Cortical activity during motor execution, motor imagery, and imagery-based online feedback
2010, 研究的问题是承载基于视觉的运动学习的神经基础是什么/在什么位置
abstract
背景: Imagery of motor movement plays an important role in learning of complex motor skills
运动想象很重要
疑问: What and where are the neural substrates that underlie motor imagery-based learning?
工作:
We quantitatively establish that the spatial distribution of local neuronal population activity during motor imagery mimics the spatial distribution of activity during actual motor movement.
By comparing responses to electrocortical stimulation with imagery-induced cortical surface activity, we demonstrate the role of primary motor areas in movement imagery.
The magnitude of imagery-induced cortical activity change was ∼25% of that associated with actual movement.
However, when subjects learned to use this imagery to control a computer cursor in a simple feedback task, the imagery-induced activity change was significantly augmented, even exceeding that of overt movement.
测量八名受试者的皮层表面电位, 在同一动作的明显动作和动觉意象期间, 重点关注了高频(76-100Hz)和低频(8-32Hz)的功率. 定量构建了运动想象时局部神经元群体活动的空间分布, 发现其模拟了实际运动期间的空间分布.
图像诱导的神经活动幅度约有25%与实际相关.(??)
Intro
运动想象对于运动学习至关重要. 也已经有了诸多研究, 但是仍有不足:
- The relevance of primary motor cortex in motor imagery has remained an unresolved issue, there being evidence both supporting and against a role for primary motor areas during motor imagery.
- MI皮层与运动想象的相关性并不明确
- Furthermore, the congruence of cortical electrophysiologic change associated with motor movement and motor imagery has not been determined
- 与运动和运动图像相关的皮层电生理变化的一致性尚未确定
运用ECoG来解决问题.
针对EEG和MEG的研究, 我们发现, 对于给定的运动类型, 额顶顶外侧皮层中与运动相关的α和β节律的空间分布（在8–32 Hz频带中共同捕获）在明显的运动和图像之间重叠. 然而对比不同的运动类型, 他们仍然重叠, 表示两种节律并不刻画局部皮层功能.
相反，ECoG信号的高频方面的空间分布在运动类型之间不重叠，但在相同类型的运动和图像之间重叠。这一发现明确地确立了在局部群体(神经元)层面上运动和图像的共同表示。
MI在运动图像中的作用是通过图像诱导的皮层表面活动来揭示的。图像诱导的皮层活动的幅度是实际运动的~25%。当在一个简单的反馈任务中使用这种相同的图像来控制光标时，我们发现空间一致的皮层活动增加了，甚至超过了运动时的活动。
Result
Movement
基于间隔的任务: 根据视觉提示，在几秒钟的手或舌头运动和几秒钟的休息之间交替。
检查在提示期间和之后所有电极的ECoG电位的功率谱密度（PSD）的变化。
- 在之前的报告中，我们发现在运动过程中，与休息相比，低频带（LFB）（8–32 Hz）的功率在空间上大幅度下降，而宽高频带（HFB）（76–100 Hz）的功耗在空间上更为集中地增加。
- 在LFB中，激活的空间分布在舌头运动和手部运动之间显著重叠，但在HFB中没有。
Imagery
然后，受试者重复运动任务，不同的是，他们被指示在提示期内从动觉上想象做出这种运动，而不是移动（通过肌电图、数据手套测量和观察验证非移动）。在5名接受皮层电刺激（ECS）作为临床护理的受试者中，有4名受试者的图像在空间上产生了局灶性的、具有统计学意义的（P<0.05）HFB功率增加，其中ECS产生了相同类型的运动。这证实了MI区域在成像过程中被激活。
在成像过程中观察到
- LFB的功率在空间上广泛下降
- HFB的功率空间上局部增加，并且与它们的运动对应物显著重叠
- 但光谱变化的幅度较小
在HFB和LFB中，运动和图像之间的空间重叠在受试者中是强烈而显著的。
Feedback
基于图像的学习任务:
- 特定电极处的皮层激活幅度用于在运动图像期间控制屏幕上的光标。
- 基于在简单的移动/成像任务中看到的皮层变化，选择特定电极和频率的振幅作为控制光标在计算机屏幕上一维移动的速度和方向的特征
- 受试者通过使用运动图像快速（5-7分钟）学会准确控制光标。
在这个反馈任务中，
- 受试者1使用想象中的单词重复（想象重复单词“移动”）达到94%的目标准确率；
- 受试者2，手/舌头意象占74%/90%；
- 受试者6，85%有肩部影像；
- 受试者8 100%具有舌头意象。
在这项学习任务中，高频ECoG活动的空间分布在每种情况下都是定量保守的，但与图像相关的光谱变化幅度显著增加。在大多数情况下，与光标控制相关的光谱变化超过了在实际移动过程中观察到的光谱变化（HFB中5例中有4例，LFB中5例行中有3例）。经过几（5-8）分钟的训练后，受试者1和6报告说，运动图像停止了，取而代之的是思考上下移动光标。
Discussion
与之前的研究结果类似, 运动过程中LFB的PSD在空间上大步幅下降, 与运动诱导的运动相关的额顶α和β节律的去同步一致.
todo:
Methods
todo:
words-learning
- underlie
- 构成…的基础；作为…的原因
- substrate
- 基底, 基质
- overt
- 明显的
- somatotopic
- 大脑皮层躯体特定区的
- gyrus
- 脑回
- delineate
- 勾画, 描述