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。
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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。
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。
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10,11,12。经颅磁刺激(TMS)则能够在健康和疾病状态下,对人类脑功能和行为进行因果性测量和调控3,13,14,15。
经颅磁刺激(TMS)是一种安全、非侵入性的方法,可用于刺激人脑16,17,并可用于诱导和测量可塑性18。该方法有助于增进我们对特定脑区与行为之间因果关系10,11,12,19,以及这些脑区与脑网络中其他节点之间特定功能连接的理解20,21,22,23。迄今为止,大多数研究集中于人类运动系统,因为对初级运动皮层(M1)手区施加TMS可产生运动诱发电位(MEPs),作为与运动行为相关变化的生理指标24,从而可在系统水平上研究人脑中不同的抑制性和兴奋性环路25。近年来,采用双线圈条件-测试TMS方法的研究进展表明,可以测量不同皮层区域之间的功能连接。在运动系统中,双位点TMS实验显示,与M1相互连接的皮层区域输入会随任务需求、年龄或疾病状态而变化14,26。Ferbert及其同事的开创性工作发现,在对另一侧M1施加测试刺激之前,先对M1施加条件刺激,可抑制MEP的振幅,这一现象被称为短间隔半球间抑制(SIHI)28。许多采用该方法的TMS研究还表明,在静息状态下,M1与对侧M1、腹侧前运动皮层(PMv)、背侧前运动皮层(PMd)、辅助运动区(SMA)、前SMA、初级感觉皮层(S1)、背外侧前额叶皮层(DLPFC)以及后顶叶皮层(PPC)之间存在强烈的相互连接27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42。有趣的是,这些皮层区域的刺激对运动皮层兴奋性的影响在解剖结构、时间进程和功能上均与运动准备期间正在进行的脑活动密切相关(即状态依赖性和情境依赖性43,44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,69)。然而,极少有研究利用双位点TMS来刻画脑部疾病患者中功能性皮层-皮层连接模式与运动和认知功能障碍之间的关系70,71,72。这为开发评估和治疗运动及认知障碍的新方法提供了机遇。
利用该技术还发现,对与M1存在功能连接的皮层区域(如对侧M168,69,70、PMv76,77,78、SMA71和PPC80,81,82)重复施加成对的皮层TMS,可根据赫布可塑性(Hebbian principle of associative plasticity)83,84,85,86的原理,诱导特定神经通路突触效能的改变,并增强行为表现72,73,74。然而,目前仅有少数研究采用该方法探讨神经系统疾病中的环路功能障碍与可塑性异常2,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,90,91,92,93,94,95,96。目前尚不清楚通过TMS增强功能特异性的神经通路是否能够恢复功能障碍环路的活动,或预先增强完整神经环路的功能是否可提高支持运动与认知功能的脑网络在生命周期及疾病状态下的韧性97。由于对神经系统疾病背后的基本神经机制以及刺激对相互连接的功能障碍脑网络的影响仍缺乏根本性理解,当前的治疗手段受到限制。
尽管经颅磁刺激(TMS)具有潜力,但它尚未成为神经科学和临床工具中用于理解脑-行为关系、脑部疾病病理生理机制以及治疗效果评估的标准方法。因此,为了充分发挥其潜力并推动其大规模应用,标准化TMS方法至关重要,因为这更有可能提高未来TMS实验的严谨性,并增强不同独立实验室之间的可重复性。本文概述了TMS如何用于测量和调控功能连接。此处,我们以运动系统(例如顶叶-运动通路44)为例,通过测量基于TMS的输出指标(例如运动诱发电位MEPs),介绍该技术的应用,因为该方法在这一系统中研究最为充分。然而,需要指出的是,本方案也可调整用于靶向其他皮层下85、小脑86,87以及皮层区域73,74,88的功能耦合。此外,还可结合使用脑成像技术,如脑电图(EEG)89,90,91和功能磁共振成像(fMRI)92,93,以评估TMS诱导的脑活动和功能连接变化26,94。最后,我们提出,利用这些TMS方法研究健康与疾病状态下回路水平皮层连接的功能参与,有助于基于更精细的脑-行为网络模型,发展靶向性诊断方法和创新治疗策略。
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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,分别在受试者处于以下两种状态时进行: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)。其次,介绍一种皮质配对关联刺激(cPAS)方法,该方法通过配对刺激两个皮质区域(例如顶下小叶后部与初级运动皮质),以可控方式调节脑区间相互作用,利用TMS增强特定功能神经通路,并诱导皮质兴奋性的改变。每种方法均提供代表性数据集。本方案中所述所有方法均已获得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
2. 肌电图(EMG)电极放置
3. 定位经颅磁刺激靶向脑区
4. 定位最佳经颅磁刺激线圈位置并确定阈值
注意:在本实验中,CoilM1 指用于向 M1 区域传递刺激的线圈,而 CoilTwo 指用于向其他感兴趣皮层区域(例如顶叶后皮层)传递刺激的线圈。为了计算在非运动区域使用的最大刺激器输出强度(MSO),必须确定 CoilTwo 在 M1 上的阈值。应报告运动阈值数值,以便在不同实验之间进行比较和重复验证。
5. 双位点经颅磁刺激(静息态)
6. 双位点 TMS(任务情境)
注意:双位点 TMS 还可用于检测静息状态下的功能连接是否可被不同任务情境所调节。
7. 皮层配对关联刺激(cPAS)
注意:本方案涉及在短时间内向两个不同的皮层区域输送成对的单相脉冲,以诱导人脑内连接通路间突触强度的通路特异性改变。该方法基于赫布原理中的脉冲时序依赖性可塑性107,108,109,110。与双位点经颅磁刺激(TMS)方法类似,cPAS 通过两台经颅磁刺激仪分别连接两个独立的经颅磁刺激线圈,作用于两个不同的皮层区域(例如,后顶叶皮层(PPC)和初级运动皮层(M1))。
8. 数据处理与分析

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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)在第一骨间背侧肌(FDI肌)中诱发的运动诱发电位(MEP)反应的典型幅度。刺激条件包括单独对初级运动皮层(M1)施加测试刺激(TS alone,蓝色迹线)或先从后顶叶皮层(PPC)施加条件刺激再对M1施加测试刺激(CS-TS,红色迹线)。在静息状态下,PPC对同侧M1产生抑制性影响,表现为当在M1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振幅显著降低(上图)。而在准备抓握动作期间,PPC对M1的这种净抑制作用转变为易化作用(即抑制解除)。为了直接比较静息状态与任务状态下PPC-M1之间的相互作用,将每种条件下的MEP振幅相对于单独TS试次进行归一化处理,并以MEP振幅比值形式绘图。结果表明,在计划朝向物体的抓握动作时(紫色柱状图),PPC-M1间的相互作用较静息状态显著增强。
图6 的上方面板显示了在施加cPAS方案期间MEP波幅的变化。在刺激...
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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...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作由密歇根大学:MCubed 学者计划和运动学学院资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
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| BrainSight 无框架立体定位系统 | Rogue Research | 神经导航设备 | |
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| 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) |
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