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Utilizzo di TMS per misurare l'eccitabilità motoria durante l'osservazione dell'azione
 
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Utilizzo di TMS per misurare l'eccitabilità motoria durante l'osservazione dell'azione

Overview

Fonte: Laboratori di Jonas T. Kaplan e Sarah I. Gimbel—University of Southern California

La stimolazione magnetica transcranica (TMS) è una tecnica di stimolazione cerebrale non invasiva che prevede il passaggio di corrente attraverso una bobina isolata posizionata contro il cuoio capelluto. Un breve campo magnetico viene creato dalla corrente nella bobina e, a causa del processo fisico di induzione, questo porta a una corrente nel tessuto neurale vicino. A seconda della durata, della frequenza e dell'entità di questi impulsi magnetici, i circuiti neurali sottostanti possono essere influenzati in molti modi diversi. Qui, dimostriamo la tecnica del TMS a impulso singolo, in cui un breve impulso magnetico viene utilizzato per stimolare la neocorteccia.

Un effetto osservabile della TMS è che può produrre contrazioni muscolari quando applicato sulla corteccia motoria. A causa dell'organizzazione somatotopica della corteccia motoria, diversi muscoli possono essere presi di mira a seconda del posizionamento preciso della bobina. I segnali elettrici che causano queste contrazioni muscolari, chiamati potenziali evocati motori, o MEP, possono essere registrati e quantificati da elettrodi posizionati sulla pelle sopra il muscolo bersaglio. L'ampiezza dei deputati può essere interpretata per riflettere l'eccitabilità sottostante della corteccia motoria; ad esempio, quando la corteccia motoria viene attivata, i deputati osservati sono più grandi.

In questo esperimento, basato su uno studio originariamente condotto da Fadiga e colleghi1 e da allora replicato da molti altri,2 utilizziamo TMS a impulso singolo per testare l'eccitabilità della corteccia motoria durante l'osservazione dell'azione. È noto che la corteccia motoria può essere attivata non solo quando ci muoviamo, ma quando guardiamo gli altri eseguire movimenti. Un'interpretazione comune di questo fenomeno è che riflette un processo di simulazione che può svolgere un ruolo nella comprensione delle azioni degli altri. Qui registreremo i MEP evocati dalla TMS sulla corteccia motoria primaria mentre i soggetti osservano i movimenti degli altri rispetto agli stimoli di controllo.

Procedure

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1. Recluta 20 partecipanti.

  1. I partecipanti dovrebbero essere destrimani e non avere una storia di disturbi neurologici o psicologici.
  2. I partecipanti dovrebbero avere una visione normale o corretta a normale per garantire che saranno in grado di vedere correttamente gli stimoli visivi.

2. Procedure pre-esperimento

  1. Ottenere il consenso scritto del partecipante e spiegare cosa è coinvolto nell'esperimento.
  2. Spiega che il partecipante guarderà una serie di brevi video mentre gli impulsi TMS vengono consegnati al cervello. Il soggetto potrebbe sperimentare un leggero tocco sulla testa dalla bobina TMS, ma non ci dovrebbe essere un grande disagio associato alla partecipazione.

3. Preparare il soggetto per TMS.

  1. Sedere il soggetto su una comoda sedia di fronte allo schermo di un computer. Il loro gomito dovrebbe essere piegato con un angolo di 90º e la mano dovrebbe giacere comodamente prona.
  2. Utilizzare un sottogola per fissare il movimento della testa, assicurandosi che gli occhi del soggetto siano a circa 50 cm dallo schermo del computer.
  3. Preparare la pelle della mano per il posizionamento dell'elettrodo EMG pulendo con alcool.
  4. Posizionare due elettrodi EMG sul muscolo interosseo (FDI) della prima dorsale della mano destra.
    1. Individua la posizione di picco della tensione muscolare chiedendo al partecipante di flettere il muscolo FDI e posizionare il primo elettrodo in quella posizione.
    2. Posizionare un secondo elettrodo di riferimento sull'osso vicino della mano.
  5. Collegare gli elettrodi EMG a un computer che digitalizza, amplifica, filtra e visualizza il segnale.

4. Localizzare e calibrare TMS.

  1. Istruire i partecipanti a rilassare la mano, in modo che non vi sia tensione muscolare.
  2. Utilizzare una bobina TMS figure-8 per individuare la corteccia motoria primaria.
    1. Posizionare la bobina contro la superficie controlaterale (sinistra) della testa sulla parte anteriore del cuoio capelluto.
    2. Fornire una serie di singoli impulsi TMS, spostando sistematicamente la posizione della bobina fino a quando le contrazioni sono visibili nel muscolo FDI e gli eurodeputati registrati sono stabili e affidabili. L'intensità della stimolazione può essere regolata secondo necessità durante questa fase per aiutare a localizzare l'hotspot.
  3. Determinare la soglia motoria del soggetto.
    1. Trova la forza di uscita minima dello stimolatore che produce un MEP superiore a 50 μV su 5 stimolazioni su 10. Registrare questo valore.
  4. Misurare l'ampiezza del MEP a riposo.
    1. Erogare una serie di 10 impulsi TMS, ciascuno separato da 15 s, in assenza di qualsiasi stimolo per misurare l'ampiezza MEP di base.

5. Compito sperimentale

  1. Riproduci una serie di stimoli video a 5,uno alla volta.
    1. Esistono tre tipi di video: osservazione del movimento della mano, osservazione del movimento del braccio e controllo.
      1. Nei video di controllo, una tazza viene presentata su un tavolo e una mano destra riposa nelle vicinanze. Non viene effettuato alcun movimento.
      2. Nei video di azione della mano, la mano destra raggiunge e afferra la tazza. Questa azione comporta la contrazione del muscolo FDI.
      3. Nei video di azione del braccio, il braccio destro raggiunge, viene sollevato e spostato nell'area. Non viene eseguita alcuna azione di presa e quindi il muscolo FDI non è coinvolto.
    2. Riproduci ogni video 10 volte, con 15 s di riposo dopo ognuno, per un totale di 30 video. Riproduci i video in ordine casuale.
  2. Durante il video, erogare un impulso TMS al 120% della soglia del motore.
    1. Cronota il polso in modo che coincida con l'azione nel video. Per raggiungere questo obiettivo, l'impulso dovrebbe verificarsi 2 s dopo l'inizio del video.

6. Analizza i dati.

  1. Per ogni deputato al Parlamento europeo, calcolare l'ampiezza da picco a picco.
  2. Scartare i DEPUTATI che si verificano prima della stimolazione TMS o più di 100 ms dopo la stimolazione per rimuovere i picchi spuri.
  3. Per ogni soggetto, calcolare l'ampiezza media meP per la linea di base, l'osservazione dell'azione e le condizioni di controllo.
  4. Eseguire l'analisi della varianza (ANOVA) sui dati del gruppo per testare l'ipotesi che l'ampiezza MEP sia influenzata dall'osservazione dell'azione.

La stimolazione magnetica transcranica, abbreviata in TMS, è una tecnica che può essere utilizzata per indagare non solo le connessioni tra il cervello e i diversi muscoli, ma anche come cambia l'attività cerebrale quando una persona osserva i movimenti negli altri.

Ogni giorno, una persona muove consapevolmente i muscoli per eseguire determinate azioni, come agitare il braccio destro per colpire una palla da tennis con una racchetta.

Tutti questi movimenti muscolari volontari sono il risultato dell'eccitazione nella corteccia motoria, che si trova sulla superficie del cervello, appena sotto il cuoio capelluto.

È importante sottolineare che il movimento di diverse parti del corpo, che si tratti del braccio destro o della gamba sinistra, è controllato da gruppi di neuroni in distinte regioni della corteccia motoria.

Ad esempio, quando i neuroni vicino alla parte in alto a destra della testa sono eccitati, possono produrre segnali elettrici che viaggiano attraverso il cervello verso la colonna vertebrale e quindi verso i muscoli del braccio sinistro.

In risposta, le cellule muscolari producono i propri segnali elettrici, che portano alla contrazione e al movimento.

È interessante notare che la ricerca ha dimostrato che le regioni della corteccia motoria si attivano non solo quando una persona esegue un'azione da sola, ma anche quando guarda qualcun altro muoversi, come un meccanico che colpisce una macchina con il braccio sinistro.

TMS fornisce ai ricercatori un modo per sondare la facilitazione che l'osservazione dell'azione provoca nei neuroni della corteccia motoria.

Attraverso le tecniche TMS di Luciano Fadiga e colleghi, questo video dimostra come indagare la relazione tra osservazione dell'azione, eccitazione della corteccia motoria e attività muscolare.

In questa procedura, i partecipanti sono sottoposti a due fasi - localizzazione e calibrazione TMS e un compito sperimentale - per identificare se le aree della loro corteccia motoria sono eccitate quando osservano un'azione eseguita da qualcun altro.

Lo scopo della prima fase è identificare la regione del cervello responsabile dello spostamento di un muscolo specifico nella mano destra del partecipante – il primo interosseo dorsale, abbreviato in FDI – situato tra il pollice e l'indice.

Una bobina TMS figura-otto viene quindi posizionata contro il cuoio capelluto sopra la corteccia motoria. È posizionato a sinistra della testa, poiché questo emisfero del cervello dirige il movimento sul lato destro del corpo.

Allo stesso tempo, gli elettrodi sono posizionati sopra l'IDE e l'osso vicino sulla mano destra del soggetto, in modo che qualsiasi attività elettrica in questo muscolo possa essere rilevata e registrata.

La bobina viene quindi utilizzata per fornire un singolo impulso al cuoio capelluto, che crea un breve campo magnetico che, attraverso l'induzione, porta a una corrente elettrica nel tessuto neurale sottostante.

I neuroni, principalmente quelli sotto il centro della bobina, sono attivati da questo e, di conseguenza, generano segnali che, simili a quelli per i movimenti coscienti, viaggiano verso i muscoli bersaglio.

In risposta, vengono creati ulteriori segnali elettrici chiamati potenziali evocati dal motore, MEP, che possono essere registrati e visualizzati come picchi su un grafico, dove i millivolt sono tracciati sull'asse Y e il tempo sull'asse X.

Questi deputati fanno sì che i muscoli si contraggano fisicamente, movimento che può essere osservato. Se un tale spasmo si verifica in un muscolo diverso dall'IDE, come nella parte superiore del braccio, la regione corretta della corteccia motoria non è stata localizzata.

In questo caso, la bobina viene spostata leggermente e utilizzata per fornire un altro singolo impulso, con qualsiasi movimento risultante che viene notato. Questo viene ripetuto fino a quando le contrazioni non sono viste nel giusto IDE, un indicatore che la sua rappresentazione nella corteccia motoria è stata trovata.

Una volta che questa regione è stata localizzata, la forza dello stimolo TMS viene modificata, viene somministrato un nuovo impulso e viene registrato il MEP risultante. Viene prestata particolare attenzione all'ampiezza, misurata dal picco positivo più alto al punto negativo più basso, di questo segnale.

Queste regolazioni continuano fino a quando non viene trovata un'impostazione che produce MEP con ampiezze superiori a 50 μV nella metà delle fasi, un'intensità di stimolo denominata soglia motoria del partecipante.

Diversi impulsi TMS individuali al 120% della soglia motoria vengono quindi somministrati al di sopra della regione FDI destra della corteccia motoria e i MEP al basale vengono registrati per ciascuno.

Nella seconda fase, il compito sperimentale, ai partecipanti viene chiesto di guardare tre tipi di film che coinvolgono movimenti del braccio o della mano, mantenendo le proprie parti del corpo fermi.

Il primo tipo di filmato, chiamato video di azione manuale, mostra una mano destra che si prote e afferra una tazza, un'azione che richiede l'IDE. Queste clip valuteranno come l'osservazione di un movimento basato su IDE influisce sull'attività nella regione associata agli IDE della corteccia motoria.

Al contrario, i video di azione del braccio coinvolgono un braccio destro che si solleva e si muove in un'area con una tazza, movimenti indipendenti dall'IDE. Questo filmato valuterà la specificità, se l'area della corteccia motoria responsabile della giusta contrazione degli IDE può essere eccitata dall'osservazione di movimenti che non coinvolgono questo muscolo.

Il terzo tipo sono i video di controllo, che mostrano una mano destra ferma appoggiata accanto a una tazza, senza alcun tipo di movimento muscolare.

Quando viene eseguito il compito effettivo, una bobina TMS viene nuovamente posizionata sopra la regione del cervello responsabile del corretto movimento degli IDE. Quindi, i partecipanti guardano i video in ordine casuale, con ogni tipo ripetuto 10 volte.

Quando il movimento muscolare si verifica nel filmato, circa 2 s dopo l'avvio di un video di azione della mano o del braccio, la bobina TMS viene utilizzata per fornire un singolo impulso elettromagnetico.

Allo stesso modo, sebbene nessun movimento sia raffigurato nei video di controllo, un impulso viene somministrato 2 s dopo l'inizio di tali clip. In tutti i casi, che si tratti di video di controllo, braccio o azione manuale, vengono registrati i deputati generati dal giusto IDE.

Qui, la variabile dipendente è l'ampiezza MEP. Sulla base del lavoro precedente, ci si aspetta che i deputati registrati dagli IDE dopo l'osservazione di filmati d'azione a mano saranno maggiori di quelli registrati durante la visione di film d'azione o di controllo del braccio, riflettendo una maggiore attività degli IDE e quindi una maggiore eccitabilità della corteccia motoria.

Prima dell'inizio dell'esperimento, recluta 20 partecipanti che sono destrimani, hanno una visione normale e non hanno alcuna storia di disturbi neurologici e ottenere il consenso scritto da loro.

Spiega che guarderanno una serie di video, durante i quali le regioni del loro cervello saranno stimolate tramite TMS. Sottolinea che potrebbero sentire un leggero tocco sulla testa dalla bobina TMS, ma non dovrebbero provare un grande disagio.

Per iniziare, far sedere il partecipante su una sedia posizionata davanti allo schermo di un computer. Guida il gomito destro per riposare con un angolo di 90 ° e assicurati che il braccio destro e la mano siano comodamente proni.

Quindi, posiziona il mento in un sottogola, in modo che i loro occhi siano ad almeno 50 cm dallo schermo.

Per la registrazione MEP, pulire la pelle della mano destra del partecipante con alcol e fargli flettere il muscolo destro FDI premendo l'indice e il pollice insieme. Identificare la posizione di picco della tensione muscolare e posizionare un elettrodo di registrazione su di esso. Successivamente, posizionare un elettrodo di riferimento su un osso vicino nella mano. Inoltre fissare saldamente l'elettrodo di terra al gomito destro.

Una volta posizionati gli elettrodi, istruire il partecipante a rilassare la mano in modo che non vi sia tensione muscolare.

Quindi, posizionare una bobina TMS figure-8 contro il lato sinistro del cuoio capelluto del partecipante e utilizzarla per individuare la rappresentazione FDI destra nella corteccia motoria. Quando ciò si verifica, aspettatevi di osservare contrazioni del giusto IDE e deputati stabili registrati da questo muscolo.

Per la calibrazione, procedere alla regolazione delle impostazioni della bobina TMS fino a determinare la forza di uscita minima, che produce un MEP superiore a 50 μV su 5 stimolazioni su 10.

Registrare questo valore, che rappresenta la soglia motoria del partecipante. Una volta determinato, utilizzare queste impostazioni per fornire una serie di 10 impulsi TMS, ciascuno separato da 15 s, al partecipante, al fine di determinare l'ampiezza MEP di base.

Successivamente, il partecipante esegue il compito sperimentale mostrando loro i tre tipi di film - azione della mano, azione del braccio e controllo - in un ordine casuale. Tra ciascuno, includere un periodo di riposo di 15 s.

Assicurati che ogni video venga riprodotto 10 volte, per un totale di 30 film. Mentre il partecipante visualizza l'azione in ogni clip, circa 2 s dopo l'inizio del filmato, somministra un impulso TMS al 120% della soglia motoria.

Per analizzare i dati, per ogni MEP registrato, sia che si tratti di osservazioni di base, di azione o di condizioni video di controllo, calcolare l'ampiezza da picco a picco. Per eliminare i picchi spuri, scartare i deputati che si verificano prima della stimolazione TMS o più di 100 ms dopo la stimolazione.

Calcola l'ampiezza media del MEP per i movimenti delle mani e delle braccia, così come i video del poggiamano, ed esprimili come percentuale al di sopra della linea di base media.

Si noti che, per i video di azione manuale, l'ampiezza MEP registrata dal muscolo FDI era significativamente maggiore rispetto all'ampiezza di controllo, il che suggerisce un effetto di facilitazione per cui la corteccia motoria aumenta di eccitabilità durante l'osservazione dell'azione.

Tuttavia, i deputati registrati durante l'osservazione dell'azione armata erano molto più piccoli di quelli generati guardando i video di movimento della mano. Ciò indica che l'effetto di facilitazione è relativamente selettivo ed è specifico per la regione della corteccia motoria responsabile dei movimenti muscolari osservati.

Ora che sai come i ricercatori stanno usando TMS per studiare l'eccitabilità della corteccia motoria in risposta all'osservazione dell'azione, diamo un'occhiata a come questa tecnica viene applicata in altre applicazioni.

Fino ad ora, ci siamo concentrati sulla relazione tra osservare un movimento e la funzione della corteccia motoria. Tuttavia, alcuni ricercatori stanno esaminando se immaginare un'azione possa avere effetti anche sui deputati registrati.

Tale lavoro richiede che un partecipante si immagini mentre muove fisicamente una parte del corpo, come piegare il braccio destro, quando vengono somministrati singoli impulsi TMS.

Quando i deputati risultanti dai muscoli vengono valutati, si risulta che sono maggiori di quelli registrati durante gli scenari di controllo, quando il partecipante non immagina tale movimento.

Questo effetto è ulteriormente facilitato quando il partecipante osserva il movimento che sta immaginando. Collettivamente, questi risultati forniscono la prova di una relazione tra immaginazione e attivazione motoria.

Altri neuropsicologi stanno esplorando se le modifiche della TMS possono essere utilizzate per scopi terapeutici.

Ad esempio, c'è interesse nel fatto che la TMS possa aiutare a trattare l'afasia, una condizione in cui i pazienti hanno difficoltà a trasmettere informazioni verbali, come il nome di un oggetto, derivanti dall'ictus.

Qui, una regione del cervello chiamata giro frontale inferiore destro è stata stimolata nei pazienti con ictus usando la TMS ripetitiva, un metodo in cui gli impulsi vengono somministrati ripetutamente e rapidamente.

Quando ai pazienti è stato chiesto di identificare verbalmente oggetti, come aragoste o caminetti, mesi dopo la terapia, questo ha rivelato che la TMS ripetitiva aveva effetti positivi a lungo termine sulle capacità di denominazione degli individui, fornendo informazioni su come questo metodo può essere utilizzato per trattare i deficit cognitivi.

Hai appena visto il video di JoVE su TMS e osservazione d'azione. A questo punto, dovresti capire come tms può essere utilizzato per valutare l'attività nella corteccia motoria dopo aver visto un movimento muscolare. Dovresti anche sapere come stimolare le regioni del cervello con una bobina TMS, presentare stimoli di osservazione e raccogliere e interpretare i dati MEP. Infine, dovresti renderti conto di come tms viene utilizzato in altre applicazioni, come nelle terapie per le vittime di ictus.

Grazie per l'attenzione!

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Results

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Un confronto delle ampiezze dei deputati al PE rivela un effetto di facilitazione (Figura 1). L'ampiezza del MEP registrata dal muscolo FDI è significativamente maggiore durante i video di azione della mano rispetto ai video di controllo. Questo risultato suggerisce che la corteccia motoria aumenta di eccitabilità durante l'osservazione dell'azione.

Figure 1
Figura 1: Ampiezza del MEP durante l'osservazione dell'azione. I potenziali evocati dal primo muscolo interosseo dorsale sono maggiori quando si osserva un movimento della mano, rispetto a un movimento del braccio o a un video di controllo che non mostra alcuna azione.

In particolare, l'effetto di facilitazione è relativamente selettivo per i video che coinvolgono un'azione di presa, poiché i deputati registrati durante l'osservazione del video del movimento del braccio mostrano deputati più piccoli rispetto al video di azione della mano. Ciò suggerisce che la facilitazione motoria che si verifica durante l'osservazione dell'azione non influisce sull'intera corteccia motoria, ma è invece specifica per i movimenti muscolari osservati. In effetti, l'effetto di facilitazione motoria sembra essere specifico non solo per quale muscolo viene osservato, ma anche per quando si osserva il muscolo. Ad esempio, Gangitano et al. hanno dimostrato la correlazione temporale tra l'eccitabilità motoria e le dinamiche d'azione osservate. 3

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Applications and Summary

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La tecnica TMS a singolo impulso si presta bene allo studio della corteccia motoria, sia per la posizione accessibile di questa corteccia sulla superficie frontale del cervello, sia per la reazione direttamente osservabile prodotta nel muscolo sotto forma di MEP. La misurazione dell'eccitabilità motoria cortico-spinale ha fornito ulteriore supporto al fenomeno della simulazione motoria durante l'osservazione dell'azione nell'uomo. Questa attività motoria risonante può avere implicazioni per il comportamento sociale, ad esempio nel contribuire al processo di comprensione di ciò che gli altri stanno facendo. Inoltre, questa stessa tecnica ha fornito prove di attivazione motoria durante l'immaginazione dell'azione,4 un processo che può essere importante per migliorare le prestazioni attraverso le prove mentali.

La robustezza e la specificità dell'effetto di facilitazione motoria possono riflettere la sofisticazione delle rappresentazioni motorie di un individuo. Ad esempio, la dinamica temporale della facilitazione motoria è direttamente correlata alla competenza motoria. 5 Questo effetto viene interrotto anche con disturbi del movimento, aprendo la possibilità che la misurazione dei potenziali motori indotti dalla TMS possa essere utilizzata come modo per valutare la salute della corteccia motoria, come nel recupero da ictus o altre malattie cerebrali. 6

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References

  1. Fadiga, L., Fogassi, L., Pavesi, G. & Rizzolatti, G. Motor facilitation during action observation: a magnetic stimulation study. J Neurophysiol 73, 2608-2611 (1995).
  2. Fadiga, L., Craighero, L. & Olivier, E. Human motor cortex excitability during the perception of others' action. Curr Opin Neurobiol 15, 213-218 (2005).
  3. Gangitano, M., Mottaghy, F.M. & Pascual-Leone, A. Phase-specific modulation of cortical motor output during movement observation. Neuroreport 12, 1489-1492 (2001).
  4. Wright, D.J., Williams, J. & Holmes, P.S. Combined action observation and imagery facilitates corticospinal excitability. Front Hum Neurosci 8, 951 (2014).
  5. Aglioti, S.M., Cesari, P., Romani, M. & Urgesi, C. Action anticipation and motor resonance in elite basketball players. Nat Neurosci 11, 1109-1116 (2008).
  6. Koski, L., Lin, J.C., Wu, A.D. & Winstein, C.J. Reliability of intracortical and corticomotor excitability estimates obtained from the upper extremities in chronic stroke. Neurosci Res 58, 19-31 (2007).

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