方法文章

通过将经颅磁刺激与肌电图相结合来评估初级运动皮层的兴奋性和兴奋性调节

DOI：

10.3791/68897

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2025年10月7日

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1Champalimaud Research and Clinical Centre, Champalimaud Foundation, 2Department of Psychiatry and Mental Health, ULS Loures-Odivelas, Hospital Beatriz Ângelo, 3Lisbon School of Medicine, University of Lisbon, FMUL, 4Institute for Systems and Robotics-Lisbon (LARSyS), Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, 5Portuguese Red Cross Health School, 6Faculty of Medicine, University of Porto, FMUP, 7Department of Psychiatry and Mental Health, Centro Hospitalar Universitário de São João, CHUSJ, 8NOVA Medical School, Faculdade de Ciências Médicas, NMS, FCM, Universidade NOVA de Lisboa

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

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在这里，我们提出了一种方案，概述了使用经颅磁刺激 （TMS） 与肌电图 （EMG） 相结合评估初级运动皮层兴奋性和兴奋性调节的方法。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

我们描述了一种通过配对使用初级运动皮层 （M1） 的肌电图 （EMG） 和重复经颅磁刺激 （TMS） 来评估运动皮层兴奋性及其调节的方案。肌电图记录使用定制系统，表面电极放置在右背侧第一骨间 （FDI） 肌肉上，接地电极位于左肘上。TMS 使用带有 8 字形线圈的磁刺激器在神经导航系统的引导下进行。FDI 的电机热点是通过在调整线圈位置的同时系统地应用单个 TMS 脉冲来识别的，并用作所有 TMS 程序的目标。静息运动阈值 （rMT） 定义为在 10 次试验中至少有 5 次在 EMG 记录中引发 50 μV ≥的运动诱发电位 （MEP） 所需的最低强度，而主动运动阈值 （aMT） 是在 10 次脉冲中的至少 5 次中唤起 MEP ≥ 200 μV 所需的最小强度，同时参与者保持 10-20% 的最大随意肌肉激活。基线皮质兴奋性定义为从 40 个以 120% rMT 施加的单 TMS 脉冲获得的平均 MEP 振幅，脉冲以随机间隔（6-10 秒）传递。运动皮层兴奋性调节是使用间歇性θ突发刺激（iTBS）协议（50 Hz脉冲三元组，80% aMT，5 Hz 2 秒开/8 秒关闭，重复 20 次;总共 600 个脉冲）实现的。通过在四个刺激后时间点重复 MEP 幅度测量来评估兴奋性调节：立即 （T0）、10 分钟 （T10）、20 分钟 （T20） 和 30 分钟 （T30）。该协议确保对运动皮层兴奋性进行精确和可重复的评估，并捕获 iTBS 产生的调节效应的峰值。

引言

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经颅磁刺激 （TMS） 是一种非侵入性神经刺激技术，可诱导能够穿透头皮和颅骨的磁场，在到达皮质组织时引发神经元活动1。TMS 能够对人类的中枢神经系统 （CNS） 神经生理学进行体内评估 2,3,4。当以重复训练（重复TMS或rTMS）传递到特定皮质区域时，TMS可以诱导皮质目标兴奋性的变化，该变化超出刺激持续时间，具体取决于应用的方案的参数5。单脉冲TMS通常用于测量皮质兴奋性，当应用于rTMS之前和之后时，可以量化TMS诱导的皮质兴奋性调节2,3,4。初级运动皮层（M1）一直是此类协议的主要目标之一，因为其功能输出可以通过肌电图（EMG）记录6,7轻松量化。与其他神经生理学和神经影像学技术相比，如脑电图（EEG）和功能性磁共振成像（fMRI），TMS-EMG为临床实施提供了更多优势。脑电图需要大量的电极设置、仔细的伪影管理和复杂的信号处理8，而功能磁共振成像成本更高，可访问性有限，并且提供的时间分辨率较低9。TMS-EMG 依赖于相对简单的表面肌电图记录，分析集中在简单客观的指标上，例如运动诱发电位 （MEP） 幅度和潜伏期。这种采集和处理的简单性，加上更短的设置时间和更低的基础设施需求，使TMS-EMG特别适合转化为临床实践，其中需要快速、可靠和可重复的生物标志物10。

皮质兴奋性调节的测量被认为是神经可塑性的间接指标，定义为大脑响应内在或外在刺激而发生功能和结构变化的能力11,12。神经可塑性的改变与各种神经精神疾病有关，例如重度抑郁症（MDD）13,14,15,16。鉴于探索神经可塑性机制、体内和临床环境中的实际适用性的能力，TMS-EMG 衍生的皮质兴奋性调节评估已被研究为神经精神疾病的潜在生物标志物 17,18,19。这些措施可能有望作为诊断生物标志物18 和治疗结果的预测因子14,15。单脉冲或双脉冲TMS通常以静息运动阈值（rMT）的百分比表示的强度进行，即产生运动反应所需的最小强度（rMT;通常为110-130% rMT），协议通常采用20-40个脉冲来可靠地估计皮质脊髓兴奋性，并使用数百个脉冲来评估干预前后的调节，在不同的时间点20.脉冲间间隔（IPI）通常应为>4 s，以尽量减少残留效应并确保连续MEP的独立性21。当用于调节皮质兴奋性时，方案通常依赖于低频rTMS（rTMS;≈1 Hz，600-1800脉冲）或连续θ爆发刺激（cTBS;50 Hz的3个脉冲，每200 ms重复一次，连续40秒）来诱导抑制性后遗症。为了促进皮质兴奋性，方案通常依赖于高频rTMS（rTMS;≥5Hz，通常为5-20Hz，600-2000脉冲）或间歇性θ爆发刺激（iTBS）22。iTBS 通常由 600 个脉冲组成，以 50 Hz 的 3 个刺激突发形式传递，以 5 Hz 重复 2 秒，每 10 秒间歇性施加一次序列，强度约为主动运动阈值 （aMT） 的 80%。由于其效率、持续时间短和皮质可塑性的有力促进，这种模式已成为实验和临床目的中最广泛采用的模式23,24。

然而，临床实用性仍然受到未解决的方法学挑战的限制。应对这些挑战的努力——主要是通过检查和提高测量的可靠性——产生了不一致的结果 25,26,27,28,29。这些不一致至少部分可归因于研究之间的重大方法学缺陷和异质性，包括rTMS参数的可变性，例如，在低频范式22中，脉冲数范围为20至1800个脉冲，从600个脉冲的iTBS序列到1200个脉冲的修改版本30.此外，与具有神经导航的方案相比，没有神经导航的研究表明，rTMS 方案的 MEP 幅度具有可变性和较低的调节作用31。已发表研究的样本量也相对适中，通常在 10 到 25 名参与者之间，限制了统计功效32。此外，已经实施了有限的统计方法来评估可靠性，一些研究依赖于类内相关系数（ICC）24,33以外的措施，该指标通常被认为是重测信度26的最合适指标。

使用 TMS-EMG 范式进行皮质兴奋性采集和分析的方案也可能有助于额外的变异性。特定的方法因素，例如施用的 TMS 脉冲数量，可能会产生较差的可靠性，估计基于少于 20 个 MEP，而平均 ≥30 个 MEP 提供了皮质脊髓兴奋性的稳定测量。同样，IPI已被证明在2秒或更短的间隔内影响兴奋性，由于刺激的累积效应而引起皮质兴奋性的变化，而超过4秒的更保守的间隔会减少这些混杂21。肌电图采集技术34,35也会影响测量可靠性，例如，相对于单极配置34,35，双极配置提供了改进的空间选择性并减少了附近肌肉活动的污染。因此，数据采集和处理协议的标准化对于改进皮质兴奋性调节的评估和确定其稳定性至关重要——这是任何可靠生物标志物的关键属性36。

因此，为了追求使用皮质兴奋性调节措施作为神经生物学评估的候选标志物，并确定其临床应用的可靠性，我们提出了一种基于该领域最佳可用证据的系统方法产生的方案，以尽量减少方法异质性的潜在影响，并确保准确和可重复地测量运动皮层兴奋性及其调节37，38.这包括实施适当的肌电图采集协议34、使用神经导航系统39、收集足够数量的MEP20、使用合适的IPI21以及采集程序和信号处理方法的综合报告34。我们的结果表明，与文献中现有的最佳实践相比，信号稳定性有所提高，从而有助于开发强大的神经生理学生物标志物所需的方法学严谨性。

方案

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本文描述的程序是为了收集 Seybert 等人 37 和 Faro Viana 等人报告的数据而开发的 38 所有参与者在参与前都提供了书面知情同意书，解释了研究的目的、程序、风险以及他们随时退出的权利。该议定书得到了尚帕利莫未知中心伦理委员会的批准，并根据《赫尔辛基宣言》进行。只有在获得相关当地伦理委员会和/或其他主管当局的批准后，才能在其他研究或地点使用本协议。在TMS之前应应用标准化的安全检查表，以尽量减少不良副作用的风险，使用国际指南40,41作为可适应特定研究环境的参考框架。该协议设计为~1小时15分钟的持续时间（图1）。

1. 设置要求和准备

  1. 确保有两名技术人员可以以最佳方式进行会议，其中一名将应用 TMS 程序，另一名将在其他步骤中提供支持。
  2. 确保以下设备可用：神经导航系统;一把舒适的椅子;具有相应触点和电极的肌电图装置;带有 8 形线圈的 TMS 刺激器，允许输入 iTBS、单脉冲协议以及与神经导航和肌电图系统的连接。确保有一两台计算机可用，以便同时观察肌电图软件和神经导航软件。确保计算机具有蓝牙信号接收器来接收 EMG 信号。
  3. 确保有以下耗材可用：酒精和纱布敷布;水砂纸清洁放置凝胶电极的皮肤;参与者的泳帽;以及参与者和技术人员的耳塞。
  4. 在参与者到达前约 30 分钟开始设置准备，以正确设置神经导航系统、肌电图板和 TMS 机器，以及生理数据采集所需的软件。
  5. 准备肌电图系统。
    1. 确保肌电图板充满电 - 如果适用 - 并准备相应的触点 - 一个作为参考（单极 - 放置在左肘上），另一个位于目标肌肉上进行配准（双极 - 放置在右侧第一背侧骨间）。需要一根额外的电缆将 TMS 脉冲输出同步到 EMG 信号，将 TMS 设备连接到 EMG 板。
    2. 将医用级银/氯化银 （Ag/AgCl） 电极插入触点（需要 3 个电极）。此外，将 TMS 机器的电缆连接到 EMG 板，以输出每个 TMS 脉冲的触发信号。
    3. 对于内部肌电图设备，将魔术贴剥离到稳定的表面上。将触点插入相应入口点的 EMG 设备。
    4. 在其中一台显示器/计算机中，打开 BONSAI 软件42 和相应的 EMG 数据采集脚本。仅在准备好进行数据采集时才点击 开始 按钮（有关更多详细信息，请参阅 补充文件 1，步骤 1）。
  6. 准备 TMS 设备。
    1. 在 TMS 设备中定义兴奋性评估协议。它由 40 个单脉冲组成，在 120% rMT 下，随机 IPI 至少为 6 秒，以避免先前刺激的残留效应。
    2. 在设备中先 验地 按照给定的刺激参数插入 iTBS 协议：50 Hz 脉冲三联体，80% aMT，5 Hz 开 2 秒/关 8 秒，重复 20 次，总共 600 个脉冲。
    3. 在 TMS 机器屏幕的所有部分贴上纸条，其中可以看到最大刺激输出 （MSO - %），以便技术人员在 rMT 和 aMT 评估期间被蒙蔽（有关更多详细信息，请参阅 补充文件 1，步骤 2）。
  7. 准备用于 TMS 的 ANT Neuro 神经导航系统。
    1. 组装所需的硬件组件。其中包括红外跟踪摄像头、带反光标记的参与者头带、指针工具、校准板（用于 TMS 线圈）和线圈跟踪器（连接到线圈以进行实时位置跟踪的圆形设备）。
    2. 将相机放在三脚架上，并将其放置在一个位置，使其在整个会话中与所有其他神经导航组件有清晰的视线。
    3. 将线圈校准跟踪器和板放在 TMS 线圈上。
    4. 打开神经导航系统软件，插入参与者的 ID，并校准神经导航组件（有关更多详细信息，请参阅 补充文件 1，步骤 3）。

2. 为参与者做好准备

  1. 参与者到达后，根据已发布的指南40,41，通过使用问卷调查和/或结构化访谈来评估应用 TMS 的安全性。包括有关精神和神经系统疾病史、意识丧失、听力障碍以及金属或磁性植入物的存在、正在进行的药物治疗和怀孕状况的项目。仅当没有提出安全问题时才继续执行协议。
  2. 将参与者坐在舒适的椅子上，双前臂可以处于休息位置。确保参与者处于适当的角度，以便线圈舒适地放置在他们的头上。
  3. 让患者摘下任何眼镜、发夹或别针，以及任何耳环或其他金属和/或电子设备。提供耳塞，并确保它们正确稳定地放置。指导参与者保持清醒、沉默和放松。确保参与者始终保持清醒，以尽可能减少生理信号的波动。
  4. 为了提高电极-皮肤界面的质量并改善电信号的电导，请用水砂纸轻轻擦洗该区域，然后用含酒精的纱布35快速冲洗，从而清洁FDI上的皮肤。在对侧肘部重复此过程。皮肤干燥后，将接地电极放在肘部上以提供零电压参考点，并将记录电极放在对侧手上，在FDI上，其中心在肌肉肌腱方向上约2.5厘米处（见 图2）。
  5. 在参与者的头上戴上一顶泳帽，以绘制 TMS 刺激部位位置的参考：
    1. 将泳帽以前后方向戴在参与者的头上。确保帽子与参与者的眉线正面对齐，并与两侧耳朵螺旋的根部对齐。将其放在头皮上，让耳朵自由且不被遮盖。
    2. 在帽上绘制内侧矢状线和耳间线，以获得顶点上的截点（图3A，B）。
    3. 从截点开始，在耳间线上向左测量 5 厘米，在矢状线上向前测量 5 厘米，以定义 2 个附加点（图 3C，D）。
    4. 画一条对角线将侧点连接到内侧前点（图3E）。
    5. 从侧点开始，在对角线的前内侧方向上测量 2.5 厘米，以标记运动热点的初始估计值（图 3F）。
    6. 在初始估计值周围 0.5 厘米的半径内标记 4 个点，以便为电机热点提供额外的测试点。标记电机热点考虑的区域（红线）（图 3E、F）。
  6. 为参与者设置神经导航系统。
    1. 将松紧头带放在参与者的头上，确保标记条面向相机并且舒适，因为它必须在整个会话过程中保持在原位。
    2. 使用指针定义参与者头部的关键解剖标志（鼻、左右耳屏和头部形状点），这将允许系统根据参与者的头部解剖结构（鼻、耳屏、头皮标志和头部形状）对齐和跟踪刺激目标，如果使用标准 MNI 空间和解剖结构的其他方面， 包括大脑解剖学，如果使用个体化 MRI 扫描。这确保了线圈在 TMS 过程中根据个体解剖结构的准确定位（有关更多详细信息，请参阅 补充文件 1，步骤 3）。

3. TMS-EMG生理评估

  1. 开始运行 BONSAI 脚本42 进行肌电图数据采集。在记录过程中，监测参与者的面部收缩、肢体运动、帽子的无意重新定位或其他可能影响参与者生理和生理数据采集的行为的迹象。
  2. 测量电机热点。
    1. 将 TMS 线圈切向放置到参与者的头皮上，手柄相对于正矢状线呈 45° 角向后指向，其中心位于步骤 2.5 中的标记位置上方 - 该位置将用于所有 TMS 程序。
    2. 在初始电机热点估计值的 30% 处施加 MSO 的脉冲。
    3. 以 MSO 的 5-10% 的步长增加刺激强度，直到观察到一致的运动反应。
    4. 在初始估计值及其周围的几个位置应用单脉冲，以确定最一致地产生更高幅度 MEP 的位置，并在可能的情况下，在可见收缩仅限于 FDI 的位置 - 这是 FDI （MH） 的电机热点。
    5. 在神经导航系统软件中，选择确定MH的脉冲以引导进一步刺激。
  3. 建立 rMT。
    1. 使用神经导航系统将线圈引导至步骤 3.2 中发现的 MH - rMT 是在此处提供的 10 个 TMS 单脉冲中至少有 5 个在对侧 FDI 中引出至少 50 μV 的 MEP 所需的最小 MSO 百分比，大约间隔 5 秒刺激间隔。
    2. 从用于定义MH的MSO百分比开始，以2%的步长降低强度，直到10个TMS单脉冲中少于5个在对侧FDI中引起至少50μV的响应。
    3. 以 1% 的步长递增 MSO，直到 10 个 TMS 单脉冲中至少有 5 个在对侧 FDI 中引起至少 50 μV 的响应。
    4. 注册 rMT 的 % MSO。
  4. 确定最大随意肌激活。
    1. 指导患者通过用最大力量将食指指甲推到拇指腹部，形成圆形，从而产生第一背侧骨间 （FDI） 肌肉的最大随意肌肉激活。
    2. 参与者开始肌肉收缩后约 2 秒，通过在运行 BONSAI 脚本的计算机上按空格键记录相应的时间点，跳过最初的活动增加和电极运动引起的峰值。
    3. 重复该过程 3 次，每次收缩间隔 1 分钟的休息时间，以防止疲劳并确保恢复。
  5. 建立 aMT。
    1. 使用神经导航系统将线圈引导至步骤 3.2 中发现的 MH - aMT 是在轻微自愿收缩期间，在此处传递的 10 个 TMS 单脉冲中的至少 5 个中产生至少 200 μV 峰峰值幅度的 MEP 的最小 % MSO。
    2. 要求参与者保持次最大收缩，在 MViC 的 10% 到 20% 之间，使用 EMG 监测正在进行的收缩并提供实时反馈（有关更多详细信息，请参阅 补充文件 1，步骤 1）。
    3. 从rMT的MSO百分比开始，以2%的步长降低强度，直到在10个TMS单脉冲中的不到5个中产生至少200 μV的MEP。
    4. 以 1% 的步长递增 MSO，直到 10 个 TMS 单脉冲中的至少 5 个产生至少 200 μV 的 MEP。
    5. 注册 aMT 的 % MSO。
  6. 定义基线皮质兴奋性。
    注意：此阶段旨在确定参与者的基线 MEP 幅度，作为后续比较的参考。
    1. 使用神经导航系统将线圈准确定位在电机热点上，如步骤 3.2 中定义。
    2. 确认表面肌电图电极正确放置在目标肌肉上（例如，第一背侧骨间），并验证信号质量（最小噪声和清晰的 MEP）
    3. 在 TMS 设备上加载单脉冲刺激协议。
    4. 插入先前定义的rMT并启动协议（步骤1.6.1中描述的刺激参数）。
    5. 通过平均 40 个 MEP 的峰峰值幅度来评估基线皮质兴奋性。
      注意：峰峰值幅度定义为每个单独的 MEP 波形的最小点和最大点之间的电压差。为了进一步分析，可以按照先前文献32 中描述的程序将 MEP 振幅归一化为基线值以控制个体间变异性。
  7. 应用皮质兴奋性调节方案。
    注意：此步骤涉及提供 iTBS 协议以调节皮质兴奋性。
    1. 在 TMS 设备上加载 iTBS 协议。
    2. 插入先前定义的aMT并启动协议（步骤1.6.2中描述的刺激参数）。
    3. iTBS 协议结束后，立即启动秒表以监控刺激后间隔。
  8. 评估皮质兴奋性调节。
    1. T0，即在皮质兴奋性调节方案结束后立即使用 120% rMT 重新应用单脉冲刺激方案，如步骤 3.6 中所述。
    2. 通过将指针放在鼻上并在神经导航系统软件中验证对齐来验证神经导航的准确性。确保空间偏差< 5 毫米。记录值。
    3. T10、T20 和 T30，即皮质兴奋性调节方案后 10、20 和 30 分钟 - 重复步骤 3.8.1 中的单脉冲刺激方案。如步骤 3.8.2 中所示，重新验证神经导航准确性。
    4. 完成最后的刺激块后，停止 BONSAI 脚本。在软件中完成神经导航会话。从盆景数据采集生成“bin.”文件。
    5. 使用与基线相同的程序评估调节后时间点（T0、T10、T20 和 T30）的皮质兴奋性，即通过平均每个时间点记录的 40 个 MEP 的峰峰值幅度。这允许比较调节方案后相对于基线的兴奋性变化。
    6. 皮质兴奋性调节的计算：通过计算 delta MEP （ΔMEP） 来量化刺激方案诱导的皮质兴奋性调节，定义为在每个干预后时间点（T0、T10、T20、T30）记录的 MEP 平均振幅与基线时记录的 MEP 的平均振幅之间的差异，由基线时记录的 MEP 的平均振幅归一化。该措施可以评估 iTBS 协议引起的皮质兴奋性变化的幅度和持续时间。
       figure-protocol-1
  9. 询问参与者是否有任何不适，并在会议结束后出现任何需求或问题时提供联系方式。

结果

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该协议旨在提供对皮质脊髓兴奋性的可靠和可重复的评估，同时在不同的 EMG 系统和 TMS 设置中保持通用性。我们选择了传统的阈值狩猎程序，因为它经过广泛验证、可重复且跨研究具有可比性，同时承认替代方法也是完善的（例如，基于序列测试参数估计的阈值狩猎方法）43,44。收集总共 40 个单脉冲 TMS 刺激可确保记录足够的 MEP 以可靠估计 MEP 幅度，即使某些脉冲无法引起响应20。脉冲之间的间隔被随机化，至少为6秒，以防止先前刺激21的遗留效应，并使脉冲序列不可预测，减少预期肌肉预激活。使用 120% rMT 的单脉冲 TMS 强度是一个完善的标准，可以引出可测量的 MEP，同时在参与者中始终如一地捕获 iTBS 引起的可塑性变化。离线肌电图处理，包括过滤、伪影去除和背景肌肉活动监测，确保测量的MEP反映真正的皮质脊髓兴奋性而不是噪音，并且不受肌肉预激活的影响（有关详细信息，请参阅补充文件1，步骤4）。虽然可以使用该协议获取超过 30 分钟的 iTBS 后 MEP，但我们选择在 iTBS 后 T30 结束数据采集，这与该协议产生的 LTP 样可塑性主要发生在该窗口32 内的证据一致。总体而言，该协议强调可重复性、可靠性和概念上的通用性，独立于特定设备或软件。

参与 TMS 会议的所有人员都应接受机构安全协议培训，以确保参与者的福祉。在会议期间，如果参与者报告头晕等轻微症状，则应暂停会议，应为参与者提供水，和/或在需要时抬高双腿躺下。应酌情联系护士或医生。头痛可能会在治疗期间或治疗后不久发生。应告知参与者这是预期的，如果需要，可以服用简单的非处方镇痛药。如果头痛持续存在，应联系研究团队。在极少数情况下癫痫发作，必须立即停止治疗，并且必须根据机构协议启动紧急程序。

使用此处描述的结构化和标准化方案收集了来自 47 名健康志愿者的数据。这种方法旨在提高皮质兴奋性评估的可靠性，确实在相隔 6 周进行的两次评估中产生了一致的结果37。在第一次评估时，在 T0、T10 和 T20 观察到左运动皮层兴奋性的显着调节，如 iTBS 后 MEP 振幅 （ΔMEP） 的变化所评估的那样，而在 T30 时的影响没有达到显着性（T0：W = 259，p < 0.01，r = 0.42;T10：W = 320，p < 0.01，r = 0.51;T20：W = 291，p < 0.01，r = 0.46;T30：W = 190，p = 0.06，r = 0.32），以及 6 周后的所有时间点（T0：W = 293，p < 0.01，r = 0.48;T10：W = 278，p < 0.01，r = 0.46;T20：W = 315，p < 0.01，r = 0.52;T30：W = 275，p < 0.01，r = 0.45），表明随时间变化的稳健兴奋性调制（图 4A）。0.67 的 ICC（95% CI = 0.31-0.85;p < 0.01）进一步支持了 T0 时兴奋性调节的稳定性，在 iTBS 后的早期时刻表现出中等至良好的重测可靠性（图 4B）。然而，没有观察到 T10、T20 和 T30 皮质兴奋性的时间可靠性，这表明应用该协议来评估后期时间点的可塑性样现象存在局限性。此外，关键的神经生理学参数，包括 aMT、rMT 和基线 MEP 振幅，在整个研究期间保持稳定，进一步强调了该方案的内部一致性和程序可靠性。最后，系统地评估了潜在混杂因素的影响，包括惯用手、状态焦虑、对 TMS 效果的期望、性别和年龄。正如 Seybert 等人 37 所报道的那样，这些变量与皮质兴奋性调节之间没有发现显着关联，支持观察到的效果和方案跨个体特征的稳健性。

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图1：左M1兴奋性及其调节评估-实验方案概述。请点击此处查看此图的大图。

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图 2：在第一背侧骨间 （FDI） 肌肉上进行肌电图记录的电极定位。 （a） 食指;（b） 肌腱区域;（c） FDI 肌肉腹部;（d） 拇指。将有源电极放置在FDI的腹部，第二个电极位于肌腱远端约2.5厘米处。参比电极应位于对面的弯头上。 请点击此处查看此图的大图。

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图 3：盖标记程序。 （甲、乙）解剖参考线的识别：内侧矢状线和耳屏间线并确定顶点;（C，D）从顶点开始，通过沿耳间线（左）横向测量厘米和沿矢状线向前测量 5 厘米来标记两个参考点;（E） 构建连接侧点和前点的对角线。沿着对角线，在距外侧点前内侧方向 2.5 厘米处标记了一个点，代表运动热点的初始估计值。通过在初始估计值的 0.5 厘米半径内标记四个附加点来细化热点估计，创建用于确定运动阈值的刺激位点集群;（F） 电机热点的建立和盖子上的相应标记（红线）。请点击此处查看此图的大图。

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图 4：研究的代表性结果。 （A） iTBS 后左运动皮层兴奋性的调节，反映在基线和随访期间 T0、T10 和 T20 时 MEP 振幅 （ΔMEP） 的变化;（B） T0 时的重测信度由 0.67 的组内相关系数 （ICC） 表示（95% CI：0.31-0.85; p < 0.01），支持兴奋性调节的中等至良好一致性。 请点击此处查看此图的大图。

补充文件 1：协议的其他细节。请点击此处下载此文件。

讨论

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在这里，我们提出了一个全面且结构严格的方案，描述了一种使用 TMS 结合 EMG 评估 M1 皮质兴奋性和兴奋性调节的方法。它详细描述了最佳实验进行的所有必要步骤，包括准备实验设置和神经导航系统的校准、TMS 和 EMG 设备的配置以及识别 MH、rMT 和 aMT 的标准化程序。该协议的这些准备步骤对于最终的步骤序列是必要的，包括皮质兴奋性的基线评估、通过应用 iTBS 进行神经调控以及重新评估皮质兴奋性以量化由此产生的调节。

该方法的一个关键优势是其高度的标准化和严谨性，它解决了过去研究中发现的许多局限性。该领域过去的工作经常受到方法论不一致、方法描述有限以及受试者内部和受试者间高度变异的问题35。方法学变异性包括收集的MEP数量20、IPI21和可能损害研究结果可重复性的EMG过滤方法34。此处描述的协议通过结合神经导航来确保精确的线圈放置39，使用经过验证的肌电图程序34，并采用已建立的刺激和信号采集最佳实践45，避免了方法学陷阱。尽管这些程序中的每一个的具体贡献都没有量化，但与先前的研究相比，这些元素的集体应用提高了观察到的效果的稳定性和可靠性 25,26,27,28,29,30。

虽然方法论的严谨性和标准化是可靠测量的基础，但参与者准备和会话管理的实际方面是影响所获取数据质量的一些最重要的协议步骤。正确清洁电极放置的皮肤，确保电极相邻且牢固放置，并确认神经导航头带舒适而牢固地贴合，对于最大限度地减少会话间的差异至关重要。在整个会议过程中，持续监测参与者的状态（包括警觉性、手部运动和电极稳定性）对于防止伪影和保持高质量的记录是必要的。当获取 TMS-EMG 数据时出现问题时，提示调整线圈定位或刺激参数非常重要。定期验证肌电图信号质量对于解决常见技术问题至关重要，例如信号丢失、电极脱落或轻微导航漂移。线圈的微妙重新定位、确保电极接触稳定或重新校准神经导航系统通常可以恢复信号质量并保持一致性。同样重要的是要承认，尽管尽了最大努力，但信号或参与者相关变异性的一些波动可能是不可避免的。在这种情况下，与其损害数据完整性，不如暂停会话、重复关键测量，甚至重新安排时间，以确保获得可靠且可解释的结果。

使用该方案获得的结果表明，应用iTBS后，左侧M1的皮质兴奋性显着调节。这种调节在 6 周后同样明显，兴奋性调节的测量只有在 iTBS 后立即评估时才显示个体内的稳定性，这表明存在时间特异性的稳定性窗口。值得注意的是，兴奋性效应在以后的时间点并未始终保持，这一限制可能是由于随时间推移变异性增加造成的25,27。这一观察结果强化了这样一种观点，即皮质兴奋性测量的时机至关重要，特别是在考虑其作为诊断或预测目的的生物标志物的潜在作用时。事实上，尽管长期以来人们对使用运动皮层兴奋性和皮层兴奋性调节 （ΔMEP） 作为临床标志物感兴趣，但其应用一直受到可靠性差和高变异性的限制。虽然一些研究报告了中等可重复性，但许多其他研究发现 ΔMEP 缺乏临床使用所需的稳定性18,19。当前协议通过提供一个可复制的框架来一致地测量兴奋性，直接解决了这个问题。强大的 TMS-EMG 方法还为健康和疾病中潜在的神经生物学机制提供了宝贵的见解，有助于对人类运动皮层中神经可塑性样现象的可靠评估。具体来说，iTBS 被认为参与长期增强样过程，诱导 NMDA 受体依赖性突触功效增加，调节抑制性中间神经元，并促进皮质去抑制，从而共同增强刺激后的 MEP 振幅24。这种解释与动物模型的证据一致。在啮齿动物和非人类灵长类动物中，TBS 已被证明可以诱导皮质脊髓兴奋性和突触强度的持久增强，证明了跨物种的同源可塑性样机制12。因此，在人类 iTBS 后观察到 MEP 的变化可能反映了具有强大翻译基础的可塑性相关神经过程。

除了评估 iTBS 等神经调节方案外，此处详述的标准化 TMS-EMG 方法还有望用于多种应用。在运动学习范式中，皮质脊髓兴奋性的变化可以作为技能习得和神经可塑性的生物标志物。例如，研究表明，视觉运动学习增强了皮质脊髓的兴奋性，反映了潜在的神经适应46。在中风康复中，皮质脊髓兴奋性的评估可以为治疗策略提供信息，TMS 神经反馈用于上调受影响运动皮层的兴奋性，可能有助于恢复47。从药理学上讲，TMS-EMG 评估可以检测物质引起的皮质兴奋性变化，从而深入了解其中枢神经系统效应48。此外，皮质脊髓兴奋性与年龄相关的差异已被记录在案，老年人通常表现出兴奋性降低，这可能会影响运动表现和学习49。通过将这种标准化协议的应用扩展到这些领域，研究人员可以更全面地了解不同环境和人群的皮质脊髓动力学。

因此，我们建议该协议为未来的研究提供了宝贵的基础，旨在建立皮质可塑性的可靠生物标志物。特别是，研究应寻求在更大、更多样化的人群（包括临床群体）中复制这些影响。未来的研究应该评估 iTBS 后立即测量的皮质兴奋性是否能够一致地区分健康和临床特征，以了解诊断敏感性以及预后特性，例如在预测治疗反应方面。总之，这里描述的方法代表了皮质兴奋性评估标准化的重大进步。通过减轻常见的变异性来源并强调实验设计的精确性，该协议提供了一种稳健且可重复的方法来研究皮质可塑性样现象及其潜在的临床应用。

披露

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AJO-M 获得了 Schuhfried GmBH 的资助，用于认知测试的规范和验证，并且是葡萄牙由 Compass Pathways， Ltd 赞助的裸盖菇素疗法治疗难治性抑郁症试验的国家协调员（EudraCT 编号 2017-003288-36 和 2020-001348-25），以及由 Janssen-Cilag， Ltd 赞助的艾氯胺酮治疗难治性抑郁症（EudraCT 编号：2019-002992-33）;已获得来自默沙东、Neurolite AG、杨森制药、Angelini Pharma 和欧洲药物和毒瘾监测中心的会议和参与顾问委员会的付款、酬金或支持;已获得 Bioprojet Pharma 和 NaturalX Health Ventures 的咨询费（均在提交作品之外）;是葡萄牙精神病学和心理健康学会的副主席;是葡萄牙医学会和葡萄牙卫生部国家医学检查委员会精神病学工作组的负责人;是公共成瘾行为和依赖研究所伦理委员会主席;并且是葡萄牙强迫症基金会科学委员会的主席。其余作者声明，他们没有涉及本作品的潜在利益冲突，包括提交作品之外的相关财务活动以及读者可能认为已经影响的任何其他关系或活动，或者看起来可能影响所写内容的关系或活动。这些机构均未参与研究的设计和实施、数据的收集、管理、分析和解释，手稿的准备、审查或批准，以及提交手稿的决定。

致谢

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作者感谢尚帕利莫基金会科学硬件和软件开发平台为这项工作提供必要的资源和技术支持。DRS （2023.05754.BD） 和 FFV （2024.00723.BD） 由 Fundação para a Ciência e Tecnologia 的博士奖学金资助。GC 得到了大脑与行为研究基金会 2023 年 NARSAD 青年研究员资助的支持。AJO-M 得到了欧洲研究理事会的起始资助（资助协议编号 950357）和 PsyPal 项目（资助协议编号 875358）的支持，这两个项目均由欧盟地平线 2020 研究和创新计划资助。GC 和 AJO-M 得到了欧洲研究理事会的概念验证资助（资助协议编号 101158262）。本研究的内容完全由作者负责，并不一定代表任何资助机构的官方观点。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
用于生理数据采集的 BONSAI 软件（“MT_ACQ.bonsai” scipt）盆景https://bonsai-rx.org/
由尚帕利莫基金会科学硬件开发平台开发的肌电图（EMG）及nbsp;尚帕利莫研究https://www.cf-hw.org/home科学硬件与软件开发平台网站：https://www.cf-hw.org/home
MagPro X100 刺激器，配备 Cool-B65 八字形线圈马格文图尔刺激器：9016E0731; 线圈：9016E0491
Visor2神经导航系统ANT神经同一家公司的软硬件

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