La modulazione dell'eccitabilità corticospinale durante l'immaginazione motoria: facilitazione o inibizione? Uno studio di stimolazione magnetica transcranica

Motor imagery (MI) is the mental simulation of a given action without any overt movement. Behavioral evidence shows that MI induces motor execution (ME)-like effects on several tasks and functional evidence shows that brain regions recruited during MI and ME largely overlap. However, techniques examining the effective connectivity between brain areas have shown a neurophysiological dissociation between ME and MI. Indeed, although the supplementary-motor area (SMA) is active during both tasks, the functional connectivity from SMA to primary-motor cortex (M1) shows facilitatation during ME and inhibition during MI, depending on whether the overt movement has to be performed or suppressed. A theoretical conflict seems to exist between this inhibitory effect on M1 and a facilitatory effect on corticospinal excitability, reported by several studies employing single-pulse TMS over M1 during MI. The aim of this TMS study is to clarify the role of MI in modulating the corticospinal excitability, by manipulating the instructions given to participants, either stressing or not the necessity to maintain a full muscle relaxation during a MI task. If the facilitatory effects on M1 excitability actually pertains to the MI per se, we should expect to replicate it, irrespective of the instructions. Conversely, if the facilitatory effect depends on the muscle contraction, crucial differences between differently instructed subjects should be expected. Twenty-eight healthy subjects were recruited and divided in two groups, depending on the instructions. Subjects had to perform a kinesthetic MI task with the right hand (i.e. index-thumb opposition task), while single pulse TMS was delivered over left M1. A baseline measure was recorded before and after the task. Motor evoked potentials (MEP) were recorded from the right FDI and ADM. A 2x2 ANOVA on MEP amplitude, with Group (Relaxing; No-Relaxing), as between-subjects factor, and Task (Baseline; MI), as within-subjects factor, showed a significant Group*Task interaction [F(1,26)=11.705,p=0.002]. By comparing MI to Baseline, an opposite MEP modulation was found between Groups, with a significant increase in No-Relaxing Group (p<0.001) and a significant decrease in Relaxing Group (p=0.02). Furthermore, we recorded the EMG activity 500ms before the TMS stimulation to ensure that RMS AUC was always lower than 10µVolt/sec. Crucially, in No-Relaxing Group, the pre-stimulus EMG activity significantly predicted the MEP amplitude during the MI task (r=0.655; p=0.011). These preliminary results suggest that the theoretical conflict between inhibitory and facilitatory effect of MI on M1 can be due to methodological factors. When muscle contraction was prevented by a proper instruction, an inhibition of the corticospinal excitability was found during MI. This TMS finding is compatible with other methodological approaches, showing inhibitory functional connectivity from SMA to M1 during MI, when the overt movement has to be suppressed.

L'immaginazione motoria (IM) è definita come la simulazione mentale di una data azione senza alcun movimento esplicito. Diverse evidenze dimostrano che l'IM induce l'esecuzione motoria (EM). Gli studi di neuroimmagine funzionale mostrano che le regioni cerebrali reclutate durante l'IM e l'EM in gran parte si sovrappongono. Tuttavia, le tecniche che indagano la connettività effettiva tra le diverse aree cerebrali hanno evidenziato una dissociazione neurofisiologica tra l'EM e l'IM. Anche se la SMA è attiva durante entrambi i compiti, la connettività funzionale tra la SMA e la M1 mostra una facilitazione durante l'EM e un'inibizione durante l'IM, a seconda che il movimento debba essere effettuato o soppresso. Sembra esistere un conflitto teorico tra gli studi di neuroimmagine e gli studi di TMS durante i compiti di IM: i primi trovano un effetto inibitorio su M1, i secondi riportano un aumento dell'eccitabilità corticospinale a seguito di stimolazioni a singolo impulso a livello della M1. Lo scopo di questo studio di TMS è quello di chiarire il ruolo dell'IM nel modulare l'eccitabilità corticospinale, manipolando le istruzioni del compito immaginativo date ai partecipanti. Nel nostro studio, abbiamo diviso i volontari in due gruppi: al primo gruppo veniva esplicitamente sottolineata la necessità di mantenere un completo rilassamento muscolare durante il compito di IM, al secondo gruppo non veniva data alcuna informazione. Se gli effetti facilitatori sull'eccitabilità di M1 appartengono all'IM, dovremmo aspettarci di replicare i risultati dei precedenti studi, indipendentemente dalle istruzioni date ai soggetti. Viceversa, se l'effetto facilitatorio dipende dalla contrazione muscolare involontaria, dovremmo trovare differenze significative tra i soggetti diversamente istruiti. Ventotto soggetti sani sono stati divisi in due gruppi, a seconda delle istruzioni date e hanno svolto un compito di immaginazione cinestesica con la mano destra, mentre l'impulso della TMS veniva erogato sull'area M1 sinistra. Una misura di baseline è stata registrata prima e dopo il compito. I MEP sono stati registrati dai muscoli: FDI e ADM. In fase di analisi è stata eseguita un'ANOVA 2x2 sull'ampiezza dei MEP, con un fattore tra i soggetti "Gruppo" (Relax; No-Relax), e un fattore entro i soggetti "Compito" (Baseline; IM). I risultati hanno mostrato un'interazione significativa Gruppo*Compito [F(1,26)=11.705, p=0.002]. Confrontando IM e baseline, è stata riscontrata una modulazione dei MEP opposta tra i gruppi, con un significativo aumento delle ampiezze dei MEP nel gruppo No-Relax (p<0.001) e una diminuzione significativa delle ampiezze dei MEP nel gruppo Relax (p=0.02). È stata inoltre registrata l'attività EMG 500ms prima della stimolazione con la TMS, per garantire che la RMS AUC fosse sempre inferiore a 10µVolt/sec. Nel gruppo No-Relax, l'attività EMG pre-stimolo predice significativamente l'ampiezza dei MEP durante il compito di IM (r=0.655; p=0.011). Questi risultati preliminari suggeriscono che il conflitto teorico tra l'effetto inibitorio e facilitatorio dell'IM su M1 può essere dovuto a fattori metodologici. Quando la contrazione muscolare viene impedita da un'istruzione adeguata, si riscontra un'inibizione dell'eccitabilità corticospinale durante l'IM. Questo risultato di TMS mostra come la connettività funzionale dalla SMA all'area M1 sia di tipo inibitorio durante l'IM, quando cioè il movimento deve essere soppresso.