락을 같은 손의 각 손가락에 순서대로 터치한 다음 이 시퀀스를 반대로 반복해야 합니다.

이제 참가자를 이미징 룸으로 데려오십시오. 귀마개를 제공하여 시끄러운 소음과 이어폰으로부터 귀를 보호하여 세션 중에 추가 통신을 들을 수 있도록 합니다. 코일에 머리를 대고 침대에 누워 스캔 하는 동안 과도한 움직임과 흐림을 피하기 위해 거품 패드로 고정하십시오.

참가자의 눈 위에 는 스캐너 보어 뒤쪽에 화면을 반사하는 거울을 놓습니다. 그런 다음 비상 시 사용할 스퀴즈 볼을 제공합니다. 또한 전체 시간을 가능한 한 계속 유지하는 것이 매우 중요하다는 것을 상기시켜줍니다.

기계 내부의 참가자를 안내한 후 먼저 고해상도 해부학 이미지를 수집합니다. 기능적 부분을 시작하려면 자극 프레젠테이션을 스캐너의 시작과 동기화합니다.

프로젝터에 연결된 랩톱을 통해 시각적 신호를 12s에 각각 표시하고 12s의 휴식 기준선을 제시합니다. 왼손, 오른손, 왼발, 오른발 등 네 가지 조건 간의 번갈아 가며 6.5분 이내에 각각 4회 반복됩니다.

스캔이 완료되면 참가자를 방에서 내쫓습니다. 그들을 브리핑하고 연구에 참여한 것에 대한 보상을 제공합니다.

분석의 첫 번째 단계로, 아티팩트를 줄이기 위해 모션 보정을 수행하여 데이터를 사전 처리, 신호 드리프트를 제거하는 시간적 필터링, 공간 스무딩을 통해 신호 대 잡음 비율을 증가시.

이러한 데이터를 사용하여 각 작업 조건에 대해 예상되는 혈역학 적 반응 모델을 만듭니다. 그런 다음 이 모델에 데이터를 맞게 각 주체에 대한 통계 맵이 생성되며, 각 복셀의 값(3D 볼륨 픽셀)은 해당 복셀이 작업 조건에 관여하는 정도를 나타냅니다.

참가자의 뇌를 표준 아틀라스에 등록하여 각 참가자에 걸쳐 데이터를 결합합니다. 그런 다음 참가자 간에 모든 통계 맵을 결합하여 그룹 수준 분석을 합니다. 혈류의 변화는 뇌 표면의 다른 색상으로 표시됩니다.

파란색으로 표시된 오른손의 움직임은 중앙 자이러스의 왼쪽 측면 표면에 가장 큰 활성화를 일으켰고, 녹색으로 표현된 왼손을 교감하는 한편 오른쪽 측면 표면에서 가장 큰 활성화를 일으켰습니다.

또한, 라이트 블루로 표시된 오른발을 구부리면 왼쪽 내측 표면에 활성화가 생성되었으며, 왼쪽 발 움직임에 대한 가장 큰 활성화는 노란색으로 오른쪽 내측 표면에 있었습니다.

이러한 결과는 모터 동작이 두 반구의 1차 모터 피질의 이산 영역으로 국소화될 수 있음을 시사하며, 이는 모터 호문큘러스를 지원합니다.

이제 fMRI 실험을 실행하여 1차 모터 피질의 조직을 관찰하고, 뇌가 손상 후 또는 보철 사지의 부착 후 의움직임을 관리하는 방법을 생각해 봅시다.

뇌졸중과 같은 왼쪽 중앙 자이루스의 손상은 신체의 오른쪽 이동에 어려움을 초래할 수 있습니다.

이 비디오에서 배운 바와 같이, 영향을 받는 특정 부품은 부상의 정도에 따라 달라집니다: 손상은 작고 한 손가락에 영향을 미치거나 모든 숫자와 전체 팔에 영향을 줄 만큼 충분히 커질 수 있습니다.

표현은 간단해 보이지만, 기본 모터 피질은 운동의 선택, 계획 및 조정에 관여하는 영역의 광범위한 네트워크 내에서 세그먼트이기 때문에 단독으로 작동하지 않습니다. 따라서, 지역화 손상은 보이는 만큼 쉽지 않을 수 있습니다.

수족 절단에 사지 기능을 개선 하기 위한 한 가지 잠재적인 치료 접근 은 뇌 컴퓨터 인터페이스를 포함. 이 기술적으로 진보 된 방법은 전기 동, 또는 EMG 신호 -모터 뉴런과 근육 운동 사이의 전기 통신을 기반으로합니다.

연구원은 EMG 기록을 사지 보철물과 통합하여 서 있거나 경사로를 걷는 것과 같은 모터 행동을 보다 원활하게 제어하는 방법을 개발하고 있습니다.

당신은 모터지도에 JoVE의 소개를 보았다. 지금 당신은 설계하고 fMRI 실험을 수행하는 방법에 대한 좋은 이해를 가지고 있어야합니다, 마지막으로 분석하고 뇌 활성화 결과를 해석하는 방법.

시청해 주셔서 감사합니다!

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

이 실험에서, 연구원은 fMRI로 두뇌 활동을 측정했습니다, 참가자는 그들의 손 또는 발을 이동하는 동안. 혈류의 변화에 대한 통계적 분석은 표준 아틀라스 뇌의 표면에 다른 색상으로 표현된다. 색상은 복셀을 식별하며, 시간 코스는 특정 조건에 대한 예측된 시간 코스와 가장 잘 일치합니다.

결과는 상이한 사지의 움직임에 대한 프리센트럴 자이루스 내에서 상이한 활성화 포시를나타낸다(도 2). 오른손의 움직임은 자이루스(파란색)의 왼쪽 측면 표면에 가장 큰 활성화를 일으켰고, 왼손의 움직임은 오른쪽 측면 표면(녹색)에서 가장 큰 활성화를 일으켰다. 참가자가 발을 움직일 때, 활성화는 전 중앙 자이루스가 뇌의 내측 표면으로 확장되는 가장 큰 곳이었습니다. 오른면 발 움직임은 왼쪽 내측 표면(시안)에서 활성화를 일으켰고, 왼발 움직임에 대한 가장 큰 활성화는 오른쪽 내측 표면(노란색)에 있었다.

Figure 2
그림 2: 참가자를 가로 질러 손과 발의 움직임으로 인한 뇌 활성화. 파란색 = 오른손의 움직임; 녹색 = 왼손의 움직임; 시안 = 오른발의 움직임; 노란색 = 왼발의 움직임.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

이러한 결과는 인간 1차 모터 피질의 소마토피 또는 신체 매핑 조직을 보여줍니다. 이 매핑은 뇌손상이 움직임에 미치는 영향에 대한 영향을 미칩니다. 예를 들어, 왼쪽 중앙 자이러스의 손상은 신체의 오른쪽 이동에 어려움을 초래하고, 영향을받는 기본 모터 피질의 특정 부분은 신체의 특정 부분을 제어하는 문제로 이어질 수 있습니다. 그러나, 1 차적인 모터 피질은 운동의 통제에 관련시키는 많은 두뇌 지구의 단지 하나이다는 것을 주의하는 것이 중요합니다. 중앙 지방 자치 는 운동의 선택, 계획 및 조정에 참여하는 뇌 영역의 넓은 네트워크의 일부입니다.

모터 피질에서 이펙터 특정 활동을 측정하는 기능은 또한 보철 사지의 통제를 허용하는 것과 같은 두뇌 컴퓨터 인터페이스의 가능성으로 이끌어 냅니다. 예를 들면, 1 차적인 모터 피질에 있는 신경의 직접 기록을 사용하여, 연구원은 원숭이가 자신을 공급하기 위하여 보철 사지를 통제할 수 있다는 것을 보여주었습니다. 3

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

References

  1. Lotze, M., et al. fMRI evaluation of somatotopic representation in human primary motor cortex. Neuroimage 11, 473-481 (2000).
  2. Rao, S.M., et al. Somatotopic mapping of the human primary motor cortex with functional magnetic resonance imaging. Neurology 45, 919-924 (1995).
  3. Velliste, M., Perel, S., Spalding, M.C., Whitford, A.S. & Schwartz, A.B. Cortical control of a prosthetic arm for self-feeding. Nature 453, 1098-1101 (2008).

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

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

Waiting X
Simple Hit Counter