Mirror Neuron System Activation and Functional Connectivity During Action Observation and Execution: An fNIRS Study

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The mirror neuron system (MNS) is a neurological mechanism activated during both action observation and execution. Previous research on MNS has predominantly focused on upper-limb movements, and our understanding of MNS activation and functional connectivity during whole-body movements, such as gait, remains limited. There is insufficient research on how the MNS responds when gait observation and execution are performed simultaneously and how inter-regional interactions change. This study compared and analyzed MNS activation patterns and functional connectivity during simultaneous versus independent performance of gait observation and execution using functional near-infrared spectroscopy (fNIRS). Thirty healthy young adults participated in a within-subjects study using three randomized conditions: gait execution with action observation (GA), gait execution only (GE), and action observation only (AO). Brain activation and functional connectivity were analyzed in five MNS regions of interest (ROI): inferior frontal gyrus (IFG) pars triangularis, IFG pars opercularis, middle frontal gyrus (MFG), precentral gyrus (PrCG), and inferior parietal lobule (IPL). Gait parameters were measured using a pressure sensor-embedded treadmill.
The GA and GE exhibited significantly higher activation of oxygenated hemoglobin in most ROIs compared to AO alone, with this pattern being particularly prominent in bilateral IFG pars opercularis, PrCG, and right IPL. In contrast, AO showed significant decreases in oxyhemoglobin (HbO) concentrations across multiple channels. Functional connectivity analysis revealed that GA resulted in significantly stronger connectivity between the bilateral IFG pars opercularis than AO alone. Conversely, AO exhibited significantly stronger connectivity between the PrCG and IPL, as well as between IPL and other frontal regions, compared to both GA and GE. Gait analysis showed that GA resulted in significantly increased left stance and double-support phases than GE. Our findings suggest that during AO sufficient activation of the motor cortical regions was not induced. Instead, inhibitory mechanisms that prevent motor output were activated. The MNS processes gait observation and execution through differentiated network interaction patterns, with GA enhancing interhemispheric frontal coordination and AO strengthening posterior sensorimotor integration across the fronto-parietal network. Notably, despite low brain activation, AO demonstrated high functional connectivity, suggesting efficient internal simulation of observed gait. These findings provide neurophysiological evidence for the development of action-observation-based gait rehabilitation and motor-learning strategies.

국문 초록 (Abstract)

거울신경계(Mirror Neuron System, MNS)는 행동 관찰과 실행 중 모두 활성화되는 신경학적 기전이다. 그동안 MNS에 관한 연구는 주로 상지 움직임에 초점을 맞춰 왔으며, 보행과 같은 전신 운동 시 MNS 활성화와 기능적 연결성에 대한 이해는 여전히 제한적이다. 보행 관찰과 실행이 동시에 수행될 때 MNS가 어떻게 반응하며 영역 간 상호작용이 어떻게 변화하는지에 대한 연구는 불충분하다. 본 연구는 기능적 근적외선 분광법(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)을 사용하여 보행 관찰과 실행의 동시 수행과 독립적 수행 시 MNS 활성화 패턴과 기능적 연결성을 비교 분석하였다. 30명의 건강한 젊은 성인이 세 가지 조건으로 구성된 피험자 내 설계 연구에 참여하였다: 행동 관찰을 동반한 보행 실행(GA) 조건, 보행 실행 조건(GE), 행동 관찰 조건(AO). 뇌 활성도와 기능적 연결성은 MNS의 다섯 개 관심 영역에서 분석되었다: 하전두이랑(IFG) 삼각부 및 덮개부, 중전두이랑(MFG), 중심전이랑(PrCG), 하두정소엽(IPL). 보행 매개변수는 압력 센서가 내장된 트레드밀을 사용하여 측정되었다. GA와 GE는 AO에 비해 대부분의 ROI에서 산화 헤모글로빈(oxyhemoglobin, HbO)의 유의하게 높은 활성도를 나타냈으며, 이러한 패턴은 양측 IFG 덮개부, PrCG, 우측 IPL에서 특히 두드러졌다. 반면 AO는 여러 채널에서 HbO 농도의 유의한 감소를 보였다. 기능적 연결성 분석 결과, GA는 AO에 비해 양측 IFG 덮개부 간 유의하게 강한 연결성을 나타냈다. 반대로 AO는 GA와 GE에 비해 PrCG와 IPL 간, 그리고 IPL과 다른 전두엽 영역 간 유의하게 강한 연결성을 보였다. 보행 분석 결과 GA는 GE에 비해 좌측 입각기와 양하지 지지기가 유의하게 증가하였다. 본 연구 결과는 AO 시 운동 피질 영역의 충분한 활성화가 유도되지 않았으며, 대신 운동 출력을 억제하는 기전이 활성화되었음을 시사한다. MNS는 차별화된 네트워크 상호작용 패턴을 통해 보행 관찰과 실행을 처리하며, GA는 전두엽 간 반구 간 협응을 강화하고 AO는 전두-두정엽 네트워크 전반에 걸친 후방 감각운동 통합을 강화한다. 주목할 만한 점은 AO가 낮은 뇌 활성화에도 불구하고 높은 기능적 연결성을 나타냈으며, 이는 관찰된 보행의 효율적인 내적 시뮬레이션을 시사한다. 이러한 결과는 행동 관찰 기반 보행 재활 및 운동 학습 전략 개발을 위한 신경생리학적 근거를 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. Introduction 1
• 1.1 Action Observation and Mirror Neuron System 1
• 1.2 Functional Near-Infrared Spectroscopy 4
• 1.3 Functional Connectivity 6
• 1.4 Purpose of Study 8
• Ⅱ. Methods 9
• 2.1 Participants 9
• 2.2 Experimental Design and Procedures 10
• 2.3 Functional Near-Infrared Spectroscopy 15
• 2.3.1 Region of Interest 15
• 2.3.2 fNIRS Signal Preprocessing and Processing 17
• 2.3.3 fNIRS Hemodynamic Response Analysis 18
• 2.3.4 Functional Connectivity Analysis 19
• 2.4 Gait Measurement System 22
• 2.5 Video Stimuli 25
• 2.6 Statistical Analysis of fNIRS and Gait Data 27
• Ⅲ. Results 28
• 3.1 Demographic Characteristics of Participants 28
• 3.2. Task-Related Brain Activation 30
• 3.2.1 Gait Execution with Action Observation 30
• 3.2.2 Gait Execution 32
• 3.2.3 Action Observation 34
• 3.2.4 Comparison of HbO Beta Values Across Experimental Conditions 36
• 3.2.5 Comparison of HbR Beta Values Across Experimental Conditions 38
• 3.3 Functional Connectivity Analysis 40
• 3.4 Gait Performance 42
• Ⅳ. Discussion 44
• 4.1 Brain Activation Patterns in the Mirror Neuron System 45
• 4.2 Functional Connectivity in the Mirror Neuron System 49
• 4.3 Gait Performance During GA and GE Conditions 53
• 4.4 Limitations and Future Directions 55
• V. Conclusion 57
• References 59
• 국문초록 67