Utilizzo della stimolazione magnetica transcranica (TMS) per la misurazione dell'eccitabilità della corteccia motoria durante l'osservazione di un'azione

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.

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.

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.

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

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