Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/3072
Title: Transcranial magnetic stimulation in the planning and execution of reaching movements
Other Titles: stimolazione magnetica transcranica nella pianificazione e nell'esecuzione dei movimenti di raggiungimento
Authors: Busan, Pierpaolo
Keywords: cortecciaraggiungimentostimolazione magnetica
Issue Date: 27-Mar-2009
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: The neurophysiology of the monkey and human brain shows that transformation of visuomotor coordinates is related to the activation of a distributed and complex population of parietal, premotor and motor neurons. We can think about these circuits like different cortical areas activated in different times during reaching and grasping planning and execution, with different relations and communications among them. In this theoretic field, my PhD project was aimed at investigating the organization of planning and execution of visually guided reaching movements in the human brain, by means of Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) in healthy subjects. I obtained a temporal and spatial map of both hemispheres, in order to refine available information about this complex system. In the contra-lateral hemisphere, an acceleration of reaction time was found when delivering TMS, on superior occipital lobe, at 50% of medium reaction time, without preferences for reaching direction in the peripersonal space. With the same time of stimulation, an acceleration of reaction times was also evident when stimulating the region of the parieto-occipital sulcus, but only for straight-forward reaching. Finally, in posterior superior parietal lobule slower reaction times were evident when TMS was delivered at 75% of the medium reaction time, but only for straight-forward reaching. Another facilitation of reaction time was evident in one of the five points stimulated in left parietal cortex, when TMS was delivered at 75% of medium reaction time, with no peripersonal space preferences. In dorsal premotor cortex another facilitation in reaction time was found, when TMS was delivered at 75% of medium reaction time, again with no peripersonal space preferences. Finally, I investigated the right hemisphere in cortical points homologue to those of the left hemisphere. Results indicated that only the region of the dorsal parieto-occipital sulcus is bilaterally involved. In fact, slower reaction times were evident when TMS was delivered at 75% of the medium reaction time. This indicates temporal differences in activation between left and right parieto-occipital sulcus. In all the effective points, the execution of control experiments showed that findings were specifically related to the planning of reaching movements, excluding the possibility of attentional, motor or perceptual effects, and that they were not due to diffusion of current to primary motor cortex. When delivering TMS during execution of reaching movements, effects were evident only when pulses were applied at 50% of medium movement time. In particular, a delay in movement time was evident in the parietal and premotor regions. Also in this case, control experiments excluded that effects were due to current diffusion to primary motor cortex and assured the specificity of the effect for visually-guided reaching. Present findings suggest that planning of reaching with right hand in healthy subjects starts early in left superior occipital cortex and in parieto-occipital region. Successively, a parallel and diffuse pattern of activation is evident. This pattern involves a specific point of superior parietal lobule in a ventral and rostral left parietal position, and a more anterior point of the premotor dorsal cortex, where a parallelism in activation could be speculated. Moreover, an interference in late motor planning in right and ipsilateral parieto-occipital cortex was evoked, that could be in strict functional and temporal relation with the homologue result obtained in left parieto-occipital region. Consequently, it could be suggested that even if planning of reaching movements relies principally on contra-lateral hemisphere, a bilateral involvement might also occur at least in parieto-occipital cortex. On the other hand, cortical structures in contra-lateral hemisphere seem to be involved in the control of on-line reaching movements only when the hand is approaching the target. In the present study, effects were reported only for parietal and premotor cortices. This suggests that the affected areas might be more involved in the control of on-line movements, confirming the pivotal role of the parietal cortex in managing visuomotor information. In conclusion, this research project contributes to the understanding of the cortical dynamics involved in the planning and control of reaching movements. Specifically, new insights are provided about the temporal involvement of the different cortical regions being part of the process.
Il raggiungimento e la prensione di un oggetto sotto la guida visiva sono movimenti che i soggetti sani riescono a realizzare molto semplicemente. La neurofisiologia del sistema nervoso centrale ha dimostrato che le trasformazioni visuo-motorie, necessarie per l’implementazione di questi movimenti, si basano sull’attivazione di una distribuita e complessa popolazione di neuroni parietali, motori e promotori della corteccia cerebrale. Possiamo immaginare tali circuiti come differenti regioni corticali che si attivano durante diverse finestre temporali, con diversi gradi di relazione ed elementi di comunicazione tra loro. Per capire meglio l’esatto ruolo giocato dalle diverse regioni parietali e frontali durante la pianificazione e l’esecuzione dei movimenti di raggiungimento e di prensione, sono stati eseguiti esperimenti su un totale di 269 volontari sani e consenzienti (età 19-56 anni, età media e deviazione standard 26.1 ± 6.4 anni), cui veniva applicata una Stimolazione Magnetica Transcranica (TMS) durante l’esecuzione di un compito visuo-motorio. I soggetti venivano fatti sedere comodamente, chiedendo loro di iniziare il compito con gli occhi chiusi e con la mano destra mantenuta in posizione di riposo sopra un sensore ottico (che permetteva di misurare il tempo di reazione), posizionato centralmente rispetto al loro corpo. Un segnale acustico indicava ai soggetti di aprire gli occhi e di raggiungere il più velocemente e accuratamente possibile un oggetto posizionato sul tavolo a 35 cm di distanza di fronte a loro, oppure spostato di 40° a destra o a sinistra. Ai soggetti veniva richiesto di mantenere sempre lo sguardo in posizione centrale per tutta la durata dell’esperimento. L’oggetto era collegato ad un sensore tattile, utile per registrare i tempi di movimento (cioè il tempo che intercorreva dal momento in cui la mano lasciava il sensore ottico fino al raggiungimento dell’oggetto). La TMS è stata somministrata al 25%, al 50%, al 75% e al 90% del tempo di reazione medio o al 25% e al 50% del tempo di movimento medio di ogni soggetto. Sono stati stimolati 33 punti corticali, comprendendo entrambi gli emisferi. In ogni esperimento, per ognuno dei punti corticali investigati, sono state raccolte 42 prove (21 con TMS e 21 senza), ugualmente distribuite nello spazio peripersonale. In linea generale, in ogni esperimento, cinque punti corticali sono stati stimolati nella corteccia parieto-occipitale dorsale, cinque nella corteccia parietale superiore e cinque nella corteccia premotoria dorsale, in entrambi gli emisferi. I risultati ottenuti dimostrano l’esistenza di un circuito ben definito nell’emisfero sinistro, che parte dalla corteccia occipitale per arrivare fino alla corteccia premotoria, dove è stato possibile interagire tramite somministrazione di TMS, ottenendo soprattutto un accorciamento dei tempi di reazione. Infatti, un’accelerazione dei tempi di reazione è stata individuata somministrando la TMS al 50% di essi nel lobo occipitale superiore, senza però individuare preferenze di direzione nello spazio peripersonale. Successivamente, nello stesso momento di stimolazione, è stato possibile individuare un’accelerazione dei tempi di reazione anche nel solco parieto-occipitale, ma solo quando il soggetto realizzava un movimento di raggiungimento verso il centro. Anche nella corteccia parietale superiore è stato possibile osservare un effetto facilitatorio nei tempi di reazione. In questo caso però, la TMS è stata somministrata al 75% del tempo di reazione medio: l’effetto si manifestava senza preferenze direzionali nello spazio peripersonale. Infine, nella corteccia premotoria dorsale è stato possibile individuare un ultimo effetto di facilitazione sui tempi di reazione, ancora una volta quando la TMS veniva somministrata al 75% del tempo di reazione medio, e senza preferenze direzionali nello spazio peripersonale. Tempi di reazione rallentati sono stati evocati solamente nella parte posteriore del lobulo parietale superiore, quando la TMS veniva somministrata al 75% del tempo di reazione medio dei soggetti, solamente nei movimenti di raggiungimento diretti verso il centro. Per quanto riguarda l’emisfero destro, quando la TMS è stata somministrata nei punti corticali omologhi a quello di sinistra, sono stati individuati solamente tempi di reazione più lenti dopo stimolazione parieto-occipitale al 75% del tempo di reazione medio, senza preferenze spaziali peripersonali. Quando la TMS è stata somministrata durante l’ esecuzione del movimento, quattro punti sono stati stimolati nella corteccia parieto-occipitale dorsale, cinque nella corteccia parietale e cinque nella corteccia dorsale premotoria, solamente nell’emisfero di sinistra. I risultati indicano che la TMS è stata efficace esclusivamente quando è stata applicata al 50% del tempo di movimento medio. In particolare, un ritardo nei tempi di movimento è stato individuato in un punto della corteccia parietale superiore e in un punto della corteccia premotoria dorsale. In entrambi i casi, non è stato possibile evidenziare alcuna preferenza nello spazio peripersonale. I risultati raccolti confermano che la pianificazione dei movimenti di raggiungimento eseguiti con la mano destra inizia precocemente nella corteccia occipitale superiore di sinistra e nella regione parieto-occipitale dello stesso lato, proseguendo poi fino a raggiungere la corteccia premotoria dorsale. Questo indica la presenza di un circuito specifico posizionato dorsalmente, con una tempistica di attivazione che fluisce in direzione postero-anteriore. E’ stato evidenziato anche come l’emisfero ipsilaterale partecipi a tale processo, dato che è stata verificata la possibilità di interferire con la pianificazione dei movimenti di raggiungimento nella corteccia parieto-occipitale ipsilaterale. Inoltre, considerando l’effetto facilitatorio della TMS quando veniva applicata nell’emisfero sinistro al 50% del tempo di reazione medio, e quello inibitorio al 75% dello stesso quando veniva applicata all’emisfero destro, può essere ipotizzata l’esistenza di una chiara differenza di attivazione temporale tra corteccia parieto-occipitale di destra e di sinistra. Infatti, anche se la pianificazione dei movimenti di raggiungimento si basa principalmente sulla corteccia controlaterale, abbiamo dimostrato l’esistenza di un’attivazione bilaterale, almeno nella corteccia parieto-occipitale. Il coinvolgimento delle strutture corticali nel controllo on-line dei movimenti di raggiungimento è stato dimostrato essere più efficace quando la mano sta per raggiungere il suo obiettivo. In questo studio, gli effetti della TMS sono stati evidenziati nella corteccia parietale anteriore e nella corteccia premotoria, e non in regioni parieto-occipitali. Ciò suggerisce che le aree coinvolte potrebbero partecipare al controllo on-line del movimento di raggiungimento in misura maggiore rispetto a regioni corticali posteriori, confermando il loro ruolo centrale nella gestione delle informazioni visuo-motorie. La novità dello studio consiste nella realizzazione di una mappatura completa del circuito di integrazione di coordinate visuo-motorie deputato alla pianificazione e all’esecuzione dei movimenti di raggiungimento, grazie all’applicazione della TMS e la conseguente possibilità di interagire con tale sistema. Nello specifico, vengono proposte delle nuove evidenze a proposito del coinvolgimento temporale delle differenti regioni corticali che fanno parte del processo.
Description: 2007/2008
URI: http://hdl.handle.net/10077/3072
NBN: urn:nbn:it:units-7393
Appears in Collections:Scienze biologiche

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