Mappe motorie

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

1. Recluta 20 partecipanti.

1. Confermare che i partecipanti non hanno una storia di disturbi neurologici o psicologici.
2. Confermare che i partecipanti siano tutti destrimani utilizzando il questionario di maneggevolezza.
3. Per garantire che i partecipanti possano vedere correttamente i segnali visivi, assicurarsi che abbiano una visione normale o corretta a quella normale.
4. 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.
5. 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

1. Compila i documenti pre-scansione.
2. 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.
3. 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.

1. 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.
2. 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.
3. Sottolinea al partecipante l'importanza di tenere la testa ferma, anche mentre muove la mano o il piede.

4. Guida il partecipante nello scanner.

1. 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.
2. Dare al partecipante la palla di spremimento di emergenza e istruirlo a spremerlo in caso di emergenza durante la scansione.
3. 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

1. Raccogli una scansione anatomica ad alta risoluzione.
2. Avviare la scansione funzionale.
   1. Sincronizzare l'inizio della presentazione dello stimolo con l'avvio dello scanner.
   2. 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.
   3. 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.
   4. Ripeti quattro ripetizioni di ogni condizione, per un totale di 6,5 minuti.

6. Procedure post-scansione

1. Portare il partecipante fuori dallo scanner.
2. Debriefing del partecipante.
3. Paga il partecipante.

7. Analisi dei dati

1. Pre-elaborare i dati.
   1. Eseguite la correzione del movimento per ridurre gli artefatti di movimento.
   2. Eseguire il filtraggio temporale per rimuovere le derive del segnale.
   3. Fluidi i dati per aumentare il rapporto segnale-rumore.
2. Modellare i dati per ogni partecipante.
   1. Creare un modello di quale dovrebbe essere la risposta emodinamica prevista per ogni condizione di attività.
   2. 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.
   3. Registrare il cervello del partecipante in un atlante standard per combinare i dati tra i partecipanti.
3. Combina mappe statistiche tra soggetti per un'analisi a livello di gruppo dei dati.

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.

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

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).