Miguel D Sabogal Rueda

—Action observation is known to enhance sensorimotor system activation, and such effect has been linked to neural priming and response facilitation mechanisms. This facilitation effect, however, has been primarily studied by focusing on high-level motor proficiency, whereas evidence on the effect of observing poorly performed actions is still lacking. We then devised a study to investigate neural correlates of the observation of suboptimal motor acts as mirrored by corticospinal activation (via transcranial magnetic stimulation (TMS), Experiment 1) and by modulation of cortical oscillatory activity (via electroencephalography (EEG), Experiment 2). 40 participants were presented with four randomly reiterated videos. Videos depicted a healthy confederate, a minimally impaired multiple sclerosis (MS) patient, a mildly impaired MS patient, or a confederate trying to simulate mild motor difficulties performing a test concerning fine motor abilities. In Experiment 1 we analyzed TMS-induced motor-evoked potentials during the observation of videos. In Experiment 2 EEG data were analyzed in the frequency-domain. Analyses highlighted both increased corticospinal excitability and desynchronized alpha-beta oscillations during the observation of poorly performed motor acts performed by the mildly impaired MS patient. Further, we observed gradually increasing beta activity across videos reiterations, specifically for the minimally impaired patient's video. Reported findings corroborate the hypotheses that the action-observation network and the motor system might be involved in processes evoked in the attempt to understand and predict observed actions which do not belong to the onlookers' motor repertoire, reflecting in an increased sensorimotor activity.

The present work aimed at exploring functional correlates of motor and linguistic representations of everyday actions, with a specific interest in potential sensorimotor activation effects induced by the use of related action sentences. While it is indeed known that observing simple motor acts (e.g., precision grasping) and listening to the sound of specific actions (e.g., walking) activate sensorimotor structures, less is known when we move to more complex behaviors and more abstract linguistic representations (e.g., verbal descriptions). Again, the potential of linguistic representations to facilitate the activation of specific sensorimotor structures during action execution or observation is yet unexplored. We then aimed at investigating hemodynamic activation patterns (via functional near-infrared spectroscopy, fNIRS) within the sensorimotor network during different tasks based on everyday activities. Twenty volunteers were asked to execute (EXE), observe (OBS), or listen (LIS) to brief verbal descriptions of transitive actions, to observe them while listening to their description (OBS–LIS), or to execute them while listening to their description (EXE–LIS). Analyses highlighted that, in the left hemisphere, hemo-dynamic responses were the lowest during observation of complex actions and observation coupled with listening, greater during simple listening to verbal description of actions, and maximal when participants actually executed complex actions or executed them while listening to their verbal descriptions. The present results suggest that processing verbal descriptions of actions might keep the sensorimotor network more active than simply observing them. Such first pieces of evidence hint at potential implications for novel procedures for rehabilitation of movement and action deficits.

Similarities between action observation and action execution processes – as well as action imagination and simulation ones – have been consistently reported to date by electrophysiological, neuroimaging and brain stimulation studies. According to the common coding hypothesis, perceptual and motor representations are associated and ground on a common computational code. Observing an action, then, would prime the relative action representation, and executing an action would facilitate relative representations of its perceivable effects. Furthermore, a link has been suggested between motor and conceptual-linguistic representations of actions and supported, for example, by behavioural evidences on the action-sentence compatibility effect. The present study aims at extending existing observations on simple actions and at investigating electrophysiological (EEG) and hemodynamic (functional Near-Infrared Spectroscopy, fNIRS) correlates of the execution and observation of complex common actions. So to explore potentially shared encoding processes with respect to conceptual-linguistic representations of those actions, we also looked at cortical correlates of listening to their relative verbal descriptions. Twenty healthy young adults took part in the study and were asked to: observe realistic complex actions (e.g. to pour some wine), actually execute them, or listen to their verbal description (brief verb and object phrases, e.g. " pour some wine "). We also included two combined tasks (observation and listening; execution and listening) so to investigate potential cross-facilitation effects. The integrated recording setup included 15 evenly distributed EEG electrodes and 16 fNIRS channels (over bilateral prefrontal and pre-motor regions). The analysis of EEG data highlighted the role of contralateral sensorimotor areas in all experimental tasks, as marked by a modulation of the upper-alpha band, and task-specific modulations of oscillatory activity over midline electrodes. Conversely, fNIRS prefrontal and pre-motor hemodynamic responses mainly highlighted task-specific peculiarities, with greater contralateral activity during action execution, lower activation during action observation, and no relevant hemispheric asymmetries during the listening conditions. To sum up, electrophysiological findings pointed out interesting similarities in motor and somatosensory cortical activity during observation, execution and listening conditions even when focusing on realistic actions, in line with common coding theories. Task specificities revealed by fNIRS measures might instead mirror the differential role of anterior cortical structures.

Objective
The present work aimed at exploring potential associations and similarities of perceptual, motor and linguistic representations of complex real-life actions, with a specific interest in potential sensorimotor activation effects induced by the observation of such behaviors or the use of relative action verbs. While it is indeed known that observing simple motor acts (e.g. precision grasping) and listening to the sound of specific actions (e.g. walking) activate sensorimotor structures, less is known when we move to more complex behaviors and more abstract representations (e.g. verbal description, action verbs). We then aimed at investigating hemodynamic activation patterns of the sensorimotor network during different action-related tasks based on complex every-day activities.
Participants and methods
20 volunteers were asked to actually execute, observe, or listen to brief verbal descriptions of complex goal-directed real-life actions, or, again, to observe them while listening to their description or to execute them while listening to their description. Cortical functional data have been collected via optical imaging (functional Near-Infrared Spectroscopy - fNIRS).
Results
The analysis of fNIRS data highlighted that, in the left hemisphere (contralateral to target actions), hemodynamic responses were the lowest during observation of complex actions and observation coupled with listening of consistent simple verbal description of actions, greater during simple listening of verbal description of actions, and maximal when participants actually executed complex actions and when they executed them while listening to consistent simple verbal descriptions.
Conclusion
Present results suggest that listening to verbal description of actions might keep the sensorimotor network more active than simply observing them, and that coupling execution of complex action with listening of their description similarly recruit sensorimotor regions with respect to simple action execution. Such first evidences hint at potential implication for novel rehabilitation procedures of movement and action deficits.

Diverse evidenze in letteratura hanno mostrato come l’osservazione di azioni possa incrementare l’attivazione del sistema sensomotorio. Tale effetto è stato ricondotto a meccanismi di priming e di facilitazione delle risposte neurali. In aggiunta, si è osservato come i processi di facilitazione visuo-motoria e di osservazione di azioni possano essere influenzati dall’esperienza. Il ruolo dell’esperienza è stato, però, principalmente studiato focalizzando le indagini su atti motori che richiedono elevati livelli di competenza (e.g. danza). Di conseguenza, mentre è stato dimostrato che l’osservazione di gesti tecnici che sono stati oggetto di allenamento induce maggiore responsività motoria in gruppi di atleti, non sono ancora presenti dati consolidati circa i possibili effetti dell’osservazione di performance motorie deficitarie. Tali effetti sono stati indagati con un primo studio di stimolazione cerebrale non-invasiva (TMS - Transcranial Magnetic Stimulation), che ha mostrato come la responsività della corteccia motoria possa essere modulata anche dalla visione di performance motorie sub-ottimali. Al fine di approfondire tali evidenze, è stato quindi effettuato un secondo studio grazie al quale indagare i correlati elettrofisiologici (EEG) dell’osservazione di azioni complesse effettuate da individui con e senza difficoltà motorie. 20 volontari hanno preso parte allo studio EEG e osservato diverse clip video in cui un attore eseguiva il Nine-Hole Peg Test, un compito standardizzato di motricità. Il compito poteva essere eseguito da un confederato senza difficoltà di movimento, da un paziente affetto da sclerosi multipla con lievi deficit motori, da un paziente affetto da sclerosi multipla con deficit motori moderati, o da un confederato che tentava di simulare lievi deficit motori. L’analisi dei dati di power per le principali bande di frequenza EEG ha evidenziato una generale diminuzione della prevalenza di attività della banda beta durante l’osservazione di performance motorie deficitarie, ma solo se reali e non simulate. In aggiunta, in corrispondenza delle aree somatosensoriali, il power di beta ha presentato un progressivo incremento associato alla reiterazione degli stimoli, particolarmente evidente per quanto riguarda il video del paziente con lievi difficoltà motorie. In linea con la lettura funzionale delle oscillazioni beta, tali evidenze suggeriscono la presenza di una progressiva integrazione delle performance motorie sub-ottimali negli schemi motori degli osservatori, fenomeno riconducibile all’intrinseca sensibilità e responsività del sistema sensomotorio umano.

Il trattamento di emodialisi consente ai pazienti con insufficienza renale un buon livello di sopravvivenza in attesa di un possibile trapianto d’organo. Tuttavia, la terapia condiziona enormemente la vita del paziente. Circa l’80% dei pazienti cronici soffre di stanchezza grave, la quale influenza fortemente il livello della qualità di vita (QoL). La fatica è un sintomo multidimensionale costituito da due dimensioni: "fisica" e "motivazionale". La prima è associata ad evidenti limitazioni fisiche ma i meccanismi di recupero conservano tutta la loro efficacia permettendo all’organismo di riacquistare le forze per mezzo di un adeguato periodo di riposo. La seconda è invece più complessa ed è riferita ad una stanchezza di tipo centrale, spesso associata a disturbi del sonno, dolore e alterazioni affettive e cognitive. Precedenti studi in altri gruppi di pazienti affetti da patologie croniche suggeriscono il ricorso a interventi psicologici per ridurre la fatica ma, tali interventi, non sono disponibili per pazienti in emodialisi. Questo studio valuta la presenza e il livello di fatica ipotizzandone una comorbidità con pregressi vissuti di ansia e depressione e come i meccanismi di motivazione vengano influenzati dalla stanchezza e provochino un impatto rilevante sulla QoL. Sono state somministrate scale valutative ad un campione di circa 50 pazienti dializzati con età superiore a 18 anni e senza patologie neurocognitive. La Fatigue Severity Scale (FSS) è stata adoperata per misurare l'impatto della fatica sulla motivazione e funzionalità sociale del paziente. Per l’indagine dei meccanismi di reward abbiamo somministrato la BIS/BAS Scale, che permette di indagare i meccanismi di disposizione motivazionale, il Behavioral Activation System (BAS) e Behavioral Inhibition System (BIS) che, in termini comportamentali, si possono tradurre in tendenza motivazionale all’avvicinamento o all’allontanamento da ricompense e punizioni. Infine, per valutare la possibile presenza di disturbi ansiosi e depressivi, sono state adoperate rispettivamente la State-Trait Anxiety Inventory (STAI-Y) e la Back Depression Inventory (BDI-II). I risultati mostrano una relazione di linearità tra il senso di fatica e i livelli di depressione: a. La stanchezza è direttamente proporzionale a sintomi quali tristezza, frustrazione, irritabilità, difficoltà a concentrarsi e perdita di interesse b. La riduzione della motivazione all’azione, guidata dal sistema di reward BAS, è inversamente proporzionale ai sintomi depressivi. Pertanto sembrerebbe ipotizzabile una loro correlazione indiretta con la sensazione di fatica cronica. Questo studio mostra come la sensazione di fatica non sia riconducibile esclusivamente a fattori fisiopatologici dell'insufficienza renale e del trattamento dialitico ma ad una stanchezza di tipo centrale, legata al piano psicologico. Un intervento psicosociale risulterebbe utile a migliorare la qualità di vita dell'emodializzato attenuando il sintomo “fatica”.