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<....

方案

以下方案可应用于多种实验。所提供的信息详述了一项利用SAI量化在有效或无效提示探测刺激下手指反应期间感觉运动整合的实验。在本方案中，SAI在无任务状态下进行评估，随后在提示性感觉运动任务执行过程中同步评估，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。本研究已获得中国台湾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 描绘了阳极-阴极电流（PA-induced）和阴极-阳极电流（AP-induced）条件下短潜伏期传入抑制（SAI）的实验设置。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位引导系统，以追踪TMS线圈相对于受试者的位置和....

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，在单个受试者的FDI肌肉中诱发的未经调节和经调节的MEP示例。中间一列的柱状图显示了未经调节和经调节试验的原始平均峰-峰MEP振幅。右侧的柱状图显示了同一受试者在PA₁₂₀-和AP₃₀-诱导电流下的SAI以及MEP起始潜伏期。

外周电 conditioning 刺激的平均效应是抑制由 TMS 刺激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 unconditioned MEPs，且 SAI 比值小于 1。AP₃₀ SAI 的 MEP 起始潜伏期较长，反映了传入至皮质脊髓神经元的输入具有更长的潜伏期。

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）