联合外周神经刺激与可控脉冲参数经颅磁刺激探究感觉运动控制与学习

摘要

短潜伏期传入抑制（SAI）是一种用于探究感觉运动整合的经颅磁刺激方案。本文介绍了如何利用SAI研究感觉运动行为期间运动皮层中的感觉运动汇聚环路。

摘要

熟练的运动能力依赖于将感觉传入高效地整合到适当的运动指令中。传入抑制为研究在熟练运动过程中程序性和陈述性因素对感觉运动整合的影响提供了一种有价值的工具。本文阐述了短潜伏期传入抑制（SAI）在理解感觉运动整合方面的方法学及其贡献。SAI用于量化由经颅磁刺激（TMS）诱发的皮质脊髓运动输出受到汇聚性传入冲动的影响程度。该传入冲动由外周神经的电刺激触发，而TMS刺激则施加于初级运动皮层的特定区域，该区域可在一个接受该传入神经支配的肌肉中引发可靠的运动诱发电位。运动诱发电位受抑制的程度反映了传入冲动在运动皮层汇聚的强度，并涉及中枢GABA能和胆碱能系统的参与。由于SAI中存在胆碱能系统的参与，SAI可能成为感觉运动表现与学习中陈述性与程序性相互作用的一个潜在指标。近年来，研究开始通过调控SAI中TMS电流的方向，以区分初级运动皮层中不同感觉运动回路在熟练运动行为中的功能意义。利用先进的可控脉冲参数经颅磁刺激（cTMS）技术调节额外的脉冲参数（如脉宽），增强了TMS刺激对感觉运动回路探测的选择性，为建立更精细的感觉运动控制与学习模型提供了可能。因此，本文重点介绍使用cTMS进行SAI评估的方法。然而，文中所述原理同样适用于采用传统固定脉宽TMS刺激器评估的SAI，以及其他形式的传入抑制，例如长潜伏期传入抑制（LAI）。

引言

多个感觉运动环路在运动皮层汇聚，共同调控锥体束向脊髓运动神经元和中间神经元的投射¹。然而，这些感觉运动环路如何相互作用以调控皮质脊髓投射和运动行为，仍是尚未解决的问题。短潜伏期传入抑制（SAI）为研究汇聚性感觉运动环路在运动皮层输出中的功能特性提供了一种工具。SAI 结合了运动皮层的经颅磁刺激（TMS）与相应外周传入神经的电刺激。

经颅磁刺激（TMS）是一种非侵入性方法，可安全地通过突触后方式刺激人脑中的锥体运动神经元^2,3。TMS通过放置在头皮上的线圈导线传递一个大而瞬时的电流。该电流的瞬时特性产生快速变化的磁场，进而在大脑中诱导出感应电流⁴。在单次TMS刺激的情况下，所诱导的电流会激活一系列兴奋性输入，作用于锥体运动神经元^5-7。如果产生的兴奋性输入足够强，下行神经活动将引发对侧肌肉反应，称为运动诱发电位（MEP）。MEP的潜伏期反映了皮质-运动传导时间⁸。MEP的幅度则反映皮质脊髓神经元的兴奋性⁹。单次诱发MEP的TMS刺激之前也可施加一个条件刺激^10,11,12。这些成对脉冲范式可用于评估不同中间神经元池对皮质脊髓输出的影响。在感觉-运动皮质抑制（SAI）的情况下，外周电条件刺激被用来探测传入冲动对运动皮层兴奋性的影响^11,13,14,15。TMS刺激与外周电刺激之间的时间关系，使得TMS对运动皮层的作用与传入投射到达运动皮层的时间相匹配。对于远端上肢肌肉的SAI，正中神经刺激通常比TMS刺激提前18–24 ms^11,13,15,16。同时，随着外周刺激所诱发的传入冲动强度增加，SAI效应也随之增强^13,17,18。

尽管SAI与传入神经投射至运动皮层的外在特性密切相关，但它是一种可塑的现象，参与多种运动控制过程。例如，在即将发生运动之前，任务相关肌肉中的SAI会减弱^19,20,21，而在相邻的任务无关运动表征中则保持不变^19,20,22。对任务相关性的敏感性被认为反映了周围抑制机制²³，其目的是减少不必要的效应器募集。最近有研究提出，任务相关效应器中SAI的减弱可能反映了一种与运动相关的门控现象，旨在抑制预期的感官传入²¹，并在感觉运动规划和执行过程中促进校正²⁴。无论其具体功能如何，SAI均与手动灵活性和信息处理效率的下降相关²⁵。SAI的改变还与老年人跌倒风险增加²⁶，以及帕金森病患者^26,27,28和局灶性手部肌张力障碍个体²⁹的感觉运动功能受损相关。

临床和药理学证据表明，介导SAI的抑制性通路对中枢胆碱能调节具有敏感性³⁰例如，给予毒蕈碱型乙酰胆碱受体拮抗剂东莨菪碱可降低SAI³¹相比之下，延长乙酰胆碱的半衰期 通过 乙酰胆碱酯酶抑制剂增强SAI^32,33与药理学证据一致，感觉门控（SAI）对多种涉及中枢胆碱能系统的认知过程敏感，包括觉醒³⁴奖励³⁵注意力的分配^21,36,37和记忆^38,39,40在伴有胆碱能神经元丢失相关认知缺陷的临床人群中，SAI 也发生改变，例如阿尔茨海默病。^{41,42,43,44,45,46,47}帕金森病（伴有轻度认知障碍）^48,49,50，以及轻度认知障碍^47,51,52. 不同苯二氮䓬类药物对γ-氨基丁酸A型（GABA_A受体亚基类型表明，SAI抑制通路与其他形式的成对脉冲抑制通路不同³⁰例如，劳拉西泮可降低感觉门控抑制（SAI），但会增强短间隔皮质抑制（SICI）。⁵³唑吡坦可降低SAI，但对SICI影响较小⁵³地西泮增强SICI，但对SAI影响较小⁵³GABA的正向变构调节剂对SAI的减弱作用_A 受体功能，结合观察到的GABA在脑干和大脑皮层中调控乙酰胆碱释放的现象⁵⁴，提出了GABA可能调节投射到感觉运动皮层的胆碱能通路从而影响SAI的假说⁵⁵.

近期，SAI 已被用于研究设定程序性运动控制过程的感觉运动环路与将程序性过程与明确的自上而下目标及认知控制过程相协调的环路之间的相互作用^21,36,37,38。SAI 中胆碱能系统的中枢参与³¹提示， SAI 可能反映了对程序性感觉运动控制和学习的执行性影响。重要的是，这些研究已开始通过使用不同的经颅磁刺激（TMS）电流方向评估 SAI，来识别认知对特定感觉运动环路的独特作用。SAI 研究通常采用后向前（PA）诱导电流，而仅有少数研究使用前向后（AP）诱导电流⁵⁵。然而，在 SAI 评估期间，使用 TMS 诱导 AP 电流与 PA 电流会募集不同的感觉运动环路^16,56。例如， cerebellar modulation 会改变对 AP 敏感但对 PA 不敏感的感觉运动环路^37,56。此外，对 AP 敏感但对 PA 不敏感的感觉运动环路会受到注意负荷的调节³⁶。最后，注意和小脑的影响可能汇聚于相同的对 AP 敏感的感觉运动环路，从而导致这些环路发生适应不良性改变³⁷。

经颅磁刺激（TMS）技术的进步为单脉冲、双脉冲及重复性应用过程中所采用的TMS刺激参数配置提供了更大的灵活性^57,58。目前，可控脉冲参数TMS（cTMS）刺激器已在全球范围内商业化并用于科研，能够灵活调控脉冲宽度和波形⁵⁷。这种增强的灵活性源于对两个独立电容器放电持续时间的控制，每个电容器分别负责TMS刺激的一个独立相位。刺激的双相或单相特性由每个电容器的相对放电幅度决定，该参数称为M比值（M-ratio）。已有cTMS研究结合脉冲宽度调节与不同电流方向，证明常规TMS刺激器所使用的固定脉冲宽度（70–82 µs）^59,60在感觉运动抑制（SAI）过程中可能同时激活多种功能上不同的感觉运动环路⁵⁶。因此，cTMS是一种极具前景的工具，可用于进一步解析各种感觉运动环路在感觉运动功能与学习中的功能意义。

本手稿详细介绍了一种独特的SAI方法，用于研究感觉运动整合，该方法在感觉运动行为期间将外周电刺激与cTMS相结合。此方法相较于传统的SAI方法有所改进，能够评估传入投射对运动皮层中特定中间神经元群体的影响，这些神经元调控着感觉运动行为过程中的皮质脊髓输出。尽管cTMS相对较为新颖，但在研究典型人群及临床人群的感觉运动整合方面具有独特优势。此外，当前方法可轻松适配于常规TMS刺激器，并可用于量化其他类型的传入抑制与易化现象，例如长潜伏期传入抑制（LAI）¹³ 或短潜伏期传入易化（SAF）¹⁵。

方案

以下方案可应用于多种实验。所提供的信息详细描述了一项实验，其中利用SAI量化在手指对有效或无效提示探针做出反应时的感知运动整合。在本方案中，SAI首先在无任务状态下进行评估，随后在执行提示性感知运动任务的同时进行评估，最后再次在无任务状态下进行评估。cTMS刺激器可由任何 commercially available 的常规TMS刺激器替代。然而，常规TMS刺激器的脉冲宽度将根据具体硬件固定在70–82 µs之间^59,60。本研究已获得滑铁卢大学研究伦理办公室的批准。所有参与者均签署了书面知情同意书。

1. 硬件/软件要求

注意：图1展示了将外周电刺激器和经颅磁刺激（TMS）刺激器与计算机控制的感知运动任务整合所需的硬件配置示意图。图2A描绘了由PA诱导电流和AP诱导电流引起的SAI实验设置。图2B说明了提示性感知运动任务的事件序列以及SAI评估的相对时间安排。强烈建议使用立体定向导航系统来追踪TMS线圈相对于受试者的位置和方向，以减少因线圈位置和轨迹变化引起的生理反应在试次间的变异性⁶¹。

图1用于评估静息状态及并发感觉运动行为期间SAI的硬件示意图。 用于控制感觉运动任务以及cTMS刺激/外周电刺激时序的PC1，连接至一个能够产生5 V TTL输出触发信号的数模转换器。 通过 USB 数据线。对于非条件刺激试验，来自数字输入-输出通道 1 的触发信号被发送至 cTMS 刺激器 通过 一根BNC电缆。对于条件化试验，数字输入-输出通道1发出的触发信号（发送至cTMS刺激器）之前，会先由数字输入-输出通道2向外周电刺激器发送一个触发信号。从cTMS设备的触发输出通道引出一根BNC电缆，连接至肌电图（EMG）系统的模拟-数字转换板，以触发EMG放大器的记录功能，并由PC2上的EMG采集软件启动数据的显示与存储。此外，可选地，从cTMS触发输出端引出的另一根BNC电缆可连接至立体定向导航系统，用于记录cTMS刺激发生时线圈的位置与轨迹。缩写：PC = 个人计算机；USB = 通用串行总线；TTL = 晶体管-晶体管逻辑触发电缆；BNC = 卡口式尼尔-康西尔曼连接器；cTMS = 可控脉冲参数经颅磁刺激器；TMS = 经颅磁刺激；A/D = 模拟-数字；EMG = 肌电图。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图2：SAI实验设置及感觉运动任务。（A）评估第一背侧骨间肌（FDI）短潜伏期传入抑制（SAI）的实验装置示意图。需注意的是，脑内感应电流的方向与经颅磁刺激（TMS）线圈中的电流方向相反。（B）有效示指线索（上图）与无效示指线索（下图）试验的示意图。线索始终显示为上方刺激（由虚线圆圈标出）。线索颜色对应特定手指的反应。要求受试者尽可能快速且准确地根据探针颜色做出反应。线索和探针可为任意颜色。有效线索的概率为70%。无效线索出现在30%的试验中。缩写：SAI = 短潜伏期传入抑制；PA = 后前方向；AP = 前后方向；FDI = 第一背侧骨间肌；EMG = 肌电图；MNS = 正中神经刺激。请点击此处查看该图的放大版本。

1. 为一台个人计算机（PC1）配备控制感觉运动任务的软件 通过 带两个数字输出通道的USB（或串口）数模转换板
2. 设置一个无任务的软件程序，用于控制非条件性cTMS刺激与由外周电刺激调节的条件性cTMS刺激的呈现顺序，其中刺激间间隔（ISI）为21 ms。使用持续时间为5–8 s的矩形分布，对任意两个刺激（例如条件性或非条件性刺激）之间的间隔进行随机化。
   1. 确保程序向cTMS设备端口中的非条件刺激触发输入发送一个数字输出触发信号。确保程序分别为条件刺激向cTMS设备和外周电刺激器发送独立的数字输出信号。
   2. 确保外周刺激器的触发信号比cTMS触发信号提前21 ms。确保无条件刺激和条件刺激的次数在8至24次之间。理想情况下，无条件刺激和条件刺激试验的顺序应随机化。
3. 设置软件程序以控制感觉运动任务。确保该软件还能将发送至cTMS和外周电刺激器的数字输出触发信号与行为过程中的特定时间点进行时间锁定。
   注意：本实验采用的是提示性感觉运动任务（图2B）。外周刺激器和cTMS刺激器的触发时间设定在反应提示出现后225–275 ms之间，采用矩形分布。该时间设置的目的是根据反应提示与先前准备提示之间的一致性来评估感觉运动整合的变化，其中反应提示与准备提示一致的情况占所有试验的70%。
4. 配备第二台个人计算机（PC2），并连接双通道肌电图（EMG）放大器和模数转换器。确保该模数转换器具有数字输入通道，以实现EMG信号与经颅磁刺激（TMS）刺激的时间锁定。确保PC2安装有EMG数据采集软件，用于记录TMS诱发的肌肉反应。
   注意：PC1 可用于控制感觉运动任务并记录肌电图（EMG）。然而，研究人员应独立验证发送至经颅磁刺激（TMS）刺激器、外周刺激器和 EMG 系统的触发信号时序。当多个设备连接至同一台 PC 时，可能增加中央处理器冲突的风险，导致事件标记之间的相对时序不稳定。
5. 设置肌电图数据采集软件，参数如下：三个记录通道（其中两个用于肌电图），一个输入触发通道，以TTL触发信号为中心，记录触发前−0.3秒至触发后0.5秒的时间段，肌电图信号放大倍数为1,000倍，采样频率为4,000 Hz，带通滤波器范围为3 Hz至1 kHz，可选工频滤波器。
   注意：本实验方案采用分段记录法。肌电图采集软件持续监测肌电图信号，但仅显示并记录与经颅磁刺激（TMS）刺激时间锁定的分段数据。
6. 将PC1的一个数字输出通道连接至cTMS刺激器的触发输入端。将PC1的第二个数字输出通道连接至外周电刺激器的触发输入端。使用PC的操作系统时，需独立验证PC1两个数字输出信号之间的相对时序。
7. 将触发输出连接到肌电图（EMG）系统的数字输入端。如果使用立体定位引导系统，可将触发输出分路连接至该引导系统，以记录每次试验中连续经颅磁刺激（cTMS）刺激时刻cTMS线圈的实时位置。

2. 受试者筛选与知情同意

1. 筛查参与者是否存在经颅磁刺激（TMS）的禁忌证^{9,62,63,64,65}。
2. 向参与者说明研究目的和操作流程，回顾机构伦理审查委员会批准的知情同意书中列出的风险，并回答其关于潜在风险的任何问题。在开始任何研究操作前，获得书面的知情同意。

3. 肌电图（EMG）电极放置

1. 指导受试者坐在实验椅上，肘部 resting 在椅子扶手上，并弯曲至腕部/手部可舒适地 resting 在实验台工作区域。根据需要调整椅子和实验台工作区域的高度。
2. 使用涂抹在圆形棉垫上的轻度研磨乳膏清洁第一背侧骨间肌（FDI）、拇短展肌（APB）以及尺骨茎突处的皮肤。随后用酒精消毒垫擦拭去除残留物。
3. 针对每块肌肉，在肌腹上方放置一个一次性 Ag-AgCl 粘性电极。将第二个电极置于附近的骨性标志处作为参考电极。最后，在尺骨茎突处放置另一个 Ag-AgCl 粘性电极作为接地电极。
   注意：FDI 常用的参考电极位置是手部桡侧第二近节指骨基底部的骨性突起处；APB 常用的参考电极位置是拇指桡侧近节指骨的骨性突起处。
4. 将每对电极及接地电极连接至肌电（EMG）放大器和数据采集系统。FDI 使用通道 1，APB 使用通道 2。

4. 外周电刺激器电极放置

1. 将外周刺激器的数字输出触发器连接到肌电图（EMG）系统的触发输入通道，以便在外周刺激施加时触发EMG记录。
2. 使用轻度研磨性乳膏清洁前臂内侧皮肤，范围从腕屈纹开始向近端延伸约6 cm，从腕中线延伸至前臂桡侧。用酒精棉片擦去残留物。
3. 在可重复使用的条状刺激电极上涂抹导电凝胶。凝胶用量应刚好覆盖阳极和阴极接触点的金属圆盘。将刺激电极置于腕部掌侧皮肤上，阴极位于阳极近端。阴极应略偏内侧并靠近桡骨茎突。
   1. 切勿使用过多凝胶。若凝胶在阳极与阴极之间形成桥接，需清洁电极以彻底去除凝胶后重新涂抹。阳极与阴极之间的凝胶桥会将大量电流沿皮肤分流，导致难以有效刺激正中神经。
4. 在外周刺激器上，将刺激类型选择为单相波，刺激持续时间设为200 µs，并选择适当的电压和电流，同时仔细核对任何倍乘系数。本实验所用设备的电压（Vmax）设为200 V，初始电流为0.05 × 10 mA。
5. 手持刺激电极，按下恒流刺激器上的触发开关，施加单次电刺激。随后目视观察拇短展肌（APB）及肌电图显示（通道2），确认是否存在肌肉收缩。该肌肉收缩称为M波，由电刺激直接激活运动轴突引起，通常出现在外周电刺激伪迹后6–9 ms之间。
6. 若未观察到肌肉收缩，应询问受试者是否感到有向手指放射的刺痛感，或仅在电极下方局部有感觉。最佳电极位置应是在当前刺激强度下能引发最明显APB肌肉收缩的位置。
   1. 若受试者无任何感觉，或感觉仅局限于电极正下方皮肤，则以0.05（乘以10倍系数）为增量逐步增加电流，直至受试者报告有向手指/拇指放射的刺痛感。若感觉放射至除拇指外的其他手指，应将电极向桡侧移动，直至感觉放射至拇指。
7. 确定刺激电极的最佳位置后，使用三段胶带将电极固定于手腕。第一段胶带置于电极中部，第二和第三段分别固定电极的上端和下端。
   注：根据经验，建议先将胶带一端固定在电极背面，再将胶带沿电极侧面拉至皮肤。此方法可更有效地固定电极，并最大限度减少实验过程中电极的侧向移动。
8. 电极固定后，要求受试者摆放到经颅磁刺激（TMS）过程中所需的目标肢体方位，并检查是否仍能引出拇指抽动反应。

5. 正中神经刺激强度的确定

1. 通过调节外周刺激强度的电流，直至引出幅值为 0.2 mV 的 M 波，以此确定外周刺激阈值^37,56。若连续三个刺激所引出的 M 波幅值均超过目标值 0.2 mV，则降低电流强度；若连续三个刺激所引出的 M 波幅值均低于目标值 0.2 mV，则增加电流强度。阈值即为 M 波首次超过 0.2 mV 时对应的电流值。
   注：一种常见的替代方法是将刺激强度设定为感觉阈值的 3 倍或运动阈值的 1 倍^{11,16,17,66,67,68}。感觉阈值是指受试者在 10 次电刺激中能正确报告感觉到刺激 sensation 的 5 次时的刺激强度。运动阈值是指在 10 次刺激中有 5 次可观察到明显肌肉抽动时的刺激强度。

6. 确定经颅磁刺激的最佳线圈轨迹

1. 使用模板磁共振成像（MRI）文件创建一个新的立体定向引导系统项目文件，以监测受试者的位置和线圈方向。然后，将经颅磁刺激（TMS）刺激器的数字输出触发信号连接到肌电图（EMG）系统的触发输入通道，以便在TMS刺激发出时同步触发EMG记录。
   注意：若有条件，可使用个体化的MRI图像。然而，运动诱发电位（MEP）已足以确定运动皮层刺激研究中的最佳线圈位置。
2. 将引导系统的线圈追踪工具固定在PA方向的TMS线圈上。使用线圈校准工具，将线圈追踪工具的方向校准至TMS线圈的中点。对几何结构与PA线圈相同的AP线圈，重复此步骤，使用第二个线圈追踪工具进行校准。
3. 使用两个EMG电极将引导系统的受试者追踪工具固定在受试者的前额上。使用细头干擦记号笔或眼线笔涂抹工具，在鼻尖中部、鼻根以及左右耳前窝处做标记。使用引导系统的受试者校准工具触碰并记录每个标记的位置。
4. 通过将线圈放置在受试者头部并记录线圈轨迹，设定初始线圈位置。确保线圈的中心表面与头皮相切。将线圈中线与受试者头部的正中矢状面成45°角对齐。
   1. 为初步定位运动皮层热点区域，可假想一条切线，连接顶点前5 cm处与顶点外侧5 cm处的点，并将70 mm线圈置于该切线上、距前点约2 cm的位置。
      注意：另一种估算对侧手远端肌肉对应皮层运动热点的方法是，实验者将其左手食指（若刺激受试者左侧运动皮层）置于头顶部（顶点），左手拇指置于左耳耳前点，此时食指掌指关节的位置可用于大致判断线圈中心应放置的位置。
5. 在cTMS刺激器上，将脉冲类型选择器设为单相正向（Monophasic-Positive），以在下方神经组织中诱导PA方向电流。接着，将M比值（M-ratio）设为0.2，刺激强度（也称输出功率）设为最大刺激器输出的30%。最后，将脉冲宽度（也称正相持续时间）设为120 µs（本研究中使用的最长脉冲宽度）。
   注意：使用PA诱导电流所确定的线圈位置和轨迹，将同样用于AP诱导电流的研究^{16,36,37,38,56,69}。
6. 在受试者保持第一骨间背侧肌（FDI）轻微收缩（约为最大自主收缩的5%–10%）的同时，施加3至5次TMS刺激。若未诱发出运动诱发电位（MEP），则将刺激器强度提高10%，并再施加3至5次额外的TMS刺激。
7. 重复上一步骤，直至每次刺激均能稳定诱发出至少0.2 mV的MEP，或刺激强度达到最大输出的60%–70%为止。若仍无法诱发出可靠的MEP，则保持刺激参数不变，将TMS刺激器围绕原始刺激位点以约2 cm直径画圈移动。若在原圆周范围内仍无法诱发出可靠MEP，则将圆周直径增加1 cm继续搜索。
8. 一旦诱发出可靠的MEP，应保持刺激参数不变，将TMS刺激器从当前线圈位置分别向北、东、南、西方向各移动2 cm，以确认FDI运动热点。在每个位置施加3至5次TMS刺激⁷⁰。若在四个象限中的任一位置诱发出持续更大的MEP，则记录新的线圈位置和轨迹，并将其作为皮层运动热点所对应的线圈位置和轨迹。

7. 确定经颅磁刺激的刺激强度

1. 启动免费提供的经颅磁刺激运动阈值评估工具（MTAT 2.1）^71,72,73，以确定诱发出幅值为1 mV的运动诱发电位（MEP）所需的刺激强度（1 mV阈值）^16,67,74。将估计方法设置为无先验信息，然后点击开始。
   注：本实验方案采用1 mV的经颅磁刺激强度¹⁶。然而，部分研究更倾向于将刺激强度设定为个体静息运动阈值的120%。对于前-后（AP）电流方向，可能无法诱发出1 mV的MEP。在此类情况下，应确定AP刺激构型所能诱发出最大MEP时的刺激器输出强度，前提是该最大MEP至少达到0.5 mV。
2. 确定脉宽为120 µs时刺激器可提供的最大输出强度。然后，使用转换图表对刺激器输出范围进行重新标定，使其从0到100的范围与MTAT 2.1软件的标度相匹配。
   注：在本研究使用的设备型号中，脉宽为120 µs时的最大刺激器输出为50%。因此，MTAT 2.1软件提供的数值需除以2，以确定刺激器上设定的实际值。当脉宽为70 µs时，最大刺激器输出为66%，因此MTAT 2.1软件提供的所有数值均需乘以0.66（并四舍五入至最接近的0.5%）。当脉宽为30 µs时，最大刺激器输出为100%，因此无需进行标度调整。
3. 将经颅磁刺激器的刺激强度设置为MTAT 2.1软件指示的初始最大输出百分比，并给予一次单脉冲TMS刺激。若在TMS刺激后20–50 ms时间窗内记录到的MEP幅值超过1 mV，则按Y键表示“是”；若记录到的MEP幅值小于1 mV，则按N键表示“否”。重复此步骤，直至MTAT软件显示的刺激强度由黑色变为绿色。
   注：MTAT 2.1软件指示的初始值始终为37%。对于120 µs的脉宽，刺激器实际设定值为18.5%；对于70 µs的脉宽，实际设定值为24%；对于30 µs的脉宽，刺激器设定值为37%。
4. 对每种电流方向与刺激持续时间的组合重复上述步骤。对于前-后（AP）电流方向，可通过物理旋转线圈180°以产生后-前（PA）电流方向，或使用专门制造的可产生AP电流的线圈。
   ​注：当使用多种经颅磁刺激电流方向和脉宽时，可在数据采集开始前测定所有阈值，也可在实验方案中即将使用特定电流方向与脉宽组合前进行测定。

8. 短潜伏期传入神经抑制（无任务基线）

1. 将用于在脑内诱导PA电流的线圈连接至cTMS刺激器。将脉冲类型设置为单相正向（Monophasic-Positive），M比值设置为0.2，脉冲宽度设置为120 µs。最后，将刺激强度设置为第7步中确定的1 mV阈值。
   注意：若同时使用PA和AP两种电流方向，第8步的操作顺序应在不同受试者间随机化。若使用多种脉冲宽度，第8步的操作顺序应在受试者间进行交叉平衡。本实验中仅采用了PA₁₂₀和AP₃₀两种电流配置。
2. 将外周电刺激强度设置为第5步中确定的强度。随后，在PC1上启动无任务软件程序。接着，将外周电刺激与TMS刺激之间的刺激间期（interstimulus interval）设置为21 ms。
3. 将TMS线圈置于第6步确定的FDI肌运动热点位置。要求受试者保持FDI肌轻微收缩（约为最大自主收缩力的5%–10%）。然后，在PC1上运行无任务软件，以同时触发外周电刺激器和cTMS刺激器。
4. 使用可诱导脑内AP电流的线圈，重复上述步骤以完成AP₃₀电流配置的实验。
   ​注意：若时间允许，建议在实验结束时再次重复无任务基线测量。强烈建议在实验前后均进行无任务状态下的SAI评估，以建立SAI基线，并识别组间可能存在的初始差异（如适用）。

9. 短潜伏期传入抑制（感觉运动任务）

1. 将PA线圈连接到cTMS刺激器。将脉冲类型设置为单相正向（Monophasic-Positive），M比值设置为0.2，脉冲宽度设置为120 µs。最后，将刺激强度设置为步骤7中确定的1 mV阈值。
   注意：当使用多种TMS电流配置（例如PA₁₂₀、AP₃₀）时，应在参与者之间对感觉运动任务中使用的电流配置进行交叉平衡。建议采用与确定无任务基线评估顺序相同的交叉平衡方法。
2. 将外周电刺激强度设置为步骤5中确定的强度。然后在PC1上启动感觉运动任务软件程序，将外周电刺激与TMS刺激之间的刺激间期设置为21 ms。
3. 将TMS线圈置于步骤6中确定的FDI肌运动热点上方。要求受试者保持FDI肌轻微收缩（约为最大自主收缩的5%–10%）。
4. 运行感觉运动任务软件程序，以控制感觉运动任务并向外围刺激器和cTMS刺激器发送行为锁定的数字触发信号。每种条件下，未 conditioning 和 conditioning 试验的期望次数应保持在8至24次刺激之间。
5. 使用线圈诱导大脑中的AP电流，重复上述步骤以完成AP₃₀电流配置的实验。

10. 数据处理与分析

1. 离线目视检查肌电图（EMG）数据，剔除任何在刺激前（−50 ms 至刺激开始）肌电信号的均方根值超过预设阈值的记录。按以下公式计算每次试验的均方根误差：
   
   其中 N 表示 −50 ms 至刺激开始之间的时间点数量，EMG 表示第 n 个时间点的电压值。对于在肌肉静息状态下进行的感觉运动抑制（SAI）实验，使用 10–15 µV 作为阈值。对于在轻微强直性收缩状态下评估的 SAI，应使用所有试验中均方根误差（RMSE）的平均值加两个标准差作为阈值，前提是研究过程中已监测了收缩水平。
2. 对于每次试验，计算第一骨间背侧肌（FDI）的峰-峰运动诱发电位（MEP）幅度，即在经颅磁刺激（TMS）伪迹后 20 ms 至 50 ms 时间窗内通道 1 中最小值与最大值之间的差值⁷⁰。
3. 对于条件化试验，计算拇短展肌（APB）的峰-峰M波幅度，即在周围刺激伪迹后 5 ms 至 15 ms 时间窗内通道 2 中的峰-峰振幅。
   注：计算峰-峰M波幅度是一种确认实验过程中各条件间刺激强度未发生改变的方法。
4. 针对每种经颅磁刺激电流方向、脉冲宽度和行为状态的组合，分别计算非条件化试验和条件化试验的平均 MEP 幅度，以及条件化试验的平均 M 波幅度。
5. 使用以下公式将每位受试者的条件化 MEP 幅度表示为非条件化 MEP 幅度的比值¹¹：
   
   注：较低的比值反映更强的抑制效应。通常将该比值乘以 100%，以将条件化 MEP 幅度表示为非条件化 MEP 幅度的百分比。
6. 对每种经颅磁刺激电流方向、脉冲宽度和行为状态的组合，计算所有受试者的平均值并报告这些数值。尽管通常报告均值，但应尽可能在图表中展示个体数据。

结果

图3展示了在感觉运动任务期间，使用PA₁₂₀和AP₃₀（下标表示脉冲宽度）诱导电流，在一名受试者的FDI肌肉中诱发的未 Conditioning 和 Conditioning 的MEP示例。中间一列的柱状图显示了未 Conditioning 和 Conditioning 试验的原始平均峰-峰MEP波幅。右侧的柱状图显示了同一受试者PA₁₂₀和AP₃₀诱导电流的SAI以及MEP起始潜伏期。

外周电 conditioning 刺激的平均效应是抑制经颅磁刺激（TMS）诱发的皮质脊髓输出，这表现为 conditioned MEPs 的原始平均峰-峰 MEP 幅值小于未 conditioning 的 MEPs，且 SAI 比值小于 1。AP₃₀ SAI 的 MEP 起始潜伏期较长，反映了传入信号到达皮质脊髓神经元的潜伏期较长。

讨论

本文所述的SAI方法用于探究在感觉运动表现和学习中起作用的一部分神经通路。在受试者执行受控感觉运动任务的同时评估SAI，对于解析在健康人群和临床人群中，汇聚于运动皮质脊髓神经元并塑造运动输出的众多感觉运动环路的复杂作用至关重要。例如，类似的方法已被用于识别小脑对程序性运动控制过程的影响^37,56，以及陈述性记忆系统影响健康人群^21,36,37,38和既往脑震荡人群⁷⁵中程序性运动控制与学习的具体靶点。

本研究中概述的感觉运动整合评估具有若干优势。首先，该方案超越了使用后向前（PA）诱导电流对感觉运动抑制（SAI）进行的标准评估。以往的SAI研究几乎 exclusiv...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
肌电图采集软件	AD Instruments，科罗拉多斯普林斯，科罗拉多州，美国	PL3504/P	LabChart Pro 版本 8
酒精消毒片	Medline Canada Corporation，密西沙加，安大略省，加拿大	211-MM-05507	Alliance 无菌培养基，消毒异丙醇棉片（每盒200片）
放大器（用于肌电图）	AD Instruments，科罗拉多斯普林斯，科罗拉多州，美国	FE234	四通道生物放大器
棉球	Cliganic，美国加利福尼亚州旧金山	‎CL-BE-019-6PK	优质棉片（6 包装，每包 90 片）
cTMS 线圈	Rogue Research，蒙特利尔é加拿大魁北克省	COIL70F80301	70 mm 中等电感双8字线圈
cTMS 线圈	Rogue Research，蒙特利尔é加拿大魁北克省	COIL70F80301-IC	70 毫米中等电感八字形线圈（反向电流）
cTMS 刺激器	Rogue Research，蒙特利尔é加拿大魁北克省	CTMSMU0101	提升 cTMS 刺激器
数据采集板（用于肌电图）	AD Instruments，科罗拉多斯普林斯，科罗拉多州，美国	PL3504	PowerLab 4/35
数模转换板	美国德克萨斯州奥斯汀国家仪器公司	782251-01	NI USB-6341，带BNC接线端的X系列数据采集设备
一次性粘性电极（用于肌电图）	Covidien，爱尔兰都柏林	31112496	Kendal 130 泡沫电极
电泳凝胶	Electrodestore.com	E9	电泳凝胶（适用于电泳盖，16 盎司罐装）
Nuprep	Weaver and Company，科罗拉多州奥罗拉，美国	10-30	Nuprep 皮肤预处理凝胶（每盒3支，每支4盎司）
外周电刺激器	Digitimer，赫特福德郡，英国	DS7R	DS7R 高压恒流刺激器
可重复使用的条形电极	Electrodestore.com	DDA-30	黑色条形电极，扁平型，阴极位于远端
软件（用于行为实验与刺激器触发）	美国德克萨斯州奥斯汀国家仪器公司	784503-35	Labview 2020
经颅磁刺激立体定向线圈引导系统	Rogue Research，蒙特利尔é魁北克省，加拿大	KITBSF0404	BrainSight 神经导航系统
透析膜胶带	3M，美国明尼苏达州圣保罗市	50707387794571	Transpore 医用胶带（1 英寸 × 10 码）