利用经颅磁刺激测量动作观察期间的运动兴奋性

经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation，简称 TMS）是一种可用于研究大脑与不同肌肉之间连接的技术，也可用于研究当个体观察他人动作时，大脑活动如何变化。

每天，人们会主动控制肌肉来完成特定动作，例如挥动右臂，用球拍击打网球。

所有此类随意肌运动均由位于大脑表面、紧靠头皮下方的运动皮层兴奋引起。

重要的是，不同身体部位的运动——无论是右臂还是左腿——均由大脑运动皮层不同区域的神经元群所控制。

例如，当头部右上方附近的神经元被激活时，它们会产生电信号，这些信号会通过大脑传递到脊髓，然后传递到左臂的肌肉。

作为响应，肌细胞会产生自身的电信号，从而引起收缩和运动。

有趣的是，研究表明，不仅当一个人自己执行某种动作时，其大脑运动皮层的某些区域会被激活，而且当他们观察他人做出动作时——例如一名机械师用她的左臂敲击机器——这些区域同样会被激活。

TMS 为研究人员提供了一种探究动作观察对运动皮层神经元产生易化作用的方法。

通过 Luciano Fadiga 及其同事的经颅磁刺激（TMS）技术，本视频展示了如何研究动作观察、运动皮层兴奋性与肌肉活动之间的关系。

在此实验过程中，参与者需经历两个阶段——经颅磁刺激（TMS）定位与校准阶段，以及实验任务阶段，以确定当他们观察他人执行某一动作时，其运动皮层的特定区域是否被激活。

第一阶段的目标是确定受试者右手特定肌肉——位于拇指与食指之间的第一背侧骨间肌（简称FDI）——运动所对应的大脑区域。

将一个8字形的经颅磁刺激（TMS）线圈放置在受试者头皮上运动皮层的上方。线圈位于其头部左侧，因为大脑的这一半球控制着身体右侧的运动。

同时，将电极放置在受试者右手的指浅屈肌（FDI）及其附近骨骼上，以便检测并记录该肌肉的任何电活动。

然后利用线圈向头皮传递单个脉冲，从而产生短暂的磁场，通过感应作用在下方的神经组织中引发电流。

神经元（主要是位于线圈中心下方的神经元）因此被激活，并产生信号，这些信号与意识控制运动时产生的信号类似，会传递至靶肌肉。

作为响应，会产生额外的电信号，称为运动诱发电位（MEPs），这些信号可被记录并在图表上显示为波峰，其中Y轴表示毫伏，X轴表示时间。

这些运动诱发电位（MEP）会引起肌肉的物理性抽动——这种运动可以被观察到。如果此类痉挛发生在除小指展肌以外的其他肌肉中——例如上臂肌肉——则表明尚未准确定位到运动皮层的正确区域。

在此情况下，轻微移动线圈并再次给予单次脉冲刺激，同时观察是否引起任何肌肉运动。重复此过程，直至观察到右侧第一骨间背侧肌出现抽动，这表明已定位到该肌肉在运动皮层中的代表区。

一旦定位到该区域，便调整经颅磁刺激（TMS）刺激的强度，施加新的脉冲，并记录由此诱发的运动诱发电位（MEP）。需仔细关注该信号的幅度——即从最高正向波峰到最低负向波谷之间的测量值。

这些调整将持续进行，直到找到一种能够使在半数相位中诱发的运动诱发电位（MEP）幅度大于 50 µV 的刺激参数设置——该刺激强度被称为受试者的运动阈值。

随后在运动皮层的右侧-FDI区域施加多个强度为运动阈值120%的单次TMS脉冲，并分别记录每个脉冲诱发的基线MEP。

在第二阶段的实验任务中，要求参与者观看涉及手臂或手部运动的三类电影，同时保持自身身体部位静止不动。

第一类影像称为手部动作视频，展示一只右手伸向并抓握一个杯子的过程——这一动作需要第一背侧骨间肌（FDI）的参与。这些视频片段将用于评估观察基于FDI的动作对初级运动皮层中与FDI相关区域活动的影响。

相比之下，手臂动作视频包含右臂举起并在某一区域移动杯子的动作，这些动作与第一背侧骨间肌（FDI）无关。该视频片段将用于评估特异性，即负责右侧FDI收缩的运动皮层区域是否可通过观察不涉及该肌肉的运动而被激活。

第三类是对照视频，显示一只静止的右手放在杯子旁边，没有任何类型的肌肉运动。

执行实际任务时，再次将经颅磁刺激（TMS）线圈放置于大脑中负责右手第一背侧骨间肌（FDI）运动的区域上方。随后，参与者以随机顺序观看视频，每种类型的视频重复10次。

当视频中手部或手臂动作开始约 2 秒后出现肌肉运动时，使用 TMS 线圈传递单个电磁脉冲。

同样，尽管在对照视频中未显示任何运动，但在这些视频开始后2 s仍会施加一次脉冲。在所有情况下——无论是对照、手臂还是手部动作视频——均记录由右侧第一骨间背侧肌（FDI）诱发的运动诱发电位（MEPs）。

此处的因变量为运动诱发电位（MEP）的振幅。根据以往的研究，预期在观察手部动作影片时记录到的第1骨间背侧肌（FDI）的MEP将大于观察手臂动作或对照影片时记录到的MEP，这反映了FDI活动增强，因而表明运动皮层兴奋性更高。

实验开始前，招募20名惯用右手、视力正常且无任何神经系统疾病史的参与者，并获得他们的书面知情同意。

说明：他们将观看一系列视频，在此期间，其大脑区域将通过经颅磁刺激（TMS）受到刺激。强调他们可能会感觉到TMS线圈在头部产生轻微的敲击感，但不应感到明显不适。

首先，让受试者坐在计算机屏幕前的椅子上。引导其右肘弯曲成90°角，并确保其右臂和右手处于舒适的手掌向下位置。

然后，让受试者将下巴置于下巴托上，使其眼睛与屏幕的距离至少为 50 cm。

进行运动诱发电位（MEP）记录时，先用酒精清洁受试者右手的皮肤，然后让其通过将食指与拇指并拢施压来屈曲右侧第一背侧骨间肌（FDI）。确定肌肉张力的峰值位置，并将记录电极放置于此处。随后，将参考电极置于手部附近的骨性部位。同时，将接地电极牢固地固定在受试者的右肘部。

电极放置到位后，指导受试者放松手部，确保无肌肉紧张。

然后，将8字形TMS线圈放置在受试者头皮的左侧，并用其定位大脑运动皮层中右侧第一背侧骨间肌（FDI）的代表区。当刺激成功时，应观察到右侧第一背侧骨间肌出现抽动，并能从该肌肉记录到稳定的运动诱发电位（MEPs）。

进行校准时，需调整经颅磁刺激（TMS）线圈的设置，直至确定最小输出强度——即在10次刺激中至少有5次能诱发出大于50 ?V的运动诱发电位（MEP）的强度。

记录该数值，该数值代表受试者的运动阈值。确定后，使用这些参数向受试者给予一系列 10 次 TMS 脉冲，每次间隔 15 秒，以确定基线 MEP 振幅。

随后，向参与者展示三种类型的视频——手部动作、手臂动作和对照——以随机顺序进行实验任务。每种视频之间，插入 15 s 的休息时间。

确保每个视频播放10次，共30个视频。当受试者观看每个视频片段中的动作时，在视频开始后约2秒，以运动阈值的120%给予一次经颅磁刺激（TMS）脉冲。

为分析数据，针对每次记录的运动诱发电位（MEP）——无论来自基线、动作观察或对照视频条件——计算其峰-峰振幅。为消除伪迹尖峰，应剔除在经颅磁刺激（TMS）之前出现或在刺激后超过100 ms出现的MEP。

计算手部和手臂运动以及手部静息视频的平均 MEP 振幅，并将其表示为平均基线水平的百分比。

请注意，在手部动作视频条件下，从FDI肌记录到的MEP振幅显著大于对照振幅，这表明存在易化效应，即在动作观察过程中，运动皮层的兴奋性增强。

然而，在观察手臂动作时记录到的运动诱发电位（MEPs）远小于观看手部运动视频时产生的电位。这表明易化效应具有相对选择性，且特异性地针对负责所观察肌肉运动的运动皮层区域。

现在，您已经了解了研究人员如何利用经颅磁刺激（TMS）来探究运动皮层在动作观察下的兴奋性变化，接下来让我们看看这一技术在其他领域的应用方式。

到目前为止，我们一直关注的是观察运动与运动皮层功能之间的关系。然而，一些研究人员正在探究想象某个动作是否也会对记录到的运动诱发电位（MEPs）产生影响。

此类实验要求受试者在施加单脉冲经颅磁刺激（TMS）时，想象自己正在移动某个身体部位，例如弯曲右臂。

当评估肌肉产生的 MEP 时，发现其数值大于对照情景下记录的结果——即当受试者未想象任何运动时。

当参与者观察到他们所想象的动作时，这种效应会进一步增强。总体而言，这些结果为想象与运动激活之间的关系提供了证据。

其他神经心理学家正在探索经颅磁刺激（TMS）的改良方法是否可用于治疗目的。

例如，人们关注经颅磁刺激（TMS）是否有助于治疗由中风引起的失语症——一种患者难以表达语言信息（如物体名称）的病症。

在此研究中，使用重复经颅磁刺激（rTMS）——一种反复快速施加脉冲的方法——对脑卒中患者大脑中一个称为右侧额下回的区域进行了刺激。

当患者在治疗数月后被要求口头识别物体（如龙虾或壁炉）时，结果表明重复经颅磁刺激（TMS）对个体的命名能力具有长期的积极影响，这为该方法如何用于治疗认知缺陷提供了见解。

您刚刚观看了JoVE关于经颅磁刺激（TMS）与动作观察的视频。现在，您应该理解了在观察肌肉运动后，如何利用TMS评估运动皮层的活动。您还应掌握如何使用TMS线圈刺激大脑特定区域、呈现观察刺激，以及如何采集和解读运动诱发电位（MEP）数据。最后，您应认识到TMS在其他领域的应用，例如用于中风患者的康复治疗。

感谢观看！