سمینار درس کنترل سیستم های عصبی عضلانی استاد درس: دکتر فرزاد توحید خواه ارائه دهنده:

2. تاثیر تحریک مغناطیسی فراجمجمه ای بر روی یادگیری حرکتی TranscranialMagnetic Stimulation(TMS)enhance motor learning سمینار درس کنترل سیستم های عصبی عضلانی استاد درس: دکتر فرزاد توحید خواه ارائه دهنده: معصومه طالب زاده بهار 93

3. عناوین

4. بخش اول : تحریک فرامغناطیسی مغز

5. مقدمه روشهای مطالعاتی در رشته های مرتبط با علوم اعصاب : ثبت تک نورونی یا چند نورونی ،EEG ،اسکن مغزی ،PET ،MRI،MEGو TMSاز جمله روشهایشناسایی طبیعت عملکردهای نقاط مختلف مغزی هستند.هر روش ،مغز را از نقطه نظر خاصی بررسی می‌کند و تکمیل کننده روشهای دیگر است. TMS يك روش تحريك غيرتهاجمي است كه نورون‌هاي مغز را دپلاريزه يا هايپرپلاريزه مي‌كند. TMS از القاي الكترومغناطيسي براي القا كردن جريان‌هاي الكتريكي ضعيف با استفاده از يك ميدان مغناطيسي استفاده مي‌كند.

6. تاريخچه 1-آرسنال و بیر 2-مرتون و همکاران در سال 1980 3-بارکر و همکاراندر سال 1985

7. نحوه تولید و تاثیر تحریک مغناطیسی مغز : 1- دو قانون اصلی الکترومغناطیس ،پایه عملکرد TMS را تشکیل می‌دهند. قانون آمپر ،به این شرح که القای میدان الکتریکی ،باعث القای میدان مغناطیسی خواهد شد . قانون فارادی که بیان می‌کند با تغییر یک میدان مغناطیسی ،جریان الکتریکی بوجود می‌آید. 2- البته میدان مغناطیسی باید عمود بر سیم پیچ باشد. . یک میدان مغناطیسی متغیر ،از پوست ،جمجمه و پرده های مغزی می‌گذرد و جریان الکتریکی ثانویه ای (در خلاف جهت ) در نورون ها ایجاد می‌کند.این جریان الکتریکی باعث تحریک و ایجاد پتانسیل عمل در نورون ها می شود. شدت میدان مغناطیسی بکار رفته 2 تسلا در ناحیه سیم پیچ و 0.5 تسلا در کورتکس

8. اجزای سازنده TMS : به طور معمول دستگاههای TMS شامل دو قسمت اصلی می‌باشد : 1- یک قسمت تولید کننده جریان الکتریکی هستند که جریان الکتریکی متناوبا قطع و وصل شونده ای را با بسامد و شدت متغیری( که قابل تنظیم و انتخاب میباشند)تولید میکند. 2- یک سیم پیچ نیز که وظیفه تحریک بافت مغزی را به عهده دارد ،که به تولیدکننده جریان الکتریکی متصل است.

9. انواع سیم پیچ ها : طراحی سیم پیچ های TMS ر مطالعات درمان یا تشخیص ممکن است تفاوت های زیادی داشته باشد. این تفاوت ها باید در تفسیر نتایج هر مطالعه ای در نظر گرفته شوند و همیشه در نتایج منتشر شده باید نوع سیم پیچ مورد استفاده ذکر شود، مهم ترین مواردی که باید در نظر گرفته شوند عبارتند از: 1- نوع ماده مورد استفاده برای ساخت هسته سیم پیچ 2- شکل هندسه ی سیم پیچ 3- مشخصه های بیوفیزیک پالس تولیدشده توسط سیم پیچ

10. انواع سیم پیچ ها : انواع مختلفی از سیم پیچ ها وجود دارند که هریک شکل میدان مغناطیسی متفاوتی ایجاد می کنند. سيم پيچ گرد: نوع اصلي سيم پيچ TMS سيم پيچ هشتي شكل يا پروانه اي: كه الگوي فعاليت متمركزتري ايجاد مي‌كند. سيم پيچ دوتائي مخروطي: با شكل سر تطابق دارد و براي تحريك عمقي‌تر مفيد است. 10

11. نسبت میدان کویل به عمق نفوذ : تغییر طراحی شکل سیم پیچ های TMSمی تواند امکان نفوذ به عمق های بیشتری در مغز را نسبت به عمق استاندارد که 1.5 سانتیمتر است،فراهم کند

12. انواع پالسهای اعمالی: دونوع پالس الکتریکی در TMS کاربرد دارد: پالسهای دوقطبی و تک قطبی.پالس دوقطبی به صورت سینوسی است . پالسهای مغناطیسی به صورت : تک ،جفتی و پشت سر هم می‌توانند اعمال شوند.

13. تاثیرات TMSمی تواند بسته به نوع تحریک به دو نوع تقسیم شود : 1- TMS تک یا جفت پالس : باعث می شود نورون های نئوکورتکس که زیر مکان تحریک قراردارند،دپلاریزه شده و یک پتانسیل عمل دشارژ کنند. اگر TMSدر پرایمری موتور کورتکس استفاده شود،باعث تولید فعالیت عضلانی شدهکه می توان آن را در الکترومایوگراف ثبت کرد. 2-rTMS : تاثیرات ماندگارتری تولید می کند که بیش از زمان تحریک باقی می مانند.rTMS ،می‌تواند تحریک پذیری مسیرهای کورتیکواسپاینال را بسته به شدت تحریک، جهت سیم پیچ و فرکانس ،کاهش یا افزایش دهد.

14. مکانیسم عمل TMS ،به دو طریق است: اثر تحریکی: یکی از طریق اعمال میدان با فرکانس بالا )فرکانس بالای 1 هرتز( که در نتیجه می تواند اثر تسهیل کننده‌ای روی فعالیت نورونها داشته باشد . اثر مهاری: دیگری از طریق اعمال میدان با فرکانس پایین )کمتر از 1 هرتز( در کورتکس مغز که می تواند اثر مهاری و بازدارنده در مغز ایجاد کند .

15. بخش دوم : یادگیری حرکتی

16. تعریف حرکت : قبل از تعریف یادگیری حرکتی باید چند تعریف پایه‌ای در مورد حرکت داشته باشیم. مثلا حرکت ،الگوی حرکتی و مهارت حرکتی . هر گونه تغییري که در اندام ها و یا وضعیت بدن به وجود آید و قابل مشاهده باشد را حرکت می گویند. به عبارتی هر حرکت ساده شامل تغییر در قسمتی از بدن یا کل بدن می باشد مانند حرکت دادن انگشت دست. مهمترین جزء از مغز انسان که در یادگیری حرکتی و حرکت نقش عمده‌ای دارد ،کورتکس است .

17. قشر حركتي: • تمام حرکات ارادی بدن توسط این قسمتمغز کنترل می شود. • قشر حركتي در قسمت عقب از لوب فرونتال واقع است، درست قبل از شیار مرکزی که لوب فرونتال را از لوب جداری جدا می کند. • قشر حرکتی به دو حوزه اصلی ، منطقه 4 که یک نوار نازک در امتداد شیار مرکزی به عنوان قشر حرکتی اولیه ( M1 )و منطقه 6 که به جلو از منطقه 4 قرار دارد و به دو زیر حوزه متمایز تقسیم می شود،تقسیم شده است .

18. قشر حركتي: • برای انجام حرکات هدفمند ، قشر حرکتی خود ابتدا باید انواع مختلف اطلاعات را از لب های مختلف از مغز دریافت خواهد کرد: 1-اطلاعات در مورد موقعیت بدن در فضا، از لوب آهیانه ؛ 2-در مورد هدف دست یافت و استراتژی مناسب برای رسیدن به آن ، از بخش قدامی لوب فرونتال ؛ 3- در مورد خاطرات و حافظه از استراتژی گذشته، از لوب تمپورال ؛ و غیره.

19. قشر حركتي: • در سال 1870 ، دانشمنداناز نظر الکتریکی نقاط مختلف قشر حرکتی سگ را تحریک كردند. آنها مشاهده کردند که با توجه به اينكه كدام بخش از قشر آنها تحریک شده است ، بخش های مختلف بدن حركت مي‌كند . سپس آنها دریافتند که اگر هر بخش از اين منطقه کوچک همان قشر نابود شود، بخش مربوطه از بدن را فلج مي‌كند. این است که چگونه کشف شد که هر بخشی از قشر حرکتی اولیه یک منطقه خاص از حرکت بدن را کنترل می کند. نکته : اما آنچه كه در كورتكس حركتي قابل توجه است،اين است كه با توجه به قسمتهاي مختلف بدن در اين ناحيه ،فضا وجود ندارد بلكه باتوجه به دقت اندام‌ها در اين ناحيه ،فضا وجود دارد.در شكل زير مشخص است.

20. الگوي حرکتی: ترکیبی از حرکات سازمان دار، با توالی و تسلسل زمانی خاص میباشد. الگوي حرکتی بیشتر در مهارت هاي حرکتی بنیادي به کار می رود،مانند راه رفتن. مهارت حرکتی : مهارت‌ها، فعالیتی هستند که به صورت هدفمند و کاملا اردای انجام می‌شوند .به عبارتی یک الگوي حرکتی است که با دقت بیشتري انجام می شود. این فعالیت‌ها که مستلزم حرکات اندام‌های مختلف بدن و همچنین مستلزم یادگیریاست. ویژگی‌های مهم مهارت حرکتی : 1-هدف داشته باشد 2-اطمینان در به نتیجه رسیدن کار وجود داشته باشد 3-صرف حداقل انرژي یا زمان کاري براي اجرا داشته باشد.

21. رفتار حرکتی: عبارتست از اعمال و پاسخ هاي قابل اندازه گیري و مشاهدة انسان. رفتار حرکتی داراي زیر مجموعه هاي زیر است: 1-یادگیري حرکتی ،2- رشد حرکتی،3- کنترل حرکتی

22. یادگیری چیست: • اکثر مردم با توانایی بالقوه ایجاد بسیاري از مهارت ها از مادر متولد می شوند و تنها کسب تجربه و آموزش هاي ضروري استعدادهاي بالقوه آنها را بارور و شکوفا می سازد و به شکل تکاملی خود می رساند. • نتیجه آشکار تمرین هر فرد در بهبود سطح عملکرد (قابلیت اجراي ماهرانه ) او می باشد.اما ، بهبود عملکرد، به خودي خود، یادگیري نیست، بلکه نشان دهندة وقوع یادگیري است.

23. ویژگی یادگیری : • از تمرین و تجربه ناشی می شود. • مستقیما قابل مشاهده نیست. • از تغییرات عملکرد ناشی می شود. • قابلیت اجرای ماهرانه را پدید می آورد. • تغییرات یادگیری نسبتا پایدار هستند ،موقتی نیستند. • باعث ایجاد تغییر در آینده است. • بیشتر از یک دانشی که شناخته شده و حفظ شده طول می کشد ،برای مثال ؛هنگامی که فرد یادمی گیرد که دوچرخه سواری کند ابتدا او در طول چند سال بدون تمرین بیشتر حفظ می کند.

24. انواع یادگیری : • یادگیری کلامی • یادگیری مشاهده‌ای • یادگیری اجتنابی • یادگیری تصادفی • یادگیری نهفته • یادگیری حرکتی

25. یادگیری حرکتی: • 1- یادگیري حرکتی مجموعه اي از فرآیندهاي همراه با تمرین یا تجربه است که به تغییرات نسبتاً پایدار در قابلیت اجراي ماهرانه منجر می شود . این نوع یادگیري زمانی حاصل می شود که محتواي آموخته شده به وسیلۀ فرد شامل مهارت هاي حرکتی باشد. به عبارتی وقتی که فرد تلاش می کند مجموعه اي از حرکات را یاد بگیرد تا بتواند مهارت را به صورت مناسب انجام دهد از یادگیري حرکتی استفاده کرده است . شنا کردن، پرتاب توپ و .... نمونه هایی از یادگیري حرکتی می باشند. • 2- یادگیري حرکتی مطالعۀ فرآیندهاي دخیل در کسب و تکامل مهارت هاي حرکتی می باشد.

26. بعد از اعمالTMS در طی آزمایش قرار دادن قلم روی یک دیسک چرخان بررسی شده است : مطالعات نشان داده است که اجزای حرکتی خودش به شبکه های کورتکس و شبکه های پیازی و مخچه مربوط می شود در حالیکه ،افزایش فعالیت که نشان دهنده یادگیری است ،در قشر حرکتی سمت چپ ،SMA سمت چپ و تااموس یافت شد .یعنی مخچه در مهارت یادگیری شده دخالت ندارد.

27. مراحل یادگیری حرکتی از دیدگاه دیون و همکارانش : • مرحله شناخت یا مرحله کلامی –حرکتی ،این مرحله سریع است . • مرحله تداعی یادگیری حرکتی ،پیشرفت کمی بدست آمده ،به صورت آهسته صورت گرفته و در طی چند جلسه تمرین و یادگیری ،صورت میگیرد. • مرحله ثبت ،بین جلسات تمرین صورت میگیرد که این اتفاق بسیار مهم است. • حرکت به طور اتوماتیک انجام میشود • مرحله حفظ کردن .

28. پایه یادگیری حرکتی : • دیون و بنالی در 2005 اعمال در یادگیری حرکتی به دو دسته تقسیم می شوند : • یادگیری توالی حرکتی که به فراگیری مهارت های حرکتی مربوط می شود. • سازگاری حرکتی که به توانایی به جبران یا تعدیل کردن تغییرات محیطی مربوط می شود.

29. تمایز بین اجرا و یادگیری : • اجرا قابل مشاهده است . • یادگیری مستقیا قابل مشاهده نیست ( از اجرا استنباط می شود.) • یادگیی از طریق تلاش های مکرر در طول زمان قابل استنباط است. روش های تعیین میزان یادگیری : • مشاهده اجرا یامنحنی های اجرا • آزمون های انتقالی • آزمون های یادداری

30. بخش سوم :تاثیر TMS بر یادگیری حرکتی

31. مقدمه : این تحریکات به عنوان وسیله است که شکل گیری حافظه حرکتی ،کارایی حرکتی و یادگیری حرکتی را در سلامتی تسهیل می‌کند. این تغییرات را از طریق یادگیری هب انجام میدهد. این تحریکات می‌توانند مقدار تحریک را در ناحیه کورتیکال مغز افزایش یا کاهش دهند.

33. نقش قشر حرکتی اولیه در يادگيري حركتي به عنوان مطالعه تحريك غيرتهاجمي: يادگيري حركتي با تغييرات عملكردي در نواحي قشر حرکتی اولیه ،قشر حركتي مكمل ،مخچه ،هسته‌هاي تالاموس و استرياتوم در ارتباط است. مطالعات انجام شده توسط TMS ,Tdcsنقش كليدي ناحيه M1 را در يادگيري حركتي نشان مي‌دهند.

34. نقش M1 در کد کردن یک حافظه حرکتی اولیه: نکات مهم : مهم است كه توجه كنيم كه اين تاثير زماني ديده مي‌شود كه M1 همزمان با حركات تمريني تحريك شود و نه زماني كه تحريک بين حركات تمريني اعمال شود. يافته ديگري این است که ،تحریک M1 همان طرف از دست ،باعث شده که تاثیر آموزش را ،روی یادگیری حرکتی مختل میکند،که این نکته بیانگر همان اتصالات بین دو نیمکره از M1 را در تشکیل حافظه حرکتی را نشان میدهد. تشكيل حافظه‌هاي حركتي در M1 مي‌تواند اولين گام در يك زنجيره پيچيده از حوادثي باشد كه منجر به بهبود مهارت‌هاي حركتي مي‌شود اما نبايد به عنوان يادگيري حركتي تفسيرشود. اعمال يك تك پالسTMS به M1طرف مقابل دستي كه دارد وظيفه‌ي خم كردن شست را تمرين مي‌كند توانايي افراد سالم براي كدكردن يك حافظه حركتي ابتدايي و ماندگاري كم در آن، در پرايمري موتوركورتكس را افزايش مي‌دهد.

35. نقشM1 در تطبیق حرکت : مفهوم تطبیق حرکت یعنی سازگار شدن که خود نوعی یادگیری است، به اغتشاشات خارجی مثل TMS. در حالت کلی تحریک روی M1 ،با استفاده از TMS ،1 HZ ،در طول یا قبل از پارادایم‌های تطبیقی ،که تحریک پذیری روی این ناحیه را کاهش میدهد اعمال شد . با اعمال يك TMS تک پالس به ناحيه M1 چه بلافاصله بعد از حركت سريع يا با تاخير 700 ميلي ثانيه ،نمايش سازگاري فرد طبيعي بود. با اين حال در افرادي كه تحريك را با تاخير دريافت كردند نسبت به كساني كه اين تحريك را فوري دريافت كردند ،شكننده تر بود.آنها با سرعت بيشتري فراموش ميكنند.

36. نقش M1 در یادگیری مهارت حرکتی: یادگیری حرکتی اغلب بعد از اتمام تمرین ادامه می یابد که به نام یادگیری آفلاین است. M1نقش عملکردی مرتبطی در تثبیت حافظه حرکتی : آزمایشی انجام شد که در این آزمایش، تحریک rTMS ،1HZ ،را قبل از جلسه تمرین وظیفه چسباندن شست به انگشت اعمال شد ، بهبودهای درون جلسه ای در سرعت و تولید نیروی ماهیچه مختل نکرد اما نسبت به تحریکی که 6 ساعت بعد از تمرین اعمال شد یا به یک ناحیه کورتیکال دیگر اعمال شد، تاثیر زیان باری روی پایداری این بهبودها داشت. نقش M1 در یادگیری دنباله حرکتی بررسی شد : rTMS ،1HZ بلافاصه بعد از آموزش روی M1 اعمال شد.دو گروه در نظر گرفته شد یک گروه صبح زود و یک گروه عصر کار .مرز نهائی بهبود آفلاین در کارائی تسک 12 ساعت بعد بود)یعنی برای یک گروه عصر بدون این که بخوایند و برای گروه دوم بعد از خواب شب(. گزارش شد که بهبود های آفلاین تسک یادگرفته شده در گروه اول مختل شد )یعنی گروه بدون خواب( اما در گروه دوم نه. نویسندگان نتایج را به این صورت تفسیر کردند که این نتایج فرایندهای متفاوت را بسته به این که خواب چقدر به زمان تمرین نزدیک است نشان می دهند.

37. تلاش برای تسهیل یادگیری حرکتی با تحریک غیرتهاجمی مغز : 1-با اعمال تحریک های غیرتهاجمی با پارامترهایی که تحریک پذیری کورتکس حرکتی را بهبود میدهد میتوان یادگیری حرکتی را تسهیل کرد. 2-یک ساختار کلیدی در شبکه توزیع شده وجود دارد ،که یادگیری دنباله حرکتی را در قشر حرکتی اولیه (M1 ) بوجود می‌اورد. 3- تعامل بین دو نیمکره M1 هم نقش مهمی در حالت کلی در کنترل حرکت دارد و در حالت خاص در یادگیری توالی حرکتی موثر است.طبق این تعاملات ،آن به صورت تئوری یادگیری حرکتی را در M1 ممکن است آسان ‌سازد. کیم و همکارانش rTMS ،10 هرتز بر روی ناحیه M1 در طول تمرین حرکت انگشت به صورت دنباله‌ای اعمال کردند ؛و مشاهده کردند که منجر به بهبود حرکت دنباله‌ای شد(این اندازه‌گیری بوسیله بازده و سرعت در فشار دادن کلید در یک حرکت دنباله‌ای بود.) البته با مقایسه با تحریک شم.

38. یکی از مهمترین نکاتی که در رابطه با تحریک M1 با TMS باید در نظر بگیریم ،این است که تاثیر این روشها بسته به پیچیدگی از آن وظیفه دارد. مثلاً برای حرکت ساده ولی تکراری خم کردن انگشت با TMS فرکانس بالا بهبود داده نمی‌شود در صورتی که وظایف حرکتی پیچیده یا شکل گیری حافظه حرکتی بهبود داده می‌شوند. • مطالعهدیگر هم نشان داده‌اند که اگر M1 همان سمت بدن را بوسیله rTMS، 1HZ ،در طول تمرین تحریک کنیم ، هیچ بهبود عملکردی در حرکت دنبال کردن ( tracking ) یک انگشت پیدا نمی‌شود.

39. دراین مقاله روی دو گروه راست دست از جمله گروه افراد سالم (شم ) و گروه دوم (گروهTMS ) تحقیقاتی را انجام داند ،آنها یک TMS ،5 هرتزی را به این دو گروه اعمال کردند ،دیدند در هر دو گروه با اعمال TMS بعد از 4 هفته توانستند دنباله اعداد را با دست غیر غالب انجام دهند و تنها فرق بین آنها جریان خون مغزی (CBF ) در افراد TMS در مناطق M1 ،قشر کمربندی ، پوتامن ،هیپوکامپ ، و مخچه افزایش یافته است.[6]

40. هرچه تحریک TMS با فرکانس کمتری باشد،باعث کاهش تحریک پذیری شده و اگر با فرکانس بالاتری باشد ،تحریک پذیری را افزایش می‌دهد.[7] • تناقضاتی که در تاثیر TMS وجود دارد میتواند ناشی از [7]: • پروتکل های مختلف و وظایف حرکتی در مطالعات مختلف • بهره وری پایین rTMS • شبکه های عصبی پیچیده و اثرات غیر مستقیم و یا از راه دور ان

43. منابع : • 1-"تحریک متناوب مغزی با استفاده از امواج مغناطیسی ،روشها و کاربردهای آن در درمان اعتیاد" ،فصلنامه اعتیاد-شماره سوم،بهار 1387 • 2-فاطمه یاوری،" تحریک مغناطیسی فراجمجمهای" ماهنامه مهندسی پزشکی . شماره 129 ،صفحه71-79 • 3-بهروز توانا ، فاطمه دهقانی زاده،" بررسي ميزان پاسخ دهي عضله تراپزيوس به تحريكات مغناطيسي كورتكس موتور همان سمت و سمت مقابل مغز در افراد داوطلب نرمال" ، مجله علمي دانشگاه علوم پزشكي سمنان- جلد 9، شماره 3 ( پياپي 27 ) ، بهار 1387 • [4]. Hiroaki Masaki and Werner Sommer “Cognitive neuroscience of motor learning and motor control” , J Phys Fitness Sports Med, 1(3): 369-380 (2012) • [5].” Consensus: Can transcranial direct current stimulation and transcranial magnetic stimulation enhance motor learning and memory formation?” , Janine Reis,Edwin M. Robertson • [6]. Shalini Narayana , Wei Zhang,” Concurrent TMS to the primary motor cortex augments slow motor learning”, NeuroImage xxx (2013) xxx–xxx • [7]. Jhih-Hong Fang, Jia-Jin Jason Chen,Ing-Shiou Hwang, Ying-Zu Huang,” Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation over the Human Primary Motor Cortex for Modulating Motor Control and Motor Learning”, Journal of Medical and Biological Engineering, 30(4): 193-201