利用经颅磁刺激研究人类神经肌肉系统

摘要

经颅磁刺激（TMS）是一种非侵入性工具，可用于深入了解人类神经系统的生理学和功能。本文中，我们介绍利用TMS技术研究上肢和腰段肌肉皮质兴奋性的方法。

摘要

经颅磁刺激（TMS）已应用超过20年¹，在过去十年中其受欢迎程度呈指数级增长。尽管TMS的应用已扩展到对多种系统和过程的研究，但其最初的应用，也是目前最常见用途之一，是研究人类神经肌肉系统的生理学、可塑性及功能。作用于运动皮层的单脉冲TMS可通过突触后机制兴奋锥体神经元²（图1），并引发可测量的肌电图反应，可用于研究和评估人类皮质脊髓束的完整性和兴奋性³。此外，近年来磁刺激技术的进步使得能够区分皮层与脊髓的兴奋性^4,5。例如，通过结合条件刺激与测试刺激并在不同刺激间间隔下进行，双脉冲TMS可用于评估皮层内促进和抑制特性^3,4,6-8。在本视频文章中，我们将演示这些技术的方法学与技术细节。具体而言，我们将展示单脉冲和双脉冲TMS技术在桡侧腕屈肌（FCR）以及竖脊肌（ES）肌群中的应用。本实验室选择研究FCR肌肉，因其与我们关于腕手部石膏固定对肌肉功能下降影响的研究密切相关^6,9；而选择研究ES肌肉则因其在临床中与下背痛密切相关⁸。需要说明的是，TMS已被用于研究手部、上肢及下肢的多种肌肉，本文中对FCR和ES肌群的演示仅为TMS用于研究人类神经肌肉系统的若干示例。

方案

1. FCR 和 ES 肌肉的单脉冲与成对脉冲经颅磁刺激

1. 基本安全预防措施： 在对人类受试者进行经颅磁刺激（TMS）之前，必须首先根据其暴露于磁场的相关情况，对其进行基本的安全筛查。在我们的实验室中，遵循由磁共振安全、教育与研究研究所（Institute for Magnetic Resonance Safety, Education and Research）制定的筛查指南。 ¹⁰在我们的实验室中，我们通常也会排除有癫痫家族史的个体。对于接受ES肌肉TMS刺激的受试者，由于刺激强度较大且聚焦性较差，我们要求其佩戴耳塞和牙垫。
2. 电生理记录： 为了检测运动系统中经颅磁刺激（TMS）的反应，需要记录来自骨骼肌的肌电图（EMG）信号。对于桡侧腕屈肌（FCR），我们采用双极电极排列方式，将表面电极纵向放置于前臂剃毛并去角质的皮肤上，具体方法如我们先前所述。 ^7,11对于竖脊肌，我们在剃净并磨砂处理的皮肤上，于L3-L5椎体水平沿肌肉纵向采用类似的电极排列方式 ⁸.
3. TMS 线圈方向： 为了主要通过突触后方式激活皮质脊髓神经元，必须适当地放置经颅磁刺激线圈 ¹²对于FCR肌肉，我们将一个70毫米的8字形经颅磁刺激（TMS）线圈置于头皮表面，与中线呈45度角，使感应电流沿外侧后方至内侧前方的方向流动。对于ES肌肉，我们使用具有更大穿透深度的双锥形线圈，这是因为这些肌肉在运动皮层侏儒图中的代表区域位置较深。在此情况下，线圈的放置方向使电流沿前向后方向流动。我们对线圈进行了定制改装，加装了激光定位系统，以协助在后续实验中重新准确定位双锥形线圈。
4. 识别“热点”：有必要确定能够引出最大运动诱发电位的刺激位点。对于桡侧腕屈肌（FCR），我们通过在很小范围内以微小幅度轻微移动经颅磁刺激（TMS）线圈，来确定运动诱发电位幅值最大的位置。一旦找到该位置，即使用永久性墨水在头皮或氨纶帽上标记该区域。对竖脊肌（ES）进行TMS刺激比对上肢肌肉刺激明显更不适，因此我们优化了针对竖脊肌的TMS操作流程，以提高其耐受性和可行性。在此，我们不再寻找“热点”（hotspot），而是采用人体测量学方法确定颅骨顶点位置。具体而言，我们将顶点定义为矢状面（鼻根点与枕外隆凸之间）与冠状面（两侧耳屏之间）在颅骨上的交点。
5. 生物力学定位 在我们的实验室中，当对 FCR 肌肉进行经颅磁刺激（TMS）时，受试者坐在 BioDex System 4 等速测力系统（图 2）上，手臂保持伸展状态并固定于仪器上。然而需要指出的是，这仅是测量施加力量的一种可能实验设置示例。对于 ES 肌肉的刺激，受试者需保持直立坐姿，双手自然放置于大腿上（图 3）。他们坐在带有旋转底座的椅子上，大腿保持水平 90° 相对于躯干，小腿约呈~45° 相对于大腿，腰椎保持中立姿势8。
6. 量化运动阈值：对于FCR，我们通过逐步增加刺激强度并给予单次脉冲，来确定运动阈值（MT），当在超过50%的试验中诱发出的运动诱发电位峰-峰振幅大于50微伏时，即确定为运动阈值（图4）。为了简化经颅磁刺激（TMS）方案并提高其耐受性和可行性，我们对腹侧脊柱旁肌（ES肌）的运动阈值测定不像上肢肌肉那样精确。相反，我们首先以刺激器最大输出的50%给予一次单脉冲，以判断该刺激强度处于运动阈值之上还是之下。若在此刺激强度下观察到运动诱发电位（定义为相对于背景肌电图水平可辨识的MEP），则将刺激强度降至刺激器输出的40%，以判断该强度是低于还是高于阈值。 ⁸.
7. 使用单脉冲经颅磁刺激量化运动诱发电位振幅：为了检测桡侧腕屈肌（FCR）的运动诱发电位（MEP）幅值，我们在运动阈值130%的刺激强度下，向其“热点”区域施加单次经颅磁刺激（TMS）脉冲，并计算峰-峰幅值。通常，我们将该结果归一化为在正中神经施加超最大电刺激后所记录到的最大复合肌肉动作电位（Mmax）。需要注意的是，MEP幅值高度依赖于皮层兴奋性水平。因此，当TMS脉冲在背景肌肉收缩期间施加（此时皮层兴奋性升高），MEP幅值将显著增大。对于竖脊肌（ES），我们在刺激强度为静息运动阈值以上40%或50%的条件下，向头顶（vertex）区域施加单次TMS脉冲。 ⁸遗憾的是，由于支配ES肌的周围神经无法进行电刺激，我们无法将这些运动诱发电位标准化为复合肌纤维动作电位。
8. 使用单脉冲经颅磁刺激量化静默期持续时间：当在肌肉收缩期间向皮层施加经颅磁刺激脉冲时，会引出一个运动诱发电位，随后出现电活动静息期，之后活动恢复，这一静息期提示皮质脊髓抑制，通常被称为静息期 ¹³ （图5）。为了量化静默期，我们在受试者以最大力量的15%进行腕屈肌收缩的同时，向“热点”区域给予强度为运动阈值130%的单次经颅磁刺激（TMS）脉冲。我们此前未对趾长伸肌（ES）肌群的静默期持续时间进行过量化；然而需要指出的是，当在背景肌收缩期间给予TMS脉冲时，我们已通过观察经验性地发现该肌群中存在静默期。
9. 使用成对脉冲经颅磁刺激量化皮层内易化作用： 我们采用成对脉冲经颅磁刺激来量化皮层内易化作用 ^6,7 （图6和图7分别展示了前臂屈肌群（FCR）和竖脊肌（ES）的该测量结果）。对于FCR肌肉，我们首先确定诱发0.5–1.0 mV运动诱发电位所需的刺激强度。随后，在阈上测试刺激脉冲前15毫秒，给予一个低于运动阈值的条件刺激脉冲——在我们的实验室中，该条件刺激强度通常设定为运动阈值的70%。在测试脉冲前这一特定时间点施加的条件刺激，相较于相同强度的单次非条件刺激，可增强或促进运动诱发电位的波幅。对于ES肌群，条件刺激的强度设定为观察到的低于运动阈值的强度（刺激器输出的40%或50%），而测试刺激的强度则设定为高于运动阈值水平40%的强度（刺激器输出的80%或90%）。⁸需要注意的是，条件刺激脉冲的强度可根据研究目的进行调整。同样，脉冲间隔时间也可根据肌肉类型及其相对于皮层的位置而有所不同。
10. 使用成对脉冲经颅磁刺激量化短间隔皮层内抑制 我们还采用成对脉冲经颅磁刺激（paired-pulse TMS）来量化短间隔皮层内抑制 ^6,7 （图6和图7分别展示了桡侧腕屈肌和竖脊肌的该项测量结果）。对于桡侧腕屈肌和竖脊肌，测量程序与皮质内易化性的测定方法相同，唯一区别在于两次刺激之间的刺激间期缩短至3 ms。在此时间点施加的条件刺激脉冲，相较于同等强度的单次非条件刺激脉冲，可使运动诱发电位的振幅降低，即产生抑制作用。
11. 使用成对脉冲经颅磁刺激量化长间隔皮层内抑制 传递两个间隔100毫秒的相同阈上测试脉冲也可用于评估长间隔皮质内抑制 ^6,7在此情况下，对于FCR肌肉而言，与第二次脉冲相关的运动诱发电位将比与第一次脉冲相关的更小，即受到更强的抑制（图8）。由于担心受试者的耐受性问题，我们此前未对ES肌肉中的长间隔皮质内抑制进行量化。

2. 代表性结果：

在给予一个超阈值的经颅磁刺激（TMS）脉冲后，被刺激的肌肉应表现出易于观察到的肌电图反应（即运动诱发电位，MEP）（见图4-8）。刺激起始与MEP之间的潜伏期因所检测的肌肉群而异，对于指浅屈肌（FCR），通常为16-19毫秒（图6），而对于竖脊肌（ES）则为17-22毫秒（图7；但需注意，在部分受试者中，ES肌肉中MEP起始的确定较难通过视觉识别）。需要注意的是，在检测ES肌群时，其他多个肌群也会同时出现明显且显著的激活（包括下肢肌肉，这些肌肉在运动皮层侏儒图中位于相近的区域）。在测量皮层内易化效应时，MEP的幅值通常大于单个未 conditioning 脉冲所诱发的幅值（图6和图7）。然而，根据我们的经验，不同肌群之间的易化程度存在差异，某些肌群（如FCR）在许多受试者中仅表现出轻微的易化效应。在测量短间隔和长间隔皮层内抑制时，与相同强度的单个未 conditioning 脉冲相比，通常可观察到MEP幅值的降低（图6-8）。

图1. TMS的基本作用机制。 TMS线圈产生一个磁场，该磁场穿透头皮并在运动皮层内诱导出涡电流。此涡电流进而能够刺激大脑中的神经元。该图经 McGinley 和 Clark（即将出版）¹⁴ 重新发表。

图 2. 对桡侧腕屈肌（FCR）进行经颅磁刺激（TMS）的实验装置。注意从前臂记录肌电图（EMG）信号，以及位于运动皮层上方的TMS刺激线圈。我们通常还会记录肌肉力量，并使用外周神经电刺激获取最大复合肌纤维动作电位，这对于解释振幅值非常有用（例如，可将运动诱发电位（MEP）表示为相对于最大肌肉反应的百分比，而不是使用易受皮下脂肪组织等非生理因素显著影响的绝对毫伏值）。该图重印自以下文献：Clark 等，2008⁹；Clark 等，2010⁶；McGinley 等，2010⁷。

图 3. 对竖脊肌进行经颅磁刺激的实验装置。 图片转载自 Goss 等，2011⁸。

图 4. 运动阈值测定示例。肌电图（EMG）迹线表示随着刺激强度逐渐增加（以刺激器输出（SO）的百分比表示）所引发的运动诱发电位（MEP）反应。请注意，在较低强度（SO的28-30%）时仅诱发出非常小的MEP（亚阈值），而在SO的32%时诱发出达到运动阈值的MEP（通常定义为峰-峰值幅度 > 50 μV 的MEP）。

图示转载自 McGinley 和 Clark，即将出版¹⁴。

图 5. 收缩期间的经颅磁刺激：运动诱发电位与静息期。当受试者进行轻微肌肉收缩并对运动皮层施加单次刺激时，可观察到静息期。静息期的前半部分归因于脊髓水平的抑制，而后半部分则主要由皮层抑制引起，特别是GABA_B受体介导的抑制。目前尚无统一标准用于量化静息期的持续时间，但我们的研究结果表明，从刺激起始或运动诱发电位起始到自主性肌电干扰信号恢复之间的时间段，是衡量静息期最可靠的方法¹⁵。
该图经许可转载自 Clark 和 Quick，2011¹⁶，以及 McGinley 和 Clark，即将出版¹⁴。

图6. 桡侧腕屈肌在配对脉冲经颅磁刺激下运动诱发电位幅度的变化。短间隔皮质内抑制（SICI）与皮质内易化（ICF）的测量。为了量化SICI和ICF，条件刺激脉冲（CP）强度设定在运动阈值以下，测试刺激脉冲（TP）强度则设定为诱发出0.5–1 mV之间的运动诱发电位（MEP）。在短的刺激间间隔（例如，3毫秒）时，与仅给予测试刺激相比，条件刺激会抑制运动诱发电位（SICI）；而在较长的刺激间间隔（例如，15毫秒）时，条件刺激则会增强运动诱发电位（ICF）。

CP：条件性刺激，TP：测试性刺激。图片重印自 Clark 等，2010⁶，McGinley 等，2010¹⁴，Clark 和 Quick，2011¹⁶，以及 McGinley 和 Clark，即将出版¹⁴。

图7. 竖脊肌的成对脉冲经颅磁刺激（TMS）引起运动诱发电位幅度的变化。竖脊肌肌电图（EMG）记录示例，以及短间隔皮质内抑制（SICI）和皮质内易化（ICF）的测量结果。
该图经许可转载自 Goss 等，2011⁸。

图8. 配对脉冲经颅磁刺激下运动诱发电位幅度的变化。长间隔皮层内抑制（LICI）的测量。为量化LICI，以100毫秒的刺激间间隔施加两个测试脉冲。结果表现为第二个MEP相较于第一个MEP受到抑制。
该图重印自Clark等，2010⁶；McGinley等，2010⁷；以及McGinley和Clark，即将出版¹⁴。

讨论

本文的总体目标是为科研人员和临床医生提供我们实验室使用经颅磁刺激技术的可视化介绍。然而，除了展示这些实验的操作过程外，我们还将在下文讨论以这种方式进行经颅磁刺激时需要考虑的基本问题，简要概述经颅磁刺激反应的生理学原理，并探讨我们对经颅磁刺激的应用与其他研究者使用该技术之间的关系。

执行经颅磁刺激（TMS）时需注意的一般事项（如文章所述）

进行成对脉冲经颅磁刺激（TMS）时需要注意若干问题。例如，Magstim BiStim²系统——可能是目前最常用的TMS设备系列——能够组合两台Magstim 200²装置，并通过单个刺激线圈实现成对脉冲刺激。然而需要注意的是，当使用未 Conditioning 的脉冲诱发运动诱发电位（MEP）时，最好将其中一台MagStim设备设置为"0%"，并仍设定一个刺激间间隔（例如100毫秒），而不是直接关闭该设备。原因是，当BiStim²系统中其中一台设备未开启时，会将两台Magstim刺激器提供的单个脉冲叠加，产生一个...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
经颅磁刺激器 2002 经颅磁刺激器 Bi-Stim2 8字形线圈 70毫米 双锥形线圈	Magstim	不适用	经颅磁刺激设备（包括线圈）
Biodex 系统 4	Biodex	NA	测力计
Biopac MP150 数据采集系统	Biopac Systems, Inc.	MP150WSW	用于肌电图和力的 A-D 转换器
AcqKnowledge 4.0 数据采集软件	Biopac Systems, Inc.	ACK100W
Nikomed Trace 1 心电图电极	Nikomed	2015	肌电图电极
恒流刺激器	Digitimer Ltd.	DS7A	外周神经刺激器