Meten van het spiegelneuronensysteem: een gecombineerd EEG/fMRI onderzoek

Mensen kunnen een groot deel van de intenties, gevoelens en emoties van anderen
afleiden door hen eenvoudig te observeren.
De neurale basis van dit *mind-reading* vermogen wordt onvoldoende begrepen,
maar de ontdekking van de spiegelneuronen in de makaakaap werd een grote stap
voorwaarts in de wetenschappelijke verklaring van sociale cognitie.
Spiegelneuronen vuren zowel als een makaakaap een handeling, bijv. grijpen,
verricht, en ook als deze dezelfde handeling van een andere makaakaap of een
mens observeert. Er wordt daarom vanuit gegaan dat spiegelneuronen dienst doen
geobserveerde handelingen te vertalen in de neurale activiteit van de eigen
handelingen. Zodoende wordt het probleem een ander zijn handelingen te
begrijpen omgevormd in een eenvoudiger probleem, dat van het begrijpen van
iemands eigen handelingen.

Terwijl spiegelneuronen worden gebruikt om een indrukwekkende verscheidenheid
van menselijke cognitieve functies te verklaren, incl. taal en nabootsing en
het begrijpen van handelingen, blijft het bestuderen van spiegelneuronen bij
mensen elusief.
Vaak bestuderen fMRI onderzoekers spiegelneuronen door het vinden van *shared
voxels* *kleine hoeveelheden hersenweefsel welke aktief zijn tijdens zowel het
verrichten van een handeling als bij observeren ervan- . In tegenstelling tot
EEG onderzoekers die gewoonlijk de activitiet van spiegelneuronen
kwantificeren door onderdrukking van rolandic alpha-ritmes (oscillaties binnen
8-13 Hz frequentie in de sensorimotore cortex) en beta-ritmes (oscillaties
binnen 13-30 Hz frequentie in de sensorimotore cortex) tijdens het observeren
en uitvoeren van een handeling. Van deze beide benaderingen, shared voxels in
fMRI en rolandic alpha- en beta-onderdrukking in EEG, wordt verondersteld dat
zij de activiteit van spiegelneuronen weerspiegelen, terwijl er geen bewijs is
dat dezelfde onderliggende neurale activiteit wordt gemeten. Ten behoeve van
dit probleem is het voorliggende onderzoek ontworpen om de relatie tussen
shared voxels en rolandic alpha- en beta-onderdrukking vast te stellen.

In dit onderzoek willen wij vaststellen hoe shared voxels, gemeten met fMRI,
zijn gerelateerd aan rolandic alpha- en beta-onderdrukking, gemeten met behulp
van EEG. Dit omdat wordt verondersteld dat beiden de activiteit van het
spiegelneuronen meten. Onze hypothese is dat rolandic alpha- en
beta-onderdrukking zal correleren met de activiteit in shared voxels, op zo'n
wijze dat rolandic alpha en beta-onderdrukking zal worden versterkt in de tests
waarin met name shared voxels actief zijn.

Het onderzoek houdt een fMRI-ontwerp in blokken in. Zowel het fMRI BOLD signaal
als de EEG zullen tijdens elk blok worden opgenomen en later worden
geanalyseerd.

In de samengestelde actie-observatieblokken zal de proefpersonen een serie van
3 filmpjes worden getoond (twee van 3 seconden, één van 4 seconden) waarin een
acteur een doelgerichte handeling met een voorwerp verricht, bijv. een boterham
met jam besmeren of een bloem in een vaas plaatsen. Alleen de arm van de acteur
is zichtbaar. De samengestelde actie-conditie zal bestaan uit drie
controle-condities: 1) een samengestelde controle, waarin de video*s een arm
tonen bewegend in dezelfde richting en in een identieke omgeving, maar niet
doelgericht en zonder voorwerp; 2) een statische controle, waarin de video*s
een arm tonen in een identieke omgeving maar zonder beweging, en 3) een
baseline controle waarin een beeld van geometrische voorwerpen met dezelfde
kleuren als de omgeving in de ander filmpes.

Naast deze observatie conditie zullen er ook twee uitvoeringscondities zijn:
een actie-uitvoering en een controle.
Elk blok begint met een groene of rode cirkel gedurende 1 seconde om de
proefpersoon er attent op te maken dat er resp. een actieblok of een
controleblok start. Hierna zullen er 3 groene of 3 rode cirkels worden getoond,
2 gedurende 3 seconden en 1 cirkel 4 seconden. In de actieblokken geeft de
plaats van de cirkel aan op welk voorwerp (een kom en lepel, een wijnglas of
een mok) de proefpersoon zal reageren. De verkleining van grootte van de cirkel
geeft aan hoe lang op het voorwerp wordt gereageerd. In de controleblokken
zullen de proefpersonen zich op de rode cirkels concentreren zonder een
handeling te verrichten.

Er zijn 4 extra blokken nodig om de gebieden te isoleren die reageren op het
verrichten van handelingen en om de bijdrage van de motorisch en
proprioceptieve hersengebieden los te koppelen van de rolandic alpha en beta
ritmes.
In de samengestelde actie en controle blokken, zal een groene of rode cirkel
(gedurende 1 seconde) de proefpersonen erop attent maken dat er resp. een
samengesteld actieblok of controleblok start. Vervolgens zullen er 3 groene of
3 rode cirkels worden gepresenteerd, 2 cirkels gedurende 3 seconden en 1
gedurende 4 seconden. In de samengestelde actieblokken geeft de plaats van de
cirkel aan op welk voorwerp (een kom en lepel, een wijnglas of een mok) de
proefpersoon zal reageren. De verkleining van grootte van de cirkel geeft aan
hoe lang op het voorwerp wordt gereageerd. In de controleblokken zullen de
proefpersonen zich op de rode cirkels concentreren zonder een handeling te
verrichten..
In elk blok met de conditie *vrijwillige beweging* zullen de proefpersonen 10
seconden in een schuimrubberen bal knijpen. In de blokken met de conditie
*onvrijwillige beweging* zal de onderzoeker met zijn hand rond de hand van de
proefpersoon de schuimrubberen bal knijpen.

Tenslotte zal de scan tijdens rust, gedurende welke de proefpersoon voor 12
minuten passief kijkt naar een fixatiekruis, gebruikt worden om zowel de
connectivity tussen de hersengebieden als hun correlaties met een frequentie
onder 0.1Hz te berekenen.

Er zijn 3 soorten sessies: actie-observatie, actie-uitvoering en rust. Er zijn
12 blokken voor elke conditie in de 4 observatie- en 4 uitvoeringssessies, de
blokken worden gescheiden door een pauze van 12-14 seconden. De
observatieblokken en de eenvoudige handelingsblokken zullen elk 11 seconden
duren (incl. de 1 seconde aan het begin van het blok). Na de observatie- en
uitvoeringssessies zal een rust-sessie van 12 minuten, gevolgd door een
anatomische scan van 8 minuten het geheel voltooien. De proefpersonen zullen
dus ongeveer 1 uur in de scanner doorbrengen.

Het onderzoek houdt een minimale belasting en minimaal risico in.
De cognitieve tests houden een minimale belasting in. De EEG-test, gemeten via
32 electrodes in een plastic muts is een gebruikelijke, non-invasieve techniek
binnen het neurowetenschappelijk onderzoek.
Om de gelijktijdige fMRI-gegevens te verkrijgen, zullen de proefpersonen worden
blootgesteld aan een magnetisch veld van 3 Tesla en snel wisselende magnetische
gradienten en radiogolven, met de binnen fMRI en MRI onderzoek gebruikelijke
sterkte.
In zeldzame gevallen wordt een perifere zenuw in de buik gestimuleerd door de
wisselende magnetische velden. Dit in onschadelijk, en geeft een kriebelend
gevoel.
Voor fMRI-tests wordt van de proefpersonen gevraagd stil te liggen in een
kleine ruimte, het is echter onze ervaring dat de meeste proefpersonen dit 60
minuten gemakkelijk aankunnen en het leuk vinden om deel te nemen. Bovendien
zullen er korte pauzes worden ingelast tussen sessies op verzoek van de
proefpersoon of van de onderzoeker als deze dat nodig acht. Gecombineerd
EEG-fMRI onderzoek is al binnen het UMCG uitgevoerd en er is geverifieerd dat
de EEG-appartuur MRI-compatibel is en geen risico vormt voor proefpersonen.

De vrijwilligers hebben geen direct voordeel, maar onze ervaring is dat
individuele vrijwilligers vaak voldoening ervaren bij deelname aan dit soort
onderzoek.
Bovendien zullen de verzamelde gegevens ons begrip over het
spiegelneuronensysteem vergroten.
Met name zal dit onderzoek de relatie tussen fMRI fenomenen van shared voxels
en de EEG-fenomena van rolandic alpha- en beta-onderdrukking binnen het
spiegelneuronensysteem helpen verhelderen.