利用经颅磁刺激测量和调控人类运动系统中功能特异性神经通路

摘要

本文介绍了一种利用经颅磁刺激测量和增强功能特异性神经通路的新方法。这些先进的非侵入性脑刺激技术为理解脑与行为之间的关系以及开发治疗脑部疾病的新疗法提供了新的机遇。

摘要

理解脑区间相互作用对于研究目标导向行为至关重要。脑连接功能神经影像学为认知、学习和运动控制等大脑基本过程提供了重要见解。然而，这种方法无法为特定脑区的参与提供因果证据。经颅磁刺激（TMS）是一种强大的非侵入性研究人类大脑的工具，可通过暂时性调节脑活动来克服这一局限。本文重点介绍近期采用双脉冲双位点TMS技术（使用两个线圈）的进展，该方法可在不同任务背景下因果性探测人类运动系统中的皮质-皮质相互作用。此外，我们还描述了一种基于皮质配对关联刺激（cPAS）的双位点TMS方案，通过两个线圈重复施加成对的皮质刺激，暂时增强两个相互连接脑区的突触效率。这些方法有助于更深入理解认知-运动功能的潜在机制，并为靶向调控特定神经通路、调节脑环路及改善行为表现提供新的视角。该方法有望成为构建更精细的脑-行为关系模型的有效工具，并有助于提升多种神经及精神疾病的诊断与治疗水平。

引言

无创脑刺激是评估和治疗多种神经系统疾病（如帕金森病、阿尔茨海默病和脑卒中）的一种有前景的工具^1,2,3,4。越来越多的证据表明，神经疾病的临床行为表现与皮层兴奋性、神经可塑性以及皮层-皮层和皮层-皮层下连接的异常密切相关^5,6。因此，了解神经系统疾病状态下脑网络动态和可塑性的基本知识，可为疾病的诊断、进展以及治疗反应提供宝贵见解。功能性磁共振成像（fMRI）是一种有助于理解健康与病变脑网络中脑与行为之间复杂关系的有用工具，并有望基于网络视角改进治疗策略^7,8,9。然而，fMRI本质上仅具有相关性，无法建立脑功能与行为之间的因果关系，也不能通过调控功能连接来修复与患者行为障碍相关的异常神经环路^10,11,<....

方案

以下将介绍三种经颅磁刺激（TMS）方法。首先，介绍两种利用双位点经颅磁刺激（dsTMS）测量皮质-皮质连接性的方法，分别在受试者处于1）静息状态（静息态）或2）执行面向物体的伸手抓握动作（任务依赖态）时进行。其次，介绍一种皮质配对关联刺激（cPAS）方法，该方法通过配对皮质刺激（例如顶后皮质与初级运动皮质），以可控方式调节两个脑区之间的相互作用，利用TMS增强特定功能的神经通路，并诱导皮质兴奋性的改变。每种方法均提供代表性数据集。本方案中描述的所有方法均经密歇根大学机构审查委员会批准，符合《赫尔辛基宣言》的规定。

1. 受试者招募

1. 在招募前，对所有参与者进行经颅磁刺激（TMS）^{95,96,97,98,99,100} 和磁共振成像（MRI）的任何禁忌证筛查。针对研究运动系统功能连接性的实验，招募惯用右手的参与者¹⁰¹。
2. 向每位参与者说明本研究的目的、流程以及本地机构审查委员会批准的相关风险，并在允许....

结果

图5展示了在受试者静息状态（上图）或计划朝向物体的有目的抓握动作时（下图），经颅磁刺激（TMS）在第一背侧骨间肌（FDI）中诱发的典型运动诱发电位（MEP）反应的大小，分别对应于无条件测试刺激（TS单独作用于M1区，蓝色迹线）或来自顶叶后皮层（PPC）的条件刺激（CS-TS，红色迹线）。在静息状态下，PPC对同侧M1区产生抑制性影响，表现为当在M1区施加阈上测试刺激（TS）前5 ms于PPC施加阈下条件刺激（CS）时，MEP振幅减小（上图）。而在准备抓握动作期间，这种静息状态下的净抑制效应转变为易化作用（即抑制解除）。为了直接比较静息状态与任务需求下PPC-M1之间的相互作用，将每种条件下的MEP振幅相对于TS单独刺激试验进行归一化处理，并以MEP振幅比值形式绘图。在计划朝向物体的抓握动作时，PPC-M1间的相互作用较静息状态得到增强（紫色柱状图）。

上方面板 图6 显示了在施加cPAS方案期间MEP波幅的变化。在刺激方案进行过程中，通过PPC和M1配对刺激诱发的.......

讨论

本文所述的双位点经颅磁刺激（TMS）方法可用于研究不同皮质区域与初级运动皮质在静息状态或计划目标导向动作时的功能性相互作用。尽管脑成像技术仅能提供相关性信息，但双位点TMS方法所提供的基础性知识能够揭示与皮质-皮质环路变化相关的因果性脑-行为关系。此外，对与M1相互连接的脑区应用两个TMS线圈进行皮质配对关联刺激，可增强运动控制中功能特异性的连接，并提高诱导可塑性的效率。综上所述，这些方法表明，此类TMS方案能够以解剖结构、任务和时间依赖的方式，在运动系统内测量并调控脑区间信息传递所依赖的神经活动。这为检验有关皮质区域对运动功能因果性贡献的不同假设提供了机会。

从这一角度来看，该方法还可为理解具有相似症状的神经科和精神科患者的系统层面网络连接性提供重要基础，并使其能够作为诊断和治疗环路功能障碍的工具。因此，开展更多研究以探索运动系统以外的其他皮层区域至关重要，从而检验该方法在健康和病变大脑的各种脑网络中的普适性。这一点尤为重要，因为不能假设经颅磁刺激（TMS）在某一脑区的反应会在应用于其他脑区时产生相同的生理效应。此外，这些方法的优势在于可拓展至更复杂的运动，以及运动以外的其他领域.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Alpha B.I. D50 线圈（带涂层）	Magstim		50mm 线圈
BrainSight 2.0 软件	Rogue Research		神经导航软件
BrainSight 无框架立体定位系统	Rogue Research		神经导航设备
D702 线圈	Magstim		70mm 线圈
Discovery MR750	General Electric		3.0T 磁共振成像设备
一次性耳塞	3M		泡沫耳塞
心电电极 30mm x 24mm	Coviden-Kendall	H124SG	一次性电极
四通道隔离放大器	Intronix Technologies Corporation	2024F	肌电图放大器
gGAMMAcap	g.tec Medical Engineering		脑电帽
Micro1401-3	Cambridge Electronic Design		科学数据记录与处理设备
Nuprep 皮肤准备凝胶	Weaver and Company		皮肤准备用研磨凝胶
Signal v.7	Cambridge Electronic Design		数据采集与分析软件
The Magstim BiStim2	Magstim		经颅磁刺激器（两个 2002 单元）