Il ruolo del sistema motorio nell'esecuzione e nell'osservazione di azioni: uno studio TMS

Since the seminal work by Fadiga et al. (1995), several Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) studies have documented the activation of one's corticospinal system during the observation of others actions. This activation, which is commonly interpreted as evidence of a mirror neuron response in the human brain, has been implicated in a wide range of behaviours and pathologies. Despite two decades of research, however, the specificity of this mirror response to action observation remains poorly understood. Specifically, there are at least three basic aspects of the mirror response as measured by modulation in corticospinal excitability that are not yet clear: muscle specificity, directionality, and timing (Naish et al., 2014). The aim of this study was to clarify these aspects by directly matching data from action observation to those from action execution. In the first phase of the experiment (Action execution) we recorded electromyographic (EMG) activity from FDI and ADM hand muscles while participants performed reach-to- grasp movements toward either a hazelnut or a grapefruit. Movements were also filmed from a lateral viewpoint in order to be used as stimuli in the action observation phase. Statistical analyses showed that, while EMG activity in FDI was not influenced by object size over time, ADM was more heavily involved during grasping of the large object from 30% of movement duration. In the second phase of the study (Action Observation), by combining single pulse TMS and EMG, we recorded Motor Evoked Potentials (MEPs) from FDI and ADM muscles while participants watched videos of the recorded reach-to- grasp movements. Movements could be occluded at different time points (20%, 50% or 80% of movement duration). Orange dots illuminating in succession were used as pre/post session baseline and intra-block baseline. Statistical analyses on MEP ratios revealed a significant Muscle by Time interaction. As for directionality, one sample t-tests revealed a significant decrease in corticospinal modulation relative to intra-block baseline but not relative to pre/post session baseline. All in all, our results demonstrate, first, that the pattern of corticospinal modulation is muscle-specific and, second, that the timecourse of MEPs modulation during action observation is tightly coupled to changes in muscles activity during action execution. As for directionality, that is whether action observation produces an overall increase or decrease in corticospinal modulation, the pattern of results found in the current study indicates that direction is influenced by variations in baseline measurements.

A partire dal fondamentale lavoro di Fadiga et al. (1995), numerosi studi di stimolazione magnetica transcranica (TMS) hanno documentato l'attivazione nell'osservatore del sistema corticospinale durante la visione di azioni altrui. Questa attivazione, comunemente interpretata come evidenza dei neuroni specchio nell'uomo, è risultata essere implicata in una vasta gamma di comportamenti e patologie. Nonostante due decenni di ricerca sul sistema dei neuroni a specchio la specificità di questa risposta, speculare all'osservazione dell'azione, non è ancora stata completamente compresa. In modo particolare, ci sono almeno tre aspetti fondamentali della risposta a specchio, misurati attraverso la modulazione dell'eccitabilità corticospinale, che non sono stati ancora chiariti: specificità muscolare, direzionalità e tempo (Naish et al., 2014). Lo scopo di questo studio è stato chiarire questi aspetti attraverso il confronto diretto tra i dati sull'eccitabilità corticospinale durante l'osservazione di azioni con quelli nell'esecuzione delle medesime azioni. Nella prima fase dell'esperimento (Fase di Esecuzione) è stata registrata l'attività elettromiografica (EMG) dei muscoli della mano FDI e ADM mentre i partecipanti eseguivano movimenti di raggiungimento e afferramento di una nocciola o un pompelmo. I movimenti realizzati nella prima fase sono stati filmati da una prospettiva laterale per essere poi utilizzati come stimoli nella fase di osservazione dell'azione. L'analisi dei dati in esecuzione ha mostrato che, mentre l'attività EMG in FDI non è influenzata dalle dimensioni dell'oggetto nel tempo, il muscolo ADM è maggiormente coinvolto durante l'afferramento dell'oggetto di grandi dimensioni a partire dal 30% della fase del movimento. Nella seconda fase dello studio (Fase di osservazione), combinando TMS a singolo impulso e EMG, sono stati registrati i Potenziali Motori Evocati (MEP) dai muscoli FDI e ADM mentre i partecipanti guardavano i video dei movimenti di raggiungimento e afferramento preregistrati. I video dei movimenti sono stati occlusi temporalmente ad intervalli diversi (20%, 50% o 80% della durata del movimento). L'analisi dei dati sui rapporti MEP in osservazione ha evidenziato un'interazione significativa Muscolo per Occlusione Temporale. Quadrati bianchi che si illuminavano progressivamente di arancione sono stati utilizzati come baseline ed inseriti prima e dopo (baseline pre/post) e all'interno della sessione sperimentale (intra-baseline). Per valutare l'aspetto di direzionalità è stato utilizzato un t-test per campioni appaiati a 2 code che ha rivelato una significativa diminuzione della modulazione corticospinale durante l'osservazione di azioni rispetto alla condizione intra-baseline, ma non rispetto alla baseline pre/post. Nel complesso, i risultati ottenuti dimostrano, in primo luogo, che la modulazione corticospinale durante l'osservazione di azioni è muscolo-specifica e, in secondo luogo, che il tempo di modulazione dei MEP durante l'osservazione di azioni è strettamente associato ai cambiamenti dell'attività muscolare durante l'esecuzione delle stesse azioni. Riguardo la direzionalità, i.e. se l'osservazione di azioni produca un aumento o una diminuzione generale della modulazione corticospinale, i risultati del presente studio indicano che tale aspetto è influenzato dalle variazioni nel metodo di raccolta della baseline.