Overview
Fonte: Laboratori di Jonas T. Kaplan e Sarah I. Gimbel—University of Southern California
Un principio dell'organizzazione del cervello è la mappatura topografica delle informazioni. Soprattutto nelle cortecce sensoriali e motorie, le regioni adiacenti del cervello tendono a rappresentare le informazioni provenienti da parti adiacenti del corpo, risultando in mappe del corpo espresse sulla superficie del cervello. Le mappe sensoriali e motorie primarie nel cervello circondano un solco prominente noto come solco centrale. La corteccia anteriore al solco centrale è nota come giro precentrale e contiene la corteccia motoria primaria, mentre la corteccia posteriore al solco centrale è nota come giro postcentrale e contiene la corteccia sensoriale primaria (Figura 1).
Figura 1: Mappe sensoriali e motorie attorno al solco centrale. La corteccia motoria primaria, che contiene una mappa motoria degli effettori del corpo, è anteriore al solco centrale, nel giro precentrale del lobo frontale. La corteccia somesthetic (sensoriale) primaria, che riceve informazioni sul tatto, sul dolore e sulla temperatura dalle parti esterne del corpo, si trova posteriormente al solco centrale, nel giro postcentrale del lobo parietale.
In questo esperimento, il neuroimaging funzionale viene utilizzato per dimostrare la mappa motoria nel giro precentrale. Questa mappa è spesso chiamata omuncolo motorio, che è latino per "piccolo uomo", perché è come se ci fosse una piccola versione di se stessi rappresentata in questa parte del cervello di una persona. Una proprietà interessante di questa mappa è che più spazio corticale è dedicato alle parti del corpo che richiedono un controllo più fine, come le mani e la bocca, il che si traduce in una rappresentazione sproporzionata di quelle appendici nella corteccia. Inoltre, a causa dell'anatomia del sistema motorio, i neuroni che controllano il lato destro del corpo si trovano nella corteccia motoria primaria sinistra e viceversa. Pertanto, quando a un partecipante all'esperimento viene chiesto di muovere la mano destra o il piede, è prevista una maggiore attivazione sul giro precentrale sinistro.
In questo esperimento, ai partecipanti viene chiesto di muovere alternativamente le mani e i piedi, sui lati sinistro e destro, mentre la loro attività cerebrale viene misurata con fMRI. Poiché il segnale fMRI si basa su cambiamenti nell'ossigenazione del sangue, che sono lenti rispetto ai movimenti che i partecipanti fanno, i periodi di movimento sono separati da periodi di quiete per garantire che le varie condizioni possano essere distinte l'una dall'altra e dalla linea di base a riposo. Per ottenere un tempismo preciso dei movimenti, i partecipanti vengono istruiti su quando iniziare e terminare ogni movimento con un segnale visivo. I metodi in questo video sono simili a quelli utilizzati da diversi studi fMRI che hanno dimostrato la somatotopia nella corteccia motoria primaria. 1,2
Procedure
1. Recluta 20 partecipanti.
- Confermare che i partecipanti non hanno una storia di disturbi neurologici o psicologici.
- Confermare che i partecipanti siano tutti destrimani utilizzando il questionario di maneggevolezza.
- Per garantire che i partecipanti possano vedere correttamente i segnali visivi, assicurarsi che abbiano una visione normale o corretta a quella normale.
- Assicurati che i partecipanti non abbiano metallo nel loro corpo. Questo è un importante requisito di sicurezza a causa dell'elevato campo magnetico coinvolto nella fMRI.
- Poiché la fMRI richiede di sdraiarsi nel piccolo spazio del foro dello scanner, confermare che i partecipanti non soffrano di claustrofobia.
2. Procedure di pre-scansione
- Compila i documenti pre-scansione.
- Quando i partecipanti arrivano per la loro scansione fMRI, fai prima compilare un modulo di schermo metallico per assicurarsi che non abbiano controindicazioni per la risonanza magnetica, un modulo di risultati incidentali che dà il consenso affinché la loro scansione sia esaminata da un radiologo e un modulo di consenso che dettaglia i rischi e i benefici dello studio.
- Fai in modo che i partecipanti rimuovano tutto il metallo dal loro corpo (comprese cinture, portafogli, telefoni, fermagli per capelli, monete e tutti i gioielli) per prepararsi ad andare nello scanner.
3. Fornire istruzioni per il partecipante.
- Dì al partecipante che quando vede una mano sullo schermo, deve iniziare a muovere la mano fino a quando il segnale visivo scompare. Informare il partecipante che il movimento della mano comporta il tocco del pollice a ciascun dito della stessa mano in ordine e la ripetizione di questa sequenza al contrario. Quando il segnale appare sul lato sinistro dello schermo, devono muovere la mano sinistra, e quando il segnale appare sul lato destro dello schermo, devono muovere la mano destra.
- Dì al partecipante che quando vede un piede sullo schermo, deve iniziare a muovere il piede e continuare a farlo fino a quando il segnale visivo scompare. Informare il partecipante che il movimento del piede comporta una pressione ripetitiva del piede verso il basso, come se si preme su un pedale immaginario. Quando il segnale appare sul lato sinistro dello schermo, devono muovere il piede sinistro, e quando il segnale appare sul lato destro dello schermo, devono muovere il piede destro.
- Sottolinea al partecipante l'importanza di tenere la testa ferma, anche mentre muove la mano o il piede.
4. Guida il partecipante nello scanner.
- Dare al partecipante tappi per le orecchie (per proteggere le orecchie dal rumore dello scanner) e auricolari (da indossare in modo che possano sentire lo sperimentatore durante la scansione) e farli sdraiare sul letto con la testa nella bobina.
- Dare al partecipante la palla di spremimento di emergenza e istruirlo a spremerlo in caso di emergenza durante la scansione.
- Fissare la testa del partecipante nella bobina con cuscinetti di schiuma per evitare movimenti eccessivi durante la scansione e ricordare al partecipante che è molto importante rimanere il più fermo possibile durante la scansione, poiché anche i più piccoli movimenti offuscano le immagini.
5. Raccolta dei dati
- Raccogli una scansione anatomica ad alta risoluzione.
- Avviare la scansione funzionale.
- Sincronizzare l'inizio della presentazione dello stimolo con l'avvio dello scanner.
- Presentare i segnali visivi tramite un laptop collegato a un proiettore. Il partecipante dovrebbe avere uno specchio sopra gli occhi, che rifletta uno schermo sul retro del foro dello scanner.
- Presenta ogni segnale visivo per 12 s, seguito da 12 s di baseline a riposo. Alternare tra mano sinistra, mano destra, piede sinistro e piede destro.
- Ripeti quattro ripetizioni di ogni condizione, per un totale di 6,5 minuti.
6. Procedure post-scansione
- Portare il partecipante fuori dallo scanner.
- Debriefing del partecipante.
- Paga il partecipante.
7. Analisi dei dati
- Pre-elaborare i dati.
- Eseguite la correzione del movimento per ridurre gli artefatti di movimento.
- Eseguire il filtraggio temporale per rimuovere le derive del segnale.
- Fluidi i dati per aumentare il rapporto segnale-rumore.
- Modellare i dati per ogni partecipante.
- Creare un modello di quale dovrebbe essere la risposta emodinamica prevista per ogni condizione di attività.
- Adatta i dati a questo modello, risultando in una mappa statistica, in cui il valore a ciascun voxel rappresenta la misura in cui quel voxel è stato coinvolto nella condizione di attività.
- Registrare il cervello del partecipante in un atlante standard per combinare i dati tra i partecipanti.
- Combina mappe statistiche tra soggetti per un'analisi a livello di gruppo dei dati.
Le informazioni motorie sono organizzate in base alle divisioni anatomiche nella corteccia motoria primaria, creando una mappa topografica nel cervello.
Situate nel giro precentrale, le rappresentazioni corticali del corpo sono organizzate in un omuncolo motorio - "piccolo uomo" - e sono disposte in modo invertito, in modo tale che le aree che controllano le dita dei piedi si trovano nella parete mediale e la lingua si trova vicino al solco laterale.
Inoltre, le parti del corpo che richiedono un controllo motorio volontario più fine, come le mani e le loro dita associate, hanno rappresentazioni più grandi nella corteccia, rispetto alle caratteristiche anatomiche che non richiedono una manipolazione così precisa, come l'anca.
L'homunculus è anche lateralizzato, con i neuroni nella corteccia motoria primaria sinistra, mostrati qui, che controllano il lato destro del corpo e viceversa. Pertanto, quando un individuo muove l'anca destra, c'è una maggiore attivazione corticale sul giro precentrale sinistro all'interno di una regione discreta.
Questo video descrive in dettaglio un esperimento che utilizza il moderno neuroimaging funzionale per dimostrare l'organizzazione mappata del corpo della corteccia motoria primaria umana, incluso come raccogliere e analizzare l'attività cerebrale quando i partecipanti muovono le mani o i piedi.
In questo esperimento, l'attività cerebrale viene misurata utilizzando la risonanza magnetica funzionale, abbreviata in fMRI, mentre i partecipanti sono ripetutamente stimolati a spostare diverse parti del corpo, come le cifre sulla mano sinistra o destra.
Questa tecnica si basa sui cambiamenti nei livelli di ossigenazione nel sangue, denominati risposta BOLD-Oxygenation-Level-Dependent. Per uno sguardo approfondito ai principi alla base del metodo, si prega di fare riferimento a un altro video nella Collezione SciEd Essentials of Neuroscience di JOVE, fMRI: Functional Magnetic Resonance Imaging.
Nel contesto qui presentato, quando una parte del corpo, come il piede sinistro, si flette avanti e indietro, il flusso sanguigno cerebrale ossigenato, fornito dalle arterie del cervello, aumenta a regioni neurali attive durante questo movimento, come la corteccia motoria primaria.
Tuttavia, questa risposta emodinamica avviene più lentamente del movimento fisico effettivo, il che garantisce che le azioni siano separate da periodi di riposo.
Pertanto, ogni movimento del corpo è cronostazio con precisione per distinguere le quattro condizioni l'una dall'altra: mano sinistra, piede sinistro, mano destra e piede destro.
Ad esempio, ai partecipanti a una macchina fMRI viene chiesto di iniziare a gesticolare la mano sinistra quando ne appare una sul lato sinistro di una schermata di presentazione.
Il movimento della mano richiesto è in realtà complesso e comporta il tocco del pollice su ciascun dito, in ordine, a partire dal puntatore. Quindi, il partecipante deve ripetere queste azioni nella direzione opposta, iniziando con il mignolo.
Il movimento viene interrotto quando il segnale, in questo caso l'immagine della mano sinistra, scompare dallo schermo.
Allo stesso modo, quando vedono un piede a destra, vengono istruiti a muovere il piede destro spingendolo ripetutamente verso il basso, fino a quando l'immagine scompare.
Qui, la variabile dipendente è l'intensità della risposta BOLD dopo un movimento dalla mano o dal piede, che può quindi essere localizzato in specifiche regioni del cervello.
Per un movimento della mano sinistra, l'attivazione cerebrale è prevista principalmente sulla superficie dorsolaterale destra del giro precentrale. Al contrario, per un movimento della mano destra, l'attivazione cerebrale è prevista sulla superficie dorsolaterale sinistra. Questi risultati si allineerebbero con l'omuncolo motorio lateralizzato.
Prima dell'esperimento, reclutare partecipanti che sono destrimani, hanno una visione normale o corretta a quella normale, non hanno impianti metallici nel loro corpo o soffrono di claustrofobia a causa del controllo sperimentale e dei problemi di sicurezza.
Chiedere loro di compilare i documenti pre-scansione, che includono domande relative a problemi di salute e sicurezza durante la sessione, come il consenso per un radiologo a guardare le loro immagini in caso di risultati incidentali, oltre a dettagliare i rischi e i benefici dello studio.
Chiedi al partecipante di rimuovere anche tutti gli oggetti metallici dal proprio corpo, inclusi orologi, telefoni, portafogli, chiavi, cinture e monete, per prepararsi ad entrare nella sala di scansione.
Quindi, spiega le regole dell'attività: l'appendice che devono spostare, in questo caso il loro piede, apparirà come un segnale visivo sul lato corrispondente dello schermo. Dimostra come dovrebbero muovere il piede premendolo ripetutamente verso il basso, come se spingessero su un pedale immaginario.
Quando appare un segnale della mano, devono toccare il pollice a ciascun dito della stessa mano in ordine e quindi ripetere questa sequenza al contrario.
Ora, porta il partecipante nella stanza delle immagini. Fornire tappi per le orecchie per proteggere le orecchie da rumori forti e auricolari in modo che possano sentire qualsiasi comunicazione aggiuntiva durante la sessione. Puoi sdraiarli sul letto con la testa nella bobina e fissarla con cuscinetti di schiuma per evitare movimenti eccessivi e sfocature durante la scansione.
Sopra gli occhi dei partecipanti, posiziona uno specchio che rifletta uno schermo sul retro del foro dello scanner. Quindi, dai loro una palla da spremere da usare in caso di emergenza. Ricorda anche loro che è molto importante rimanere il più fermi possibile per tutto il tempo.
Dopo aver guidato il partecipante all'interno della macchina, raccogliere prima immagini anatomiche ad alta risoluzione. Per iniziare la porzione funzionale, sincronizzare la presentazione dello stimolo con l'avvio dello scanner.
Presenta i segnali visivi tramite un laptop collegato a un proiettore, ciascuno per 12 s, seguito da 12 s di baseline a riposo. Alterna tra le quattro condizioni: mano sinistra, mano destra, piede sinistro e piede destro, ripetendo ogni quattro volte entro 6,5 minuti.
Una volta completata la scansione, dirigere il partecipante fuori dalla stanza. Informali e fornisci un compenso per la loro partecipazione allo studio.
Come primo passo dell'analisi, pre-elaborare i dati eseguendo la correzione del movimento per ridurre gli artefatti, il filtraggio temporale per rimuovere le derive del segnale e lo smoothing spaziale per aumentare il rapporto segnale-rumore.
Utilizzando questi dati, creare un modello della risposta emodinamica prevista per ogni condizione di attività. Quindi, adatta i dati a questo modello, risultando in una mappa statistica per ciascun soggetto, in cui il valore di ciascun voxel, un pixel 3D di volume, rappresenta la misura in cui quel voxel è stato coinvolto nella condizione dell'attività.
Registra il cervello del partecipante su un atlante standard per combinare i dati di ciascun partecipante. Quindi, combina tutte le mappe statistiche tra i partecipanti per un'analisi a livello di gruppo. Si noti che i cambiamenti nel flusso sanguigno sono rappresentati da diversi colori sulla superficie del cervello.
I movimenti della mano destra, mostrati in blu, producevano la maggiore attivazione sulla superficie laterale sinistra del giro precentrale, mentre l'impegno della mano sinistra, rappresentata in verde, produceva la maggiore attivazione sulla superficie laterale destra.
Inoltre, la flessione del piede destro, indicata dall'azzurro, produceva attivazione sulla superficie mediale sinistra, mentre la maggiore attivazione per i movimenti del piede sinistro, in giallo, era sulla superficie mediale destra.
Questi risultati suggeriscono che le azioni motorie possono essere localizzate in regioni discrete della corteccia motoria primaria in entrambi gli emisferi, sostenendo l'omuncolo motorio.
Ora che hai familiarità con l'esecuzione di un esperimento fMRI per osservare l'organizzazione della corteccia motoria primaria, consideriamo come il cervello gestisce il movimento dopo il danno o dopo l'attaccamento degli arti protesici.
Danni al giro precentrale sinistro, come da un ictus, possono portare a difficoltà nel muovere il lato destro del corpo.
Come hai imparato in questo video, le parti specifiche che vengono colpite dipendono dall'entità della lesione: le menomazioni potrebbero essere piccole e interessare un singolo dito, o abbastanza grandi da influenzare tutte le cifre e l'intero braccio.
Mentre le rappresentazioni sembrano semplici, la corteccia motoria primaria non funziona da sola, in quanto è solo un segmento all'interno di una rete più ampia di regioni coinvolte nella selezione, pianificazione e coordinamento del movimento. Pertanto, localizzare i danni potrebbe non essere così facile come sembra.
Un potenziale approccio terapeutico per migliorare la funzione degli arti negli amputati coinvolge le interfacce cervello-computer. Questo metodo tecnicamente avanzato si basa su segnali elettromiografici o EMG, la comunicazione elettrica tra motoneuroni e movimenti muscolari.
I ricercatori stanno sviluppando modi per integrare le registrazioni EMG con le protesi degli arti per controllare più facilmente i comportamenti motori, come stare in piedi o persino camminare su una rampa.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE alle mappe automobilistiche. Ora dovresti avere una buona comprensione di come progettare e condurre l'esperimento fMRI e, infine, come analizzare e interpretare i risultati dell'attivazione cerebrale.
Grazie per l'attenzione!
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Results
In questo esperimento, i ricercatori hanno misurato l'attività cerebrale con la fMRI, mentre i partecipanti muovevano le mani o i piedi. L'analisi statistica dei cambiamenti nel flusso sanguigno è rappresentata da diversi colori sulla superficie del cervello dell'atlante standard. I colori identificano i voxel, il cui corso temporale corrispondeva meglio al corso temporale previsto per una condizione specifica.
I risultati mostrano diversi focolai di attivazione all'interno del giro precentrale per il movimento dei diversi arti (Figura 2). Il movimento della mano destra ha prodotto la maggiore attivazione sulla superficie laterale sinistra del giro (blu), mentre il movimento della mano sinistra ha prodotto la maggiore attivazione sulla superficie laterale destra (verde). Quando i partecipanti muovevano i piedi, l'attivazione era maggiore dove il giro precentrale si estende intorno alla superficie mediale del cervello. I movimenti del piede destro producevano attivazione sulla superficie mediale sinistra (ciano), mentre la maggiore attivazione per i movimenti del piede sinistro era sulla superficie mediale destra (giallo).
Figura 2: Attivazioni cerebrali derivanti dal movimento delle mani e dei piedi tra i partecipanti. Blu = Movimento della mano destra; Verde = Movimento della mano sinistra; Ciano = Movimento del piede destro; Giallo = Movimento del piede sinistro.
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Applications and Summary
Questi risultati dimostrano l'organizzazione somatotopica o mappata dal corpo della corteccia motoria primaria umana. Questa mappatura ha implicazioni su come il danno al cervello influisce sul movimento. Ad esempio, il danno al giro precentrale sinistro porta a difficoltà nel muovere il lato destro del corpo e le parti specifiche della corteccia motoria primaria interessate possono portare a problemi nel controllo di parti specifiche del corpo. Tuttavia, è anche importante notare che la corteccia motoria primaria è solo una delle tante regioni del cervello coinvolte nel controllo del movimento. Il giro precentrale fa parte di una più ampia rete di regioni cerebrali che partecipano alla selezione, alla pianificazione e al coordinamento del movimento.
La capacità di misurare l'attività effettore-specifica nella corteccia motoria porta anche alla possibilità di interfacce cervello-computer, come quelle che consentono il controllo degli arti protesici. Ad esempio, utilizzando registrazioni dirette dei neuroni nella corteccia motoria primaria, i ricercatori hanno dimostrato che le scimmie possono controllare un arto protesico per nutrirsi. 3
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References
- Lotze, M., et al. fMRI evaluation of somatotopic representation in human primary motor cortex. Neuroimage 11, 473-481 (2000).
- Rao, S.M., et al. Somatotopic mapping of the human primary motor cortex with functional magnetic resonance imaging. Neurology 45, 919-924 (1995).
- 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).
