Νευροφυσιολογική διερεύνηση των ιδιοτήτων των νευρώνων του φλοιού των εγκεφαλικών ημισφαιρίων πέριξ της κεντρικής αύλακας πιθήκου που δραστηριοποιούνται κατά την εκτέλεση και την παρατήρηση κινήσεων του άνω άκρου

Abstract

In the first part of this thesis we investigated the response properties of mirror neurons (MirNs) in the ventral premotor cortex (PMv) of the macaque brain. The fundamental feature of these cells, characterized “tiny miracles”, is that they respond both when a monkey reaches for an object and when the monkey watches someone else reach for the same object. This simple response pattern led to the formulation of a wide-reaching theory concerning the neural basis of motor cognition, according to which we understand the actions of others because our MirNs are activated to represent these actions. Existing evidence on the properties of MirNs is limited, and often the theories taking advantage of MirNs to explain aspects of motor cognition are not grounded on empirical facts.We examined key assumptions of the MirN theory, used to support the involvement of MirNs in action understanding, and found them to be invalid. In contrast to the claim that MirNs respond exclusively to object–directed actions, we demonstrate that MirNs are activated by the observation of both transitive and intransitive actions. Furthermore, our finding that the activity of MirNs is correlated with the kinematics of actions challenges the notion that these neurons encode the goal of actions. Finally, we demonstrate that, in contrast to previous notions, MirNs and non-MirNs of area F5 use different codes to represent actions during execution. Our results dictate a re-evaluation of the function of MirNs. Our finding that MirNs start discharging shortly after the onset of observed movement, combined with the finding that they encode movement kinematics, indicate that they may be involved in the rapid detection and monitoring of others’ actions as they unfold. Moreover, the fact that during execution kinematics are encoded almost in synchrony with the movement suggests the involvement of MirNs in the online control of action.In the second part of the thesis we investigated whether neurons that respond to action observation also exist in the dorsal premotor cortex (PMd) of the macaque brain. MirN theory holds that action understanding is sub-served exclusively by the fronto-parietal circuit consisted of the ventral premotor area F5 and the inferior parietal area PF/PFG which, according to Rizzolatti, are the only ones containing MirNs. Until recently, these were the only areas in which the existence of MirNs was investigated using direct methods such as the extracellular recording of single cell activity, mainly by members of the Rizzolatti’s team. However, there is a large and constantly increasing body of evidence indicating that the observation of an action induces widespread cortical activation, as does its execution. Several brain imaging studies from our lab demonstrate that the system activated during the observation of actions of other subjects encompasses the entire brain circuitry that supports action execution, rather than just a couple of cortical areas supposed to be the only ones containing MirNs. We employed the same paradigm used for the study of MirNs in area F5 to search for MirNs in the PMd, in order to conclusively verify the existence of MirNs in this part of the brain.We identified several neurons in the PMd that respond both during action execution and action observation, thus proving the existence of MirNs also in this part of the brain. Similarly to F5 MirNs, the dorsal premotor MirNs were action selective and responded to the observation of both transitive and intransitive actions. The discharge of the dorsal premotor MirNs started earlier than the discharge of F5 MirNs during both observation and execution. Moreover, the activity of the dorsal premotor MirNs was correlated with the action kinematics and this correlation preceded the corresponding one between the activity of F5 MirNs and action kinematics. Finally, actions were encoded similarly in the dorsal and ventral premotor cortices, either when the execution or the observation discharges of the two areas were considered. During observation, the activity of the dorsal premotor MirNs occurring at the initial phases of the movement was correlated with the activity of F5 MirNs occurring at the final phases of the movement. The properties of the dorsal premotor MirNs are fully compatible with its long standing involvement in the online control of actions and with our proposal that MirNs may be involved in the rapid detection and monitoring of self and others’ actions as they unfold.

Στο πρώτο μέρος αυτής της διατριβής μελετήσαμε τις λειτουργικές ιδιότητες των νευρώνων κατόπτρων (ΝΚ, mirror neurons) της περιοχής F5 του κοιλιακού προκινητικού φλοιού των εγκεφαλικών ημισφαιρίων του μακάκου. Οι ΝΚ ενεργοποιούνται τόσο όταν το ζώο προσεγγίζει και συλλαμβάνει αντικείμενα με την άκρα χείρα όσο και όταν παρακολουθεί τον πειραματιστή να εκτελεί την ίδια πράξη. Αυτό το πρότυπο ενεργοποίησης οδήγησε στη διατύπωση της θεωρίας των ΝΚ που αφορά το νευρωνικό υπόστρωμα της κατανόησης των πράξεων των άλλων. Σύμφωνα με αυτή, ο παρατηρητής αντιλαμβάνεται την πράξη που βλέπει επειδή ενεργοποιούνται στον εγκέφαλό του οι ΝΚ όπως όταν ο ίδιος εκτελεί την ίδια ή παρόμοιες πράξεις. Δυστυχώς, τα υπάρχοντα στοιχεία σχετικά με τις λειτουργικές ιδιότητες των ΝΚ είναι περιορισμένα και συχνά οι θεωρίες που βασίζονται στον υποτιθέμενο ρόλο τους για να εξηγήσουν πτυχές γνωσιακών λειτουργιών στερούνται θεμελίωσης σε εμπειρικά δεδομένα. Χρησιμοποιήσαμε τη μέθοδο της εξωκυττάριας καταγραφής της δραστηριότητας μονήρων νευρώνων από τον εγκεφαλικό φλοιό μακάκων που είτε εκτελούν μία συμπεριφορά που έχουν μάθει είτε παρακολουθούν τον πειραματιστή να εκτελεί την ίδια συμπεριφορά. Η μέθοδος αυτή έχει υψηλή χρονική διακριτική ικανότητα και είναι η καταλληλότερη για την μελέτη του τρόπου με τον οποίο κωδικοποιούνται ανώτερες εγκεφαλικές λειτουργίες.Εξετάσαμε τις βασικές παραδοχές της θεωρίας συμμετοχής των ΝΚ στην κατανόηση των πράξεων των άλλων και αυτές δεν επαληθεύθηκαν. Σε αντίθεση με τον ισχυρισμό ότι οι ΝΚ αποκρίνονται αποκλειστικά κατά την παρατήρηση μεταβατικών πράξεων (σύλληψη αντικειμένων), δείξαμε ότι οι ΝΚ αποκρίνονται και κατά την παρατήρηση αμετάβατων κινήσεων (έκταση άκρου και δακτύλων). Βρήκαμε επίσης ότι η δραστηριότητα των ΝΚ συσχετίζεται με τις κινηματικές παραμέτρους των κινήσεων, εύρημα που αμφισβητεί την υπόθεση ότι οι ΝΚ κωδικοποιούν τον σκοπό των παρατηρούμενων πράξεων. Τέλος, δείξαμε ότι, σε αντίθεση με την επικρατούσα άποψη, οι ΝΚ και οι μη-κατοπτρικοί νευρώνες της περιοχής F5 κωδικοποιούν με διαφορετικό τρόπο τις εκτελούμενες πράξεις. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν την ανάγκη επαναξιολόγησης του ρόλου των ΝΚ. Το γεγονός ότι οι ΝΚ ενεργοποιούνται μετά την έναρξη της παρατηρούμενης κίνησης, σε συνδυασμό με την ύπαρξη συσχέτισης μεταξύ των αποκρίσεων και των κινηματικών παραμέτρων, υποδεικνύει ότι οι ΝΚ είναι πιθανό να συμμετέχουν στην ανίχνευση και την παρακολούθηση της εξέλιξης των πράξεων των άλλων. Επιπλέον, το γεγονός ότι κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης κινήσεων οι ΝΚ κωδικοποιούν τις κινηματικές παραμέτρους σχεδόν ταυτόχρονα με την κίνηση υποδηλώνει τη συμμετοχή τους στον υπό οπτική καθοδήγηση κινητικό έλεγχο.Στο δεύτερο μέρος της διατριβής εξετάσαμε την ύπαρξη ΝΚ στον ραχιαίο προκινητικό φλοιό των εγκεφαλικών ημισφαιρίων του μακάκου. Σύμφωνα με την κυρίαρχη άποψη, το νευρωνικό κύκλωμα που είναι υπεύθυνο για την αντίληψη της κινητικής συμπεριφοράς των άλλων περιλαμβάνει αποκλειστικά την περιοχή F5 του κοιλιακού προκινητικού φλοιού και τις περιοχές PF/PFG στο πρόσθιο τμήμα του κάτω βρεγματικού λοβού. Μέχρι πρόσφατα, αυτές ήταν οι μόνες περιοχές στις οποίες διερευνήθηκε η ύπαρξη ΝΚ με τη χρήση άμεσων μεθόδων όπως η εξωκυττάρια καταγραφή της δραστηριότητας μονήρων νευρώνων. Ωστόσο, ολοένα και περισσότερα δεδομένα δείχνουν ότι η παρατήρηση κινήσεων ενεργοποιεί πολλές περιοχές των εγκεφαλικών ημισφαιρίων. Μελέτες λειτουργικής χαρτογράφησης του εγκεφάλου με τη μέθοδο της δεοξυγλυκόζης από το εργαστήριό μας δείχνουν ότι οι περιοχές που ενεργοποιούνται τόσο κατά την παρατήρηση όσο και κατά την εκτέλεση πράξεων δεν περιορίζονται στις περιοχές F5 και PF/PFG αλλά περιλαμβάνουν το σύνολο των περιοχών που ενεργοποιούνται κατά την εκτέλεση πράξεων.Εφαρμόζοντας την δοκιμασία συμπεριφοράς που χρησιμοποιήσαμε και για τη μελέτη των ΝΚ στην περιοχή F5, αναζητήσαμε ΝΚ στον ραχιαίο προκινητικό φλοιό, έτσι ώστε να εξακριβωθεί η ύπαρξή τους σε αυτή την περιοχή των εγκεφαλικών ημισφαιρίων. Εντοπίσαμε νευρώνες που αποκρίνονται τόσο κατά την εκτέλεση όσο και κατά την παρατήρηση πράξεων, αποδεικνύοντας έτσι την ύπαρξη ΝΚ σε αυτή την περιοχή. Όπως και οι ΝΚ της περιοχής F5, οι ΝΚ του ραχιαίου προκινητικού φλοιού απαντούν επιλεκτικά στην παρατήρηση και στην εκτέλεση μεταβατικών κινήσεων σύλληψης. Επιπλέον, απαντούν και κατά την παρατήρηση αμετάβατων κινήσεων. Οι ΝΚ του ραχιαίου προκινητικού φλοιού ενεργοποιούνται νωρίτερα από τους ΝΚ της F5, τόσο κατά την παρατήρηση όσο και κατά την εκτέλεση κινήσεων. Επίσης, η δραστηριότητα τους συσχετίζεται με τις κινηματικές παραμέτρους και αυτή η συσχέτιση προηγείται της αντίστοιχης των ΝΚ της F5. Τέλος, βρήκαμε ότι οι ΝΚ της F5 και του ραχιαίου προκινητικού φλοιού κωδικοποιούν τις κινήσεις με όμοιο τρόπο, τόσο κατά την εκτέλεση όσο και κατά την παρατήρηση. Κατά τη διάρκεια της παρατήρησης, η δραστηριότητα των ΝΚ του ραχιαίου προκινητικού φλοιού στα αρχικά στάδια της κίνησης συσχετίζεται με τη δραστηριότητα των ΝΚ της F5 στα τελικά στάδια της κίνησης. Οι ιδιότητες των ΝΚ του ραχιαίου προκινητικού φλοιού είναι πλήρως συμβατές με την προταθείσα συμμετοχή της περιοχής αυτής στον υπό οπτική καθοδήγηση κινητικό έλεγχο καθώς και με την πρότασή μας ότι οι ΝΚ συμμετέχουν στην ανίχνευση και την παρακολούθηση της εξέλιξης των πράξεων των άλλων.