Aanleren van bewegingspatronen en crossmodale interacties binnen het menselijk spiegelneuronensysteem in fMRI

Er wordt verondersteld dat het spiegelneuronensysteem de neurale basis vormt
voor een directe matching tussen observatie en bewegingsrepresentaties van
handelingen en dat het bemiddelt tussen het begrijpen van handelingen en
intenties [zie 1]. Er schijnt een gelijksoortig systeem te bestaan voor het
auditieve gebied dat een gehoorde actie matcht met bewegingsrepresentatie [zie
bijv. 2]. Tot op heden zijn de crossmodale interacties binnen het systeem
echter niet systematisch onderzocht.

[1] Rizzolatti, G., & Craighero, L. (2004). The mirror-neuron system. Annual
Review of Neuroscience, 27, 169-192.
[2] Gazzola, V., Aziz-Zadeh, L., & Keysers, C. (2006). Empathy and the
somatotopic auditory mirror system in humans. Current Biology, 16, 1824-1829.

Dit onderzoeksproject wil met behulp van fMRI de crossmodale interacties en
crossmodale transfer onderzoeken tijdens het waarnemen van verschillende nieuw
geleerde bewegingspatronen.
Voordat wordt gescand zullen de proefpersonen leren toonsequenses uit te voeren
op een piano keyboard, ofwel in een zuiver auditieve leerconditie, ofwel in een
zuiver visuele leerconditie.
Ten eerste zal worden onderzocht of het auditieve en het visuele
spiegelneuronensysteem dezelfde gemeenschappelijke neurale substraten heeft.
Ten tweede onderzoeken we welke hersengebieden en welke delen van het
spiegelneuronensysteem reageren op het geluid van een handeling (dwz een
melodie) als deze handeling was geleerd door het observeren van
overeenstemmende vingerbewegingen.
Analoog hieraan zal worden getest welke hersengebieden en in het bijzonder
welke delen van het spiegelneuronensysteem worden geactiveerd tijden het
observeren van een handeling (vingerbewegingen op een piano keyboard) welke was
geleerd uit te voeren door te luisteren naar de overeenstemmende melodie.
M.a.w., we onderzoeken of er een crossmodale transfer is als een handeling is
geleerd binnen 1 modaliteit.
Ten derde onderzoeken we of er trimodale gebieden zijn, die reageren op zowel
het geluid als op het waarnemen van een handeling. Tenslotte zullen zowel de
structurele als functionele gegevens worden gerelateerd aan gedragsmatige
gegevens: verschillen in witte stofkanaaltjes in elke individuele proefpersoon
zullen worden onderzocht met gebruikmaking van Diffusion Tensor Imaging, om
zodoende de verkregen waarden te correleren aan de onderscheidende
uitvoeringsparameters tijdens de training en individuele hemodynamische
reacties in relevante hersengebieden tijdens een (motorische) uitvoeringstaak.

Allereerst zullen de deelnemers pianomelodien leren spelen op een
pianokeyboard, meer specifiek het bewegingspatroon/toonsequens welke een
(potentiele) melodie produceert.
Er zijn twee verschillende leercondities:
1. observeren van vingerbewegingen die een toonsequens laten zien, terwijl
deelnemers hun eigen vingers kunnen zien tijdens reproductie, maar geen geluid
kunnen horen (leren door alleen te kijken) of:
2. luisteren naar een toonsequens (bijv. een melodie), zonder hun eigen
vingerbewegingen tijdens de training te kunnen zien, maar proefpersonen horen
wel het resultaat door zelf toetsen in te drukken. (leren door alleen te
luisteren).

Nadat de elke trainingssessie is afgerond, zullen de proefpersonen deelnemen
aan scansessies inclusief functional Magnetic Resonance Imaging (fMRI) en
Diffusion Tensor Imaging (DTI) na drie dagen training en fMRI en een
anatomische MRI scan na 6 dagen training. Tijdens de fMRI scan zal de
proefpersoon melodieën horen (binnen één trial twee melodieen; ofwel dezelfde
melodie of 2 verschillende melodieen), die ze hebben geleerd tijdens de
auditieve of de visuele training, of ze horen een melodie die ze niet hebben
getraind.
Bijgevolg zullen de proefpersonen de verschillende vingerbewegingen zien die ze
hebben geleerd tijdens de auditieve of visuele training, of een die ze niet
hebben geleerd. Dit resulteert in zes verschillende experimentele condities
(voor de eerste fMRI scan, na visuele of auditieve training allen, zijn er 4
condities, respectievelijk):
1. Vtrain Vtest: geobserveerde sequenses die eerder visueel zijn getraind
2. Atrain Vtest: geobserveerde sequenses die eerder auditief zijn getraind
3. no-train Vtest: geobserveerde sequenses die niet zijn getraind
4. Atrain Atest: gehoorde sequenses die eerder auditief zijn getraind
5. Vtrain Atest: gehoorde sequenses die eerder visueel zijn getraind
6. no-train Atest: gehoorde sequenses die niet eerder zijn getraind

Hierna zullen de proefpersonen een volgende trainingssessie krijgen, waarbij ze
worden getraind alle melodieen, auditief en visueel, gelijktijdig uit te
voeren. Tijdens de derde fMRI scan, binnen elke test twee (dezelfde of een
verschillende), zullen de geleerde toonsequenses worden aangeboden, beide
auditief, of één visueel en één auditief.

Deelnemers zullen aan een 3 Tesla magnetisch veld worden blootgesteld. Tot op
heden zijn er geen nadelige effecten beschreven. In uitzonderlijke gevallen
wordt een perifere zenuw (in de buik) gestimuleerd door de veranderende
magnetische velden. Dit zorgt voor een tintelend gevoel, maar is niet
schadelijk.