The more I move like you, the more I learn from you : a behavioural and electrophysiological study on the motor learning via action observation training

Abstract

L’Action Observation Training (AOT), sfruttando le proprietà del meccanismo mirror, rappresenta uno strumento efficace per l’acquisizione di nuove abilità motorie (Rizzolatti et al., 2021; Bazzini et al., 2022). Tuttavia, rimane da indagare la relazione tra il miglioramento comportamentale dell’osservatore e la convergenza del suo pattern muscolare verso quello del modello osservato (similarità). A tale scopo, è stato strutturato uno studio EMG per valutare se la capacità di apprendere attraverso l’AOT sia legata ad un aumento di similarità con il modello in termini di modulazione temporale dell’attività muscolare. Settantadue soggetti sono stati reclutati e suddivisi in due gruppi (AOT & CTRL). Tutti i partecipanti dovevano imparare a posizionare 15 biglie su una tavoletta forata utilizzando delle bacchette cinesi. Il training prevedeva sei sessioni, ognuna composta da una fase di osservazione ed una di esecuzione. Durante le fasi di osservazione veniva presentato per il gruppo AOT un video raffigurante un esperto che esegue il compito, mentre per il gruppo CTRL un video raffigurante un paesaggio. Per ogni partecipante abbiamo misurato i tentativi fatti per afferrare la biglia, il numero di biglie cadute e la durata media dell’azione di presa e posizionamento della biglia. Inoltre, durante le sei sessioni, l’attività EMG di tre muscoli della mano è stata misurata e comparata con quella dell’esperto (R2). Per entrambi i gruppi, il miglioramento comportamentale è stato correlato con l’aumento di similarità. In ciascun gruppo, è stato riscontrato un miglioramento comportamentale a seguito del training, tuttavia, i partecipanti del gruppo AOT hanno mostrato un miglioramento maggiore, soprattutto nel calo di tentativi effettuati per afferrare le biglie. È stata trovata una correlazione significativa tra il miglioramento comportamentale e il grado di convergenza verso il pattern muscolare del modello. Da notare che questa correlazione è stata trovata solamente nel gruppo AOT per i muscoli first digital interosseus (FDI) e abductor digiti minimi (ADM) nelle fasi di reaching e holding dell’azione. I risultati confermano quanto mostrato dalla letteratura in merito al ruolo chiave dell’AOT nel guidare l’apprendimento motorio, mettendo in luce come sia legato alla convergenza del pattern neuromuscolare del soggetto verso il modello osservato, estendendo così la valutazione dei correlati neurofisiologici dell’AOT oltre i confini del sistema motorio corticale.

Action Observation Training (AOT), exploiting the properties of the mirror mechanism, represents an effective tool to promote the acquisition of new motor abilities (Rizzolatti et al., 2021; Bazzini et al., 2022). However, whether the motor improvement depends on the convergence of the observer’s motor pattern onto the observed model remains unsettled. Thus, we designed an EMG experiment to investigate whether responsiveness to AOT depends upon a gain of similarity in terms of temporal patterns of muscular activity between the trainee and the model. Seventy-two healthy subjects were enrolled in the study and randomly subdivided into two groups (AOT & CTRL). All participants had to learn to position 15 marbles on a board with holes using chopsticks. The training consisted of six sessions of observation and execution phases. During the observation phase, the AOT group observed an expert performing the task, while the CTRL group observed landscape videos. For each participant, the number of grasping attempts, the number of failed liftings, and the mean duration of the reach-to-place action were measured. Furthermore, during the six executions, the EMG pattern of 3 hand muscles was collected and compared with that of the expert. The gains in similarity were correlated with behavioural improvement for both groups. While both AOT and CTRL groups improved upon the training, participants receiving AOT presented a larger improvement than CTRL, especially concerning decreased grasping attempts. A significant correlation was found between behavioural improvements and the degree of convergence toward the muscular pattern of the model. Interestingly, this applies to first digital interosseus (FDI), and abductor digiti minimi (ADM) in the reaching and holding phases of the action. Of note, these correlations were specific for AOT participants. These results confirm the previous findings on the key role played by AOT in driving motor learning, linking it to the convergence of neuromuscular pattern of the trainee towards the observed model, thus extending the assessment of the neurophysiological correlates of AOT beyond the boundaries of the cortical motor system.