Πρόσφατες μελέτες νευροαπεικόνισης στον πίθηκο Rhesus (Macaca mullata), με την ποσοτική αυτοραδιογραφική μέθοδο της ραδιενεργού δεοξυγλυκόζης (2-δεοξυ-D-[14C] γλυκόζης; 2-DG) (Raos et al., Neuroimage 23: 193-201, 2004; Raos et al., J Neurosci 27: 12675-83, 2007; Evangeliou et al., Cereb Cortex 19: 624-639, 2009; Kilintari et al., Cereb Cortex 21: 949-63) κατέδειξαν ότι σχεδόν οι ίδιες σωματαισθητικές, κινητικές και συνειρμικές μετωπιαιο-βρεγματο-ινιακές περιοχές του φλοιού των εγκεφαλικών ημισφαιρίων ενεργοποιούνται τόσο κατά την παρατήρηση όσο και κατά την εκτέλεση κινήσεων σύλληψης με την άκρα χείρα. Τα δεδομένα αυτά υποδεικνύουν ότι για να κατανοήσουμε μια πράξη που εκτελείται από κάποιο άλλο υποκείμενο προσομοιάζουμε αυτή την πράξη, επαναλαμβάνοντας την νοερά. Μελέτες διακρανιακού μαγνητικού ερεθισμού (TMS) έδειξαν ότι η διεγερσιμότητα της φλοιονωτιαίας οδού του παρατηρητή τροποποιείται κατά την παρατήρηση κινήσεων που εκτελούνται από άλλους. Τα βιβλιογραφικά δεδομένα για τη συμμετοχή του νωτιαίου μυελού στο φαινόμενο αυτό είναι αντικρουόμενα (Pattuzzo et al., Neuropsychologia 41: 1272-8, 2003; Li et al., J Neurosc 24: 9674-80, 2004).
Στόχος της παρούσας μελέτης ήταν να ελέγξουμε, αν και σε ποιό βαθμό η παρατήρηση κινήσεων επηρεάζει τη λειτουργική δραστηριότητα στο νωτιαίο μυελό. Για το σκοπό αυτό αναλύσαμε την περιοχή αντιπροσώπευσης του άνω άκρου (αυχενικό όγκωμα) του νωτιαίου μυελού πιθήκων Rhesus (Macaca mullata), που εκτελούσαν (εκτέλεση κινήσεων σύλληψης- Ε) ή παρατηρούσαν (παρατήρηση κινήσεων σύλληψης- O) κινήσεις σύλληψης.
Οι τρεις πίθηκοι της συνθήκης Ε είχαν εκπαιδευτεί να προσεγγίζουν και να συλλαμβάνουν ένα τρισδιάστατο αντικείμενο με το αριστερό τους χέρι, ενώ το δεξί
VII | P a g e
ήταν ακινητοποιημένο. Ο ένας πίθηκος εκτελούσε τις κινήσεις σύλληψης υπό οπτική καθοδήγηση, ενώ οι άλλοι δύο στο σκοτάδι. Οι πίθηκοι είχαν εκπαιδευτεί να διατηρούν το βλέμμα τους σταθερό προς τη θέση του αντικειμένου μέσα σε ένα κυκλικό παράθυρο διαμέτρου 8°. Οι τρεις πίθηκοι της συνθήκης O είχαν εκπαιδευτεί να διατηρούν το βλέμμα τους εντός του κυκλικού παραθύρου των 8°, με τα δυο τους χέρια ακινητοποιημένα, ενώ παρατηρούσαν τον πειραματιστή να συλλαμβάνει το τρισδιάστατο αντικείμενο. Ο πειραματιστής στεκόταν στη δεξιά πλευρά του πειραματόζωου. Οι υπόλοιπες παράμετροι της δοκιμασίας O ήταν όμοιες με αυτές της Ε. Επιπρόσθετα, δύο πίθηκοι είχαν εκπαιδευτεί να διατηρούν το βλέμμα τους εντός του κυκλικού παραθύρου των 8° με τα δυο τους χέρια ακινητοποιημένα, ενώ παρατηρούσαν τόσο το αντικείμενο όσο και το άνω άκρο του πειραματιστή να κινείται μπροστά τους με τον καρπό και τα δάχτυλα σε έκταση, χωρίς να υπάρχει ταυτόχρονη θέαση αντικειμένου και άνω άκρου. Ο πειραματιστής στεκόταν στη δεξιά πλευρά της θέσης του πειραματόζωου. Οι πίθηκοι αυτοί αποτέλεσαν την ομάδα ελέγχου παρατήρησης της βιολογικής κίνησης (Cm).
Την περάτωση του πειράματος 2-DG, ακολουθούσε εκτομή και ψύξη του νωτιαίου μυελού (από τα πρώτα αυχενικά έως τα πρώτα θωρακικά μυελοτόμια). Στη συνέχεια λαμβάνονταν σειριακές οριζόντιες τομές πάχους 20 μm, οι οποίες εκτίθoνταν σε αυτοραδιογραφικά φιλμ. Η πυκνομετρική ανάλυση των αυτοραδιογραφημάτων πραγματοποιήθηκε μέσω ενός υπολογιστικά υποστηριζόμενου συστήματος ανάλυσης εικόνας (MCID, Imaging Research, Ontario, Canada). Σε κάθε τομή μετρήθηκε η τοπική κατανάλωση γλυκόζης (ΤΚΓ) κατά μήκος της προσθιοπίσθιας έκτασης της φαιής ουσίας (ξεχωριστά για την αριστερή και δεξιά πλευρά), με χωρική διακρισιμότητα 50 μm, ώστε να δημιουργηθεί μία σειρά δεδομένων. Οι σειρές δεδομένων ανά 5 διαδοχικές τομές στοιχίζονταν στο πρόσθιο
VIII | P a g e
τμήμα της κάθε τομής και ο μέσος όρος τους αποτελούσε μία γραμμή στο δισδιάστατο χάρτη της μεταβολικής δραστηριότητας. Οι επιμέρους δισδιάστατοι μεταβολικοί χάρτες του νωτιαίου μυελού μετασχηματίστηκαν γεωμετρικά έτσι ώστε τα όριά τους να συμπίπτουν με τα όρια ενός πρότυπου χάρτη.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η περιοχή του αυχενικού ογκώματος, στην οποία αντιπροσωπεύεται το άνω άκρο, παρουσιάζει, κατά την παρατήρηση κινήσεων σύλληψης, αμφοτερόπλευρη μείωση της κατανάλωσης γλυκόζης σε σχέση με τον μάρτυρα της βιολογικής κίνησης. Αντίθετα, κατά την εκτέλεση κινήσεων σύλληψης η ίδια περιοχή παρουσιάζει αύξηση της κατανάλωσης γλυκόζης, ομόπλευρα του κινούμενου άκρου, όπως ήταν αναμενόμενο. Το εύρημα αυτό υποδεικνύει ότι ο νωτιαίος μυελός είναι μία από τις δομές που συμμετέχουν στην αναστολή της κινητικής εντολής στον παρατηρητή, κατά τη θέαση κίνησης άλλου υποκειμένου.
Προτείνουμε ότι η ενεργοποίηση που παρατηρήθηκε ομόπλευρα του κινούμενου άνω άκρου κατά την εκτέλεση κινήσεων σύλληψης διαμεσολαβείται από διεγερτικές φλοιονωτιαίες προβολές από τον πρωτοταγή κινητικό φλοιό. Η αμφίπλευρη μεταβολική μείωση που παρατηρήθηκε κατά την παρατήρηση κινήσεων σύλληψης πιθανόν αντικατοπτρίζει το καθαρό αποτέλεσμα κατερχόμενων διεγερτικών προβολών από τον πρωτοταγή κινητικό φλοιό και ανασταλτικών προβολών από τον προκινητικό φλοιό οι οποίες είτε άμεσα, είτε μέσω του εγκεφαλικού στελέχους επηρεάζουν τη δραστηριότητα των ενδονευρώνων του νωτιαίου μυελού.
Συμπερασματικά, η μείωση της μεταβολικής δραστηριότητας στην περιοχή του αυχενικού ογκώματος του νωτιαίου μυελού, κατά την παρατήρηση κινήσεων σύλληψης, εξηγεί την απουσία μυϊκής δραστηριότητας και κίνησης του άνω άκρου
IX | P a g e
του παρατηρητή παρά την ενεργοποίηση της περιοχής εκπροσώπησης του άνω άκρου στον πρωτοταγή κινητικό φλοιό.
(EL)
Recent brain imaging studies, using the quantitative 2-deoxy-D-[14C]glucose (2-DG) imaging technique in the Rhesus monkey (Macaca mullata), have demonstrated that the forelimb representation of the primary motor (MI) and somatosensory cortices (Raos et al., Neuroimage 23: 193-201, 2004), as well as several premotor, parietal and occipital areas (Raos et al., J Neurosci 27: 12675-83, 2007 Evangeliou et al., Cereb Cortex 19: 624-639, 2009; Kilintari et al., Cereb Cortex 21 : 949-63), are activated by both action-execution and action-observation, indicating that the spectator mentally simulates the observed action. Moreover, several studies have demonstrated repeatedly that corticospinal excitability is modulated during action observation, providing evidence of an activation of the observer’s motor system. However, evidence for the involvement of the spinal cord in action observation is controversial (Pattuzzo et al., Neuropsychologia 41: 1272-8, 2003; Li et al., J Neurosc 24: 9674-80, 2004).
In the present study we have explored whether and how action-observation affects the spinal cord. For this purpose, we analyzed the forelimb-representation of the spinal cord (cervical enlargement) from eight monkeys. Subjects trained to either execute reaching-to-grasp movements (grasping execution- E) or observe the experimenter performing the same movements (grasping observation- O).
Three E monkeys were trained to reach for and grasp a three-dimensional (3-D) object, with the left forelimb, whereas the right one was restricted. One of the monkeys performed the task under visual guidance and the other two in complete darkness. Three O monkeys were trained to maintain their gaze within the 8°-diameter circular window, with both hands restricted, whereas observing the experimenter
XI | P a g e
grasping the ring with the hook grip. The experimenter was standing on the right side of the monkey and performed the reaching-to-grasp movements with the right hand. The rest of the parameters of the O task were similar to the those of the E task. Two motion control (Cm) monkeys were used as control for the O monkeys. Cm monkeys were trained to maintain their gaze within the 8°-diameter circular window, while both hands were restricted, and to observe the moving hand of the experimenter, with the wrist and fingers being extended, without hand preshaping or interaction with the 3-D object. Specifically, the Cm monkeys were exposed to consecutive (and not simultaneous) view of the object and the moving arm. The experimenter was standing at the right side of the monkey.
At the end of each 2-DG experiment the spinal cord was dissected (from the first cervical to the first thoracic segments) and twenty μm thick horizontal sections were obtained, and exposed on autoradiographic films. The autoradiograms were densitometrically analyzed in a computerized image analysis system (MCID, Imaging Research, Ontario, Canada). In each section we sampled the local glucose utilization (LGU) along the rostrocaudal extent of the gray matter (separately for the left and the right side) with a resolution of 50 μm, to produce a data array for the section under analysis. The data arrays of 5 consecutive sections were aligned and averaged to produce a line in the two dimensional map (2-D) of the metabolic activity. To account for inter-individual differences the individual 2-D maps were then transformed to match a common template map.
The results showed that the metabolic activity in the cervical enlargement of the spinal cord is suppressed bilaterally in monkeys observing reaching-to-grasp movements, whereas it is activated ipsilaterally to the grasping hand in monkeys executing the same movements.
XII | P a g e
We propose that the elevated activity ipsilateral to the grasping hand, in the ‘executing’ monkeys, may be mediated through MI-corticospinal excitatory signals. The bilateral metabolic depression observed in the ‘observing’ monkeys may represent the sum of excitatory MI-corticospinal and inhibitory premotor cortico-spinal or premotor cortico-brainstem-spinal inputs to spinal local interneurons. All in all, the depression of overall activity in the cervical enlargement of the spinal cord of the O monkeys may explain the suppression of overt movements during action observation, despite the activation of the observer’s motor system.
(EN)
