Elia Valentini,1,2 Meng Liang ,1 Salvatore Maria Aglioti,2 and Gian Domenico Iannetti1*
Seeing Touch and Pain in a Stranger Modulates the Cortical Responses Elicited by Somatosensory but not Auditory Stimulation(2012)
다른 사람의 통증을 보는 것은 운동피질의 흥분성을 억제시키고 부수적으로 전달 될 침해 체성감각자극으로 유발된 신경활성을 조절한다. 하나의 순간적인 침해자극으로 유발된 신경 활성이 다중양태 신경처리인 비 침해-특이성을 주로 반영하기 때문에, 다른 사람의 통증을 관찰하는 것이 침해자극으로 유발된 뇌 반응과는 다른 영향을 줄 것인지, 다른 감각 양태에 속하는 자극으로 유발된 뇌 반응을 유사하게 조절할 것인지를 검증했다. 58채널 EEG를 이용하여, 우리는 낯선 손의 침해자극 또는 비침해자극을 보여주는 비디오 클립을 관찰하는 동안 레이져와 청각자극으로 유발된 피질 반응들을 기록했다. 다른 사람의 통증을 관찰하는 것과 침해 레이져 자극으로 유발된 경우는 베타 밴드에서(베타 ERD) 사건관련 비동기화를 구성하는 피질 활성을 조절했고, 반면에 청각자극으로 유발된 경우에는 그렇지 않았다는 결론을 얻었다. 우리는 세 가지 다른 소스분석 접근법을 이용하여, 그런 조절이 대측 1차 감각운동 피질에서 신경 활성에 영향을 준다는 증거를 수렴했다. 이 조절의 크기는 모델의 손과 손의 관찰자의 표상 사이에 유사성의 주관적 측정과 높은 상관관계를 가졌다. 결론은 이들 결과들이 체성 감각-특이적 유형에서 다른 사람의 통증을 관찰하는 것이 자극받은 손에서 대측 감각운동 피질에서 침해 자극으로 유발된 피질 반응들을 조절한다는 것을 증명해 준다.
Source 분석
전류원분석 접근법의 제한점을 최소화 하기 위해서 우리는 두 개의 실험 조건에서 기록된 활성 간의 유의한 차이의 위치를 추정하는 것에 BESA에서 적용된 세 가지 다양한 전략을 사용했다.
먼저, 우리는 촉각 조건에서 활성과 통증조건에서 활성 사이의 유의한 차이를 계산했다.
두번째, 유의한 차이의 전류원을 추정했다. 추정된 전류원의 위치는 Talairach 좌표로 보고되었다. 세 가지 다양한 접근법은 전류원 위치를 추정하는 것에 이용되었다.
1) Minimum Norm Image(MNI). 이 알고리듬은 각 시간과 주파수 샘플에서 분산된 전류 이미지를 추정하는 것에 일반적으로 사용된다. 전류원의 수가 센서의 수보다 많을 경우 역문제는 아주 불충분한 결정을 하게 되고 최소 기준인 수학적 제약으로 안정화 되어야 한다. 기록된 데이터를 설명할 수 있는 많은 가능한 전류 분포를 배제하는 것은 BESA가 최소 전류 해법을 제공한다. 다른 접근법들과는 반대로 surface MNI는 체적 MR 이미지에 계산되지 않고 뇌 표면 이미지로 계산된다. 따라서 MNI의 결과는 피질 전류의 전통적 두피 토포그래피와 비슷하다. 전류원 이미지는 국부 전류원의 총 루트 평균 제곱으로 나타내어진다(0에서 100% 활성).
2) Multiple Source Beamformer(MSBF). 이 접근법은 자극 이벤트에 시간-고정 시킨 사용자-지정 시간-주파수 범위에서 신경활성의 전류원을 추정하는 것에 사용된다. BESA beamformer는 시간-주파수 영역에서 선형적으로 제약된 최소 분산 벡터beamformer의 수정된 버전이다. 그 알고리듬은 정규화된 출력파워(+_q%)에서 결과인 복합 교차 스펙트럼 밀도 행렬로 계산한다.
3) CLARA는 각 반복에 감소된 전류원 공간을 가지는 가중된 LORETA를 수행하는 것으로 반복된 분산 전류원 분석 방법이다. LORETA와 비교해 보면, 이 반복적 접근법은 사전정의된 분산 전류원 모델의 이점을 유지하는 추정된 전류원의 흐림을 감소시킨다. 따라서 최대활성을 가지는 전류원의 위치를 결정하기 쉽게 해준다. 기본 최소 정규화
cut-off가 사용되었다. 전류원 이미지는 표준화 MRI 이미지에서 전류밀도로 나타내어진다(nAm/cm_3).
Nociceptive and Auditory Related Activity in the Time-Frequency Domain
그룹 평균 시간-주파수 스펙트로그램을 보면, 청각자극으로 인해 유도된 시간-주파수 반응에 대한 어떤 유의한 효과도 나타나지 않았지만, 레이져 자극으로 인해 유도된 시간-주파수 반응에서는 유의한 영향을 나타내었다.
365-435ms 시간창과 21.5-26.5Hz의 주파수 창에 보이는 이 영향은 자극을 받은 손의 대측 전두 전극과 왼쪽 중앙 전극에 나타난다. 그리고 다른 사람의 통증을 관찰하는 동안 감소된 ERD 활성으로 구성되었다. 이런 공간적인 주기와 시간-주파수 주기는 감각운동 베타밴드 활성에 일치한다. 이것은 전형적으로 대측손의 실제운동과 상상동안에 나타난다.
Source 분석 결과
MNI는 precentral gyrus에 해당하는 좌표에 통계적으로 유의한 차이를 국소화 하였다.
spatial beamforming 접근법은 precentral gyrus와 postcentral gyrus에서 최대 설명된 분산을 가지는 sensorimotor
cortex에 걸친 통계적으로 유의한 차이가 있는 체적 이미지를 나타내었다.
마지막으로 CLARA 분산 전류원 이미지는 는 precentral gyrus에서 차이를 국소화 하였다.
Observation of Pain Others Modulates B Desynchronization in Sensorimotor Regions
15-35Hz 밴드에서 진동 크기의 억제는 thalamocortical gate의 증가된 흥분성과 관련지어져왔다. 시상피질 연결은 내인성 또는 외인성 사건으로 "열려질 수 있다." 동물 연구와 인간대상 연구들은 베타 ERD가 basal ganglia, thalamus, posterior parietal cortex를 포함하는 많은 뇌 영역에서 발생하고 실제 운동 활성 또는 상상과 관계된다고 지적한다.
베타 ERD에서 가장 현저한 전류원은 대측 perirolandic 영역에 위치된다는 점이 가장 주목할 만하다. 더욱이 목표자극에서 빠른 반응시간은 sensorimotor cortex 에 걸친 진행중인 베타 진동의 낮은 크기와 관련된다. 이들 결과들은 베타밴드 동기화가(ERS) 자세 유지상태를 반영하는 반면에 베타밴드 비동기화는 행위 준비를 반영한다는 개념과 일치한다. sensorimotor cortex에 걸친 베타 ERD는 수의 운동과 운동 심상 동안 뿐만아니라 다른 사람의 운동을 관찰하는 동안에도 나타난다.
흥미로운 것은 다른 사람의 통증을 관찰하는 동안 베타 ERD의 감소는 1인칭(자신)의 통증 지각동안 나타난 것과는 반대이다. 따라서 다른 사람의 통증을 관찰하는 동안 받은 침해자극에서 운동 준비반응이 감소된다고 제시한다.
본 연구의 목적과 관련해서 베타 ERD 감소는 침해자극 동안 발생했던 반면 청각자극 동안에는 발생하지 않았다. 따라서 다른 사람의 통증에 대한 반응성은 침해 체성감각자극에 의해 유도된 뇌 반응에 특정한 영향을 가진다.
CONCLUSION
우리의 실험은 처음으로 다양한 감각 양태에 속하는 자극으로 유발된 신경활성의 조절을 통제하는 반면, 침해자극으로 유발된 신경활성에 관해서 다른 사람의 통증을 관찰하는 것으로 유도된 조절의 특이성을 보여준다. 간단하지만 이런 통제의 비교는 관찰자의 침해자극 시스템에 대한 특이한 영향의 존재를 주장하는 연구자들에 의해서 결코 수행되어오지 않았다. 따라서 우리는 시각에 의해서 중재된 다른 사람의 통증을 경험하는 것이 관찰자의 감각운동피질에서 신경 활성을 특이적으로 조절한다는 것, 그리고 이 조절은 또 다른 감각 양태에 속하는 자극보다 침해 자극에 속하는 자극에 의해서 유발된 신경활성에서만 유의하게 발생한다는 것을 증명하였다.
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