Visual motion processing and TMS: increase of neural noise or reduction of signal strength?

La stimolazione magnetica transcranica (TMS) è una metodica utilizzata nelle neuroscienze cognitive, che permette di superare l’approccio correlazione fra cervello e funzioni cognitive associate, stabilendo invece una relazione causale fra area cerebrale e processo cognitivo in atto. Nonostante la TMS sia ampiamente impiegata a scopi di ricerca sia clinica che di base, i meccanismi di azione attraverso cui opera sono poco chiari. L’ipotesi di “lesione virtuale” è l’unico inquadramento teorico disponibile al fine di interpretare i dati proveniente da studi TMS. In analogia con studi di lesioni su animali o in pazienti umani, l’ipotesi di “lesione virtuale” stabilisce che la TMS agisca inducendo un blocco transitorio e reversibile della funzionalità della popolazione neurale coinvolta dalla stimolazione. In questo modo è stato possibile studiare il ruolo funzionale dell’area stimolata all’interno della rete di connessioni cerebrali ingaggiate dal compito cognitivo in atto, senza l’interferenza di effetti confondenti tipici di studi di lesione, ad esempio fenomeni di riorganizzazione cerebrale o di plasticità. Nonostante l’”ipotesi di lesione virtuale” abbia permesso un notevole incremento dell’impiego della TMS nelle neuroscienze cognitive, essa non propone nessuna indicazione precisa circa i meccanismi di azione attraverso cui la TMS agisca. In particolare, appare che la TMS possa agire sia riducendo l’intensità del segnale neurale, sia introducendo rumore neurale nell’area stimolata. Entrambi questi meccanismi inducono in ultima analisi ad un impoverimento della prestazione comportamentale del soggetto. Scopo della presente trattazione è di indagare in che modo l’attività elettrica indotta dalla TMS nel tessuto cerebrale interagisce con l’attività neurale già presente nell’area stimolata. Nel primo esperimento è stato applicato un protocollo di stimolazione ripetitiva (rTMS) durate un compito di discriminazione della direzione di punti in movimento. Attraverso analisi psicofisiche, è emerso che la rTMS agisca inducendo rumore neurale in V5/MT, un’area visiva extra-striata, responsabile dell’elaborazione di stimoli visivi in movimento. Al contrario, l’applicazione di un singolo impulso TMS (spTMS) alla stessa area corticale e durante l’esecuzione dello stesso compito cognitivo, ha rivelato che la spTMS agisca sopprimendo l’intensità del segnale visivo. Questi ultimi dati sono stati confermati anche quando lo stato fisiologico di V5/MT è stato variato attraverso l’orientamento dell’attenzione ad una particolare caratteristica dello stimolo visivo. Nel terzo esperimento infatti, è stato trovato che spTMS riduca il guadagno che un indizio attenzionale opera durante un compito di discriminazione di direzione di movimento sull’intensità della forza del segnale, mentre spTMS non interferisce con la capacità di uno stesso indizio attentivo di ridurre il rumore neurale all’interno dell’area. In conclusione, differenti paradigmi di TMS inducono differenti risultati circa l’interazione tra l’attività neurale in atto e l’attività indotta dalla stimolazione. Un singolo impulso magnetico agisce sopprimendo la forza del segnale nell’area stimolata, mentre impulsi ripetuti introducono rumore neurale. L’importanza del settaggio dei parametri di stimolazione (ad esempio intensità e frequenza) e dello stato fisiologico e delle proprietà morfologiche dell’area stimolata, così come tenere in considerazione in che modo l’area target opera sono discussi come elementi fondamentali negli studi TMS. Nel primo capitolo (Introduzione) verrà introdotto l’argomento cardine, concentrandosi su alcuni principi basilari di funzionamento della TMS. La trattazione sarà poi rivolta alla principale ipotesi teorica utilizzata per spiegare gli effetti indotti dalla TMS (ipotesi di “lesione virtuale”), considerandone vantaggi e limiti. Saranno inoltre introdotte alcune evidenze sperimentali sugli effetti della TMS sull’attività neurale provenienti da studi su animali. Infine, verranno prese in considerazione le proprietà morfologiche e funzionali di V5/MT e alcuni dati presenti in letteratura circa l’applicazione della TMS su questa area cerebrale durante un compito di discriminazione di direzione di movimento. Il secondo, terzo e quarto capitolo rappresentano il fulcro sperimentale della tesi, in cui tre esperimenti verranno dettagliatamente introdotti, descritti e discussi separatamente. Nel secondo capitolo (rTMS e elaborazione di movimento) è stato applicato un paradigma di stimolazione ripetitiva durante un compito di discriminazione di direzione di movimento. Nel terzo capitolo (spTMS e elaborazione di movimento), è stato utilizzato lo stesso compito utilizzato nell’esperimento precedente sotto l’effetto di un spTMS. Nel quarto capitolo (spTMS, attenzione e elaborazione di movimento), lo stato fisiologico di V5/MT è stato modificato attraverso l’attenzione rivolta ad una particolare caratteristica dello stimolo visivo (fornendo un indizio attentivo rivolto alla direzione di movimento). E’ stato applicato un paradigma di spTMS a V5/MT allo scopo di studiare l’interazione fra l’effetto indotto dalla modulazione attenzionale e l’effetto indotto dalla TMS sulla percezione visiva. Nell’ultimo capitolo (Capitolo 5 -Discussione generale) le principali scoperte dell’intero lavoro saranno riassunte e discusse.

Transcranial magnetic stimulation (TMS) is a tool which allows cognitive neuroscientists to come through the correlative approach between brain and cognition and to state a causal relationship between a cerebral area and a cognitive function. Although TMS is widely engaged in basic and clinic research, its precise mechanisms of action are poorly understood. The “virtual lesion” hypothesis is the only theoretical framework available in order to interpret TMS data. In analogy with the lesion studies on animals or humans, it states that TMS acts inducing a temporary and reversible lesion in the brain, allowing the experimenter to study the functional role of the stimulated area into the cognitive network without confounds such as cerebral reorganization or plasticity phenomena. Nevertheless, the “virtual lesion” hypothesis does not provide any clear suggestions about the mechanisms of action of TMS. It states that TMS can act either suppressing the strength of the signal or introducing random neural noise in the stimulated area, both leading to an impairment of subject’s performance. The aim of the present dissertation is to address how the electrical activity introduced by TMS in the neural system interacts with the on-going neural activity already present into the brain. In the first experiment repetitive TMS (rTMS) has been applied during a motion direction discrimination task. By means of psychophysics, the results showed that rTMS acts introducing neural noise into the V5/MT area, an extra-striate visual area responsible for motion perception. On the contrary, single pulse TMS (spTMS) applied on the same area and during the execution of the same task, led to different results: single pulse TMS suppressed the strength of the signal. These data were confirmed when the physiological state of V5/MT was changed by means of feature-based attention. In the third experiment spTMS reduced the gain of an attentional cue directed to a particular feature of the stimulus during a motion direction discrimination task, but it did not affect the tuning mechanism of feature-based attention. In conclusion, different TMS parameters lead to different results regarding the interaction between the on-going neural activity and the activity induced by TMS. Single pulse TMS acts by a suppression of the strength of the signal, while rTMS introduces neural noise in the stimulated area. The importance of TMS parameters, the importance of the physiological state of the stimulated area and its morphological properties, as well as how the target area works are discussed as constrains in TMS studies. In the first chapter (Introduction) the topic will be introduced, briefly focusing on some basic principle of TMS. It will be addressed the main theoretical framework within TMS data are interpreted (i.e., “virtual lesion” hypothesis), considering its advantages and limitations. Furthermore, some experimental evidences about the effects of TMS on the neural activity coming from animals’ studies will be introduced. Finally, I will refer to some basic knowledge on the morphological and functional properties of V5/MT, and to some TMS data present in literature about TMS application in a motion direction discrimination task. The second, third and fourth chapters represent the experimental corpus (main corpus) of the dissertation, in which three experiments will be detailed introduced, described and discussed, separately. In the chapter 2 (rTMS and motion processing) rTMS has been applied on V5/MT during a motion direction discrimination task. In the chapter 3 (spTMS and motion processing) the same task as in previous experiment, has been used with spTMS In the chapter 4 (spTMS, attention and motion processing), the physiological state of V5/MT has been changed by means of feature-based attention (by an attentional cue directed to the direction of motion). A spTMS has been delivered over V5/MT in order to study the interaction between attention and TMS modulation on visual perception. In the last chapter (chapter 5 –General discussion) the main findings of the entire work will be summarized and discussed.