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Usando TMS para medir a excitabilidade motora durante a observação de ação
 
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Usando TMS para medir a excitabilidade motora durante a observação de ação

Overview

Fonte: Laboratórios de Jonas T. Kaplan e Sarah I. Gimbel - Universidade do Sul da Califórnia

Estimulação Magnética Transcraniana (TMS) é uma técnica de estimulação cerebral não invasiva que envolve a passagem da corrente através de uma bobina isolada colocada contra o couro cabeludo. Um breve campo magnético é criado pela correnteza na bobina, e devido ao processo físico de indução, isso leva a uma corrente no tecido neural próximo. Dependendo da duração, frequência e magnitude desses pulsos magnéticos, os circuitos neurais subjacentes podem ser afetados de muitas maneiras diferentes. Aqui, demonstramos a técnica de TMS de pulso único, na qual um breve pulso magnético é usado para estimular o neocórtex.

Um efeito observável do TMS é que ele pode produzir contrações musculares quando aplicado sobre o córtex motor. Devido à organização somatotópica do córtex motor, diferentes músculos podem ser direcionados dependendo da colocação precisa da bobina. Os sinais elétricos que causam esses contratempos musculares, chamados potenciais evocados motores, ou MEPs, podem ser registrados e quantificados por eletrodos colocados na pele sobre o músculo alvo. A amplitude dos deputados pode ser interpretada para refletir a excitabilidade subjacente do córtex motor; por exemplo, quando o córtex motor é ativado, os MEPs observados são maiores.

Neste experimento, baseado em um estudo originalmente realizado por Fadiga e colegas1 e desde que replicado por muitos outros,2 usamos TMS de pulso único para testar a excitabilidade do córtex motor durante a observação de ação. Sabe-se que o córtex motor pode ser ativado não só quando nos movemos, mas quando vemos outros realizarem movimentos. Uma interpretação comum desse fenômeno é que ele reflete um processo de simulação que pode desempenhar um papel na compreensão das ações dos outros. Aqui registraremos os deputados evocados pelo TMS sobre o córtex motor primário, enquanto os sujeitos observam os movimentos de outros em comparação com os estímulos de controle.

Procedure

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1. Recrute 20 participantes.

  1. Os participantes devem ser destros e não ter histórico de distúrbios neurológicos ou psicológicos.
  2. Os participantes devem ter uma visão normal ou corrigida para garantir que eles possam ver os estímulos visuais corretamente.

2. Procedimentos pré-experimento

  1. Obtenha consentimento por escrito do participante e explique o que está envolvido no experimento.
  2. Explique que o participante assistirá a uma série de vídeos curtos enquanto os pulsos TMS são entregues em seu cérebro. O sujeito pode ter um leve toque na cabeça da bobina TMS, mas não deve haver grande desconforto associado à participação.

3. Prepare o assunto para TMS.

  1. Sente o assunto em uma cadeira confortável em frente a uma tela de computador. Seu cotovelo deve ser dobrado em um ângulo de 90º, e a mão deve ficar confortavelmente propensa.
  2. Use um encosto de queixo para corrigir o movimento da cabeça, garantindo que os olhos do sujeito estejam a cerca de 50 cm da tela do computador.
  3. Prepare a pele da mão para a colocação do eletrodo EMG limpando com álcool.
  4. Coloque dois eletrodos EMG no músculo interosseous da primeira dorsal (IED) da mão direita.
    1. Local de pico de tensão muscular pedindo ao participante para flexionar seu músculo FDI e colocar o primeiro eletrodo naquele local.
    2. Coloque um segundo eletrodo de referência no osso próximo da mão.
  5. Conecte os eletrodos EMG a um computador que digitaliza, amplifica, filtra e exibe o sinal.

4. Localizar e calibrar TMS.

  1. Instrua os participantes a relaxar em suas mãos, para que não haja tensão muscular.
  2. Use uma bobina TMS de figura 8 para localizar o córtex do motor primário.
    1. Coloque a bobina contra a superfície contralateral (esquerda) da cabeça na porção anterior do couro cabeludo.
    2. Entregue uma série de pulsos TMS individuais, movendo sistematicamente a localização da bobina até que os contrações sejam visíveis no músculo FDI e os MEPs registrados sejam estáveis e confiáveis. A intensidade de estimulação pode ser ajustada conforme necessário durante esta fase para auxiliar na localização do hotspot.
  3. Determine o limiar motor do sujeito.
    1. Encontre a força mínima de produção estimuladora que produz um MEP superior a 50 μV em 5 de 10 estímulos. Registo esse valor.
  4. Meça a amplitude do EURO descansando.
    1. Entregar uma série de 10 pulsos TMS, cada um separado por 15 s, na ausência de qualquer estímulo para medir a amplitude mep da linha de base.

5. Tarefa experimental

  1. Reprodução uma série de estímulos de vídeo 5-s, um de cada vez.
    1. Existem três tipos de vídeos: observação do movimento da mão, observação do movimento do braço e controle.
      1. Nos vídeos de controle, um copo é apresentado em uma mesa, e uma mão direita descansa nas proximidades. Nenhum movimento é feito.
      2. Nos vídeos de ação manual, a mão direita alcança e agarra o copo. Esta ação envolve contração do músculo FDI.
      3. Nos vídeos de ação do braço, o braço direito alcança, é levantado e movido ao redor da área. Não há ação de apreensão realizada, e por isso o músculo FDI não está envolvido.
    2. Reproduza cada vídeo 10 vezes, com 15 s de descanso após cada um, para um total de 30 vídeos. Reprodução os vídeos em ordem aleatória.
  2. Durante o vídeo, entregue um pulso TMS a 120% do limiar do motor.
    1. Cronometre o pulso para coincidir com a ação no vídeo. Para isso, o pulso deve ocorrer 2 s após o início do vídeo.

6. Analise os dados.

  1. Para cada deputado, calcule a amplitude de pico ao pico.
  2. Descarte os meps que ocorram antes da estimulação do TMS ou mais de 100 ms após a estimulação para remover picos espúrios.
  3. Para cada sujeito, calcule a amplitude média do MEP para as condições de base, observação da ação e controle.
  4. Realizar a análise da variância (ANOVA) nos dados do grupo para testar a hipótese de que a amplitude do MEP é afetada pela observação da ação.

Estimulação Magnética Transcraniana, abreviada como TMS, é uma técnica que pode ser usada para investigar não apenas as conexões entre o cérebro e diferentes músculos, mas também como a atividade cerebral muda quando uma pessoa observa movimentos em outros.

Todos os dias, uma pessoa move conscientemente seus músculos para realizar certas ações, como acenar com o braço direito para acertar uma bola de tênis com uma raquete.

Todos esses movimentos musculares voluntários são o resultado da excitação no córtex motor, que está localizado na superfície do cérebro, logo abaixo do couro cabeludo.

É importante ressaltar que o movimento de diferentes partes do corpo — seja o braço direito ou a perna esquerda — é controlado por conjuntos de neurônios em regiões distintas do córtex motor.

Por exemplo, quando os neurônios perto do canto superior direito da cabeça estão animados, eles podem produzir sinais elétricos que viajam através do cérebro para a coluna vertebral, e depois para músculos no braço esquerdo.

Em resposta, as células musculares produzem seus próprios sinais elétricos, o que leva à contração e ao movimento.

Curiosamente, pesquisas mostraram que regiões do córtex motor são ativadas não apenas quando uma pessoa realiza alguma ação, mas também quando vê outra pessoa se mover — como um mecânico batendo em uma máquina com o braço esquerdo.

A TMS fornece aos pesquisadores uma maneira de sondar a facilitação que a observação de ação causa nos neurônios do córtex motor.

Através das técnicas de TMS de Luciano Fadiga e colegas, este vídeo demonstra como investigar a relação entre observação de ação, excitação do córtex motor e atividade muscular.

Neste procedimento, os participantes são submetidos a duas fases — localização e calibração de TMS e uma tarefa experimental — para identificar se as áreas do córtex motor estão animadas quando observam uma ação realizada por outra pessoa.

O objetivo da primeira fase é identificar a região cerebral responsável por mover um músculo específico na mão direita do participante — a primeira dorsal interosseous, abreviada como FDI — localizada entre o polegar e o indicador.

Uma bobina TMS de oito dígitos é então colocada contra seu couro cabeludo acima do córtex motor. Está posicionado à esquerda da cabeça, enquanto este hemisfério do cérebro direciona o movimento no lado direito do corpo.

Ao mesmo tempo, os eletrodos são posicionados sobre o FDI e osso próximo na mão direita do sujeito, para que qualquer atividade elétrica neste músculo possa ser detectada e registrada.

A bobina é então usada para fornecer um único pulso ao couro cabeludo, o que cria um breve campo magnético que, através da indução, leva a uma corrente elétrica no tecido neural subjacente.

Os neurônios, principalmente aqueles abaixo do centro da bobina, são ativados por isso e, como resultado, geram sinais que, semelhantes aos movimentos conscientes, viajam para atingir os músculos.

Em resposta, sinais elétricos adicionais chamados potenciais evocados por motores, meps, são criados e podem ser gravados e visualizados como picos em um gráfico, onde os milvolts são plotados no eixo Y e no tempo no eixo X.

Esses meps fazem com que os músculos se contraam fisicamente — movimento que pode ser observado. Se tal espasmo ocorrer em um músculo diferente do FDI — como no braço superior — a região correta do córtex motor não foi localizada.

Neste caso, a bobina é movida ligeiramente e usada para entregar outro único pulso, com qualquer movimento resultante sendo observado. Isso se repete até que os contrações sejam vistos no FDI direito — um indicador de que sua representação no córtex motor foi encontrada.

Uma vez localizada esta região, a força do estímulo TMS é modificada, um novo pulso é administrado, e o MPE resultante é registrado. Atenção cuidadosa é dada à amplitude — medida do pico positivo mais alto ao menor ponto negativo — deste sinal.

Esses ajustes continuam até que se possa ver uma configuração que produz meps com amplitudes superiores a 50 μV na metade das fases — uma intensidade de estímulo referida como limiar motor do participante.

Vários pulsos TMS individuais a 120% do limiar do motor são então administrados acima da região direita-FDI do córtex motor, e os MEPs de linha de base são registrados para cada um.

Na segunda fase, a tarefa experimental, os participantes são convidados a assistir três tipos de filmes envolvendo movimentos de braço ou mão, mantendo suas próprias partes do corpo paradas.

O primeiro tipo de filmagem, chamada de vídeos de ação manual, mostram uma mão direita alcançando e segurando um copo — uma ação que requer o FDI. Esses clipes avaliarão como a observação de um movimento baseado em FDI afeta a atividade na região associada ao FDI do córtex motor.

Em contraste, os vídeos de ação de braço envolvem um braço direito levantando e movendo-se em torno de uma área com um copo — movimentos independentes do FDI. Esta filmagem avaliará a especificidade — se a área do córtex motor responsável pela contração correta do FDI pode ficar animada com a observação de movimentos que não envolvem este músculo.

O terceiro tipo são vídeos de controle, que mostram uma mão direita parada descansando ao lado de uma xícara, sem qualquer tipo de movimento muscular.

Quando a tarefa real é executada, uma bobina TMS é novamente colocada acima da região do cérebro responsável pelo movimento fdi certo. Em seguida, os participantes assistem aos vídeos em uma ordem aleatória, com cada tipo sendo repetido 10 vezes.

Quando o movimento muscular ocorre na filmagem — aproximadamente 2 s após o início de um vídeo de ação da mão ou do braço — a bobina TMS é usada para fornecer um único pulso eletromagnético.

Da mesma forma, embora nenhum movimento seja retratado nos vídeos de controle, um pulso é administrado 2 s após o início de tais clipes. Em todos os casos — sejam vídeos de ação de controle, braço ou mão — os MEPs gerados pelo FDI direito são gravados.

Aqui, a variável dependente são as amplitudes do MEP. Com base em trabalhos anteriores, espera-se que os MEPs registrados do FDI após observação de filmes de ação manual sejam maiores do que os registrados enquanto assistem filmes de ação ou controle de braço, refletindo maior atividade do FDI e, portanto, maior excitabilidade do córtex motor.

Antes do experimento começar, recrute 20 participantes que sejam destros, tenham visão normal e não tenham histórico de distúrbios neurológicos e obtenham consentimento por escrito deles.

Explique que eles estarão assistindo uma série de vídeos, durante os quais as regiões de seu cérebro serão estimuladas via TMS. Enfatize que eles podem sentir um leve toque na cabeça da bobina TMS, mas não devem sentir grande desconforto.

Para começar, o participante sente-se em uma cadeira posicionada em frente a uma tela de computador. Guie o cotovelo direito para descansar em um ângulo de 90° e certifique-se de que seu braço direito e mão estão confortavelmente propensos.

Em seguida, coloque o queixo em um encosto de queixo, de modo que seus olhos estarão a pelo menos 50 cm da tela.

Para a gravação do MEP, limpe a pele da mão direita do participante com álcool, e que flexione o músculo FDI direito pressionando o dedo indicador e o polegar juntos. Identifique o local máximo da tensão muscular e coloque um eletrodo de gravação nele. Depois, posicione um eletrodo de referência em um osso próximo na mão. Também aperte com segurança o eletrodo do solo no cotovelo direito.

Uma vez posicionados os eletrodos, instrua o participante a relaxar a mão para que não haja tensão muscular.

Em seguida, coloque uma bobina TMS figura-8 contra o lado esquerdo do couro cabeludo do participante e use-a para localizar a representação do FDI direito no córtex motor. Quando isso ocorrer, espere observar a contração do FDI direito, e os MEPs estáveis registrados a partir deste músculo.

Para calibração, proceda ao ajuste das configurações da bobina TMS até que a força mínima de saída — aquela que produz um MPP superior a 50 μV em 5 de 10 estímulos — seja determinada.

Regisso valor, que representa o limiar motor do participante. Uma vez determinado, use essas configurações para fornecer uma série de 10 pulsos TMS — cada um separado por 15 s — ao participante, a fim de determinar a amplitude mep da linha de base.

Posteriormente, o participante realize a tarefa experimental mostrando-lhes os três tipos de filmes — ação manual, ação de braço e controle — em uma ordem aleatória. Entre cada um, incluem um período de descanso de 15 s.

Certifique-se de que cada vídeo seja reproduzido 10 vezes, para um total de 30 filmes. À medida que o participante vê a ação em cada clipe — cerca de 2 s após o início do filme — administre um pulso TMS a 120% do limiar do motor.

Para analisar os dados, para cada MEP registrado — seja a partir da linha de base, observações de ação ou condições de vídeo de controle — calcule a amplitude de pico para pico. Para eliminar picos espúrios, descarte os MEPs que ocorram antes da estimulação do TMS ou mais de 100 ms após a estimulação.

Calcule a amplitude média do MEP para os movimentos de mão e braço, bem como os vídeos de descanso manual, e expresse-os como a porcentagem acima da linha de base média.

Observe que, para vídeos de ação manual, a amplitude do MEP registrada a partir do músculo FDI foi significativamente maior em relação à amplitude de controle, o que sugere um efeito de facilitação pelo qual o córtex motor aumenta a excitabilidade durante a observação da ação.

No entanto, os deputados registrados durante a observação da ação de braço eram muito menores do que aqueles gerados assistindo vídeos de movimento manual. Isso indica que o efeito de facilitação é relativamente seletivo, e é específico para a região do córtex motor responsável pelos movimentos musculares observados.

Agora que você sabe como os pesquisadores estão usando o TMS para investigar a excitabilidade do córtex motor em resposta à observação de ação, vamos ver como essa técnica é aplicada em outras aplicações.

Até agora, nos concentramos na relação entre assistir a uma função de movimento e córtex motor. No entanto, alguns pesquisadores estão analisando se a imaginação de uma ação também pode ter efeitos sobre os deputados registrados.

Tal trabalho exige que um participante se imagine movendo fisicamente uma parte do corpo — como dobrar o braço direito — quando pulsos TMS únicos são administrados.

Quando os mepídeos resultantes dos músculos são avaliados, eles são considerados maiores do que os registrados durante os cenários de controle — quando o participante não imagina tal movimento.

Esse efeito é ainda mais facilitado quando o participante observa o movimento que está imaginando. Coletivamente, esses resultados fornecem evidências de uma relação entre imaginação e ativação motora.

Outros neuropsicólogos estão explorando se modificações de TMS podem ser usadas para fins terapêuticos.

Por exemplo, há interesse em saber se o TMS pode ajudar a tratar a afasia — uma condição em que os pacientes têm dificuldade em transmitir informações verbais, como o nome de um objeto — resultantes de derrame.

Aqui, uma região do cérebro chamada giro frontal inferior direito foi estimulada em pacientes com AVC usando TMS repetitivo — um método onde os pulsos são administrados repetidamente e rapidamente.

Quando os pacientes foram solicitados a identificar verbalmente objetos — como lagostas ou lareiras — meses após a terapia, isso revelou que o TMS repetitivo tinha efeitos positivos a longo prazo sobre as capacidades de nomeação dos indivíduos, fornecendo insights sobre como esse método pode ser usado para tratar déficits cognitivos.

Você acabou de assistir o vídeo do JoVE no TMS e observação de ação. Agora, você deve entender como o TMS pode ser usado para avaliar a atividade no córtex motor depois de ver um movimento muscular. Você também deve saber como estimular regiões do cérebro com uma bobina TMS, apresentar estímulos de observação e coletar e interpretar dados de MEP. Finalmente, você deve perceber como o TMS está sendo usado em outras aplicações, como em terapias para vítimas de AVC.

Obrigado por assistir!

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Results

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A comparação das amplitudes do MEP revela um efeito de facilitação (Figura 1). A amplitude do MPE registrada a partir do músculo FDI é significativamente maior durante os vídeos de ação manual em comparação com vídeos de controle. Este resultado sugere que o córtex motor aumenta na excitabilidade durante a observação de ação.

Figure 1
Figura 1: Amplitude do MEP durante a observação da ação. Os potenciais evocados pelo motor do músculo interosseos do primeiro dorsal são maiores ao observar um movimento da mão, em comparação com um movimento do braço ou um vídeo de controle que não exibe nenhuma ação.

Notavelmente, o efeito de facilitação é relativamente seletivo para os vídeos que envolvem uma ação de apreensão, uma vez que os deputados gravados durante a observação do vídeo de movimento do braço mostram deputados menores em comparação com o vídeo de ação manual. Isso sugere que a facilitação motora que ocorre durante a observação de ação não afeta todo o córtex motor, mas sim específica para os movimentos musculares observados. Na verdade, o efeito de facilitação motora parece ser específico não apenas para qual músculo é observado, mas também para quando o músculo é observado. Por exemplo, Gangitano et al. demonstraram correlação temporal entre excitabilidade motora e dinâmica de ação observada. 3

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Applications and Summary

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A técnica TMS de pulso único se presta bem ao estudo do córtex motor, tanto pela localização acessível deste córtex na superfície frontal do cérebro, quanto pela reação diretamente observável produzida no músculo na forma de MEPs. A medição da excitabilidade motora cortico-espinhal forneceu apoio ainda maior para o fenômeno da simulação motora durante a observação de ação em humanos. Essa atividade motora ressonante pode ter implicações para o comportamento social, por exemplo, em contribuir para o processo de compreensão do que os outros estão fazendo. Além disso, essa mesma técnica forneceu evidências para a ativação motora durante a imaginação da ação,4 um processo que pode ser importante para melhorar o desempenho através do ensaio mental.

A robustez e a especificidade do efeito de facilitação motora podem refletir a sofisticação das representações motoras de um indivíduo. Por exemplo, a dinâmica temporal da facilitação motora está diretamente relacionada à perícia motora. 5 Este efeito também é interrompido com distúrbios de movimento, abrindo a possibilidade de que a medição de potenciais motores induzidos pelo TMS possa ser usada como forma de avaliar a saúde do córtex motor, como na recuperação de acidente vascular cerebral ou outra doença cerebral. 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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