无创评估人类皮质运动神经元传导的变化
2017年5月24日
本研究旨在评估重复经颅磁刺激后人类皮质运动神经元突触传递的变化。为此，介绍了一种电生理学方法，可用于评估通路特异性的皮质脊髓传递， 即 快速、直接的皮质脊髓通路与多突触连接的区分
本项神经生理学实验的总体目标是评估人类在重复经颅磁刺激后，皮质运动神经元突触传递发生的变化。H-反射条件化技术有助于解答神经科学领域中的问题，例如更深入地理解神经可塑性的基本机制及其发生部位。我们尤其关注发生在皮质脊髓束与运动神经元之间的可塑性，即皮质运动神经元突触。
与测量复合电位相比，该技术的主要优势在于能够测量由皮质脊髓连接向脊髓运动神经元产生的不同突触输入。与复合电位相比，条件化H反射至少还具有另外两个优势：首先，能够检测到即使较弱的皮质脊髓冲动的影响；其次，能够评估较长潜伏期皮质脊髓冲动的作用效果。
实验前，首先需筛查受试者是否存在经颅磁刺激（TMS）相关的医学风险，例如有无癫痫发作史，并获取受试者的书面知情同意书，同时向其说明实验目的。在腓肠肌表面电极放置部位，先剃除皮肤毛发，用丙醇消毒，并进行轻度皮肤打磨以准备皮肤。随后，安放表面电极以记录电生理反应。
在受试者进行足底屈曲和背屈时，观察屏幕上的肌电图信号。对于H反射条件反射实验，首先使用胶带将一个5厘米×5厘米的阳极固定在膝盖前方、髌骨下方的位置。采用持续时间为1毫秒的方波脉冲进行刺激，并移动阴极至腘窝区域，直至找到最佳刺激位置。
然后，将自粘电极贴在皮肤上，并用胶带固定。实验前，首先记录 HM 反应募集曲线。在记录软件中在线计算 H 反射和 M 波的峰-峰 EMG 振幅。
将H反射的大小调整至最大M波的20%。首先，对神经导航系统执行校准程序。使用双锥形线圈刺激受试者大脑对侧于电极放置位置的运动皮层区域。
为找到最佳刺激位点，首先将线圈置于头顶点前方一厘米处。使线圈手柄朝后，以在线圈中心诱发从后向前的感应电流。确定能够以最小刺激强度引出运动诱发电位的位置。
此时，将受试者的头部放置在桌面上，并使用刚性泡沫固定以防止移动。在整个实验过程中，使用图像引导的经颅磁刺激（TMS）导航系统监测线圈位置和头部位置。然后，将线圈固定在支架上，将受试者的头部固定在椅子上，并使用魔术贴带将线圈固定于头部。
接下来，确定在连续10次试验中，有6次能够诱发出峰-峰肌电图（EMG）幅度大于50微伏的运动诱发电位所需的最小刺激强度。此强度即为受试者的静息运动阈值。同时，将双锥形磁线圈置于颈髓交界处，以刺激皮质脊髓束的轴突。
将线圈放置，使感应电流的一阶导数方向朝向头侧，且其中心位置位于枕外隆凸处或其附近。开始前，首先需确保对照 H-反射在整个实验过程中保持稳定。若检测到偏差，则应在下一次试验前调整刺激强度。
现在，将经颅磁刺激线圈在运动皮层上的刺激强度调整至受试者运动阈值的90%至100%之间。同时，将颈髓刺激强度设置为刺激器最大输出的100%。首先，在静息状态下通过运动皮层刺激来调节H反射。
通过改变经颅磁刺激（TMS）与外周神经刺激之间的时间间隔，施加TMS和外周神经刺激，以评估皮质脊髓运动神经元传导的变化。起始刺激间期为负5毫秒，即外周神经刺激比TMS提前5毫秒进行，随后以毫秒为步长，将该间期从负5毫秒逐步调整至1毫秒。根据刺激间期的不同，H反射相对于下行激发电位可发生前移，即向右偏移，从而可检测较慢的皮质脊髓通路。
在每次试验之间随机改变刺激间隔，以消除刺激顺序带来的偏差，并将两次刺激试验之间的暂停设置为四秒。早期易化效应应出现在约负四至负二毫秒的间隔范围内。接下来，通过对颈髓交界处施加磁刺激来调节H反射。
采用刺激间间隔从负9毫秒到负3毫秒，以1毫秒为步长进行设置。在每次试验中，将这些经颅磁刺激（TMS）间隔同时应用于两个位点，并记录由此产生的对照H反射和运动诱发电位。以对照H反射作为条件化H反射的参考，并以对照运动诱发电位确保刺激条件具有可比性。
完成预测量后，将刺激强度设定为受试者运动阈值的1.2倍，并实施慢速重复经颅磁刺激干预。在初级运动皮层以1赫兹的频率刺激20分钟，以诱导皮质脊髓兴奋性的持久抑制。此处显示的是M1条件刺激后的H反射易化曲线，而CMS条件刺激后的H反射易化曲线则显示于此处。
在初级运动皮层上进行经颅磁刺激（TMS）时，早期易化效应通常出现在刺激间间隔约为负3毫秒时。请注意，在CMS条件刺激后，早期易化效应的发生时间大约提前了3至4毫秒，在刺激间间隔约为负7毫秒时出现。此处显示了一名代表性受试者在rTMS干预前后各10次扫描的平均结果。
可以看出，代表早期易化的条件化H-反射在M1和CMS条件刺激后均有所降低，而对照H-反射则保持不变。此处显示了两名受试者的平均结果，表明在M1和CMS条件刺激下，H-反射均出现相同的降低模式，而对照H-反射未发生改变。
一旦掌握，该方案可在大约90至120分钟内完成。在执行该操作过程中，保持H反射幅度恒定至关重要。观看本视频后，您应能充分理解如何在初级运动皮层和颈髓交界处施加条件刺激。
这用于检测早期易化现象，该现象代表由最快的皮质脊髓连接介导的对脊髓运动神经元的突触输入。
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概述
本研究探讨了重复经颅磁刺激（rTMS）后人类皮质运动神经元突触传递的变化。介绍了一种电生理学方法，用于区分快速的直接皮质脊髓通路与多突触连接。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 电生理学
- 神经可塑性
背景
- 皮质运动神经元突触在运动控制中起着关键作用。
- 重复经颅磁刺激用于研究神经可塑性。
- H-反射条件化技术为突触传递机制提供了深入见解。
- 理解这些机制有助于增进对运动神经元功能的认识。
研究目的
- 评估重复经颅磁刺激（rTMS）后突触传递的变化。
- 区分皮质脊髓束的直接与间接通路。
- 探究皮质运动神经元突触的可塑性。
使用的方法
- 皮质脊髓传导的电生理学评估。
- 用于评估突触输入的H反射条件化技术。
- 快速直接通路与多突触连接的比较。
- 皮质脊髓激增活动影响的分析。
主要结果
- 识别皮质脊髓束与脊髓运动神经元之间的特异性连接。
- 检测微弱的皮质脊髓电活动激增。
- 评估长潜伏期的皮质脊髓电活动激增。
- 揭示突触水平神经可塑性的机制。
结论
- 该研究加深了对皮质运动神经元突触传递的理解。
- 研究结果增进了对神经可塑性机制的认识。
- 电生理学方法可有效区分不同的突触通路。
常见问题
行业重要性概述
在皮质运动神经元水平上理解突触传递，可为中枢神经系统药物研发中的靶点验证提供有关神经可塑性机制的机理性见解。H反射条件化技术能够区分快速的多突触皮质脊髓通路，有助于降低针对运动环路调控的治疗假说所伴随的风险。该方法在临床前模型与人体生理学之间建立了转化桥梁，提高了对靶点结合及通路调控的预测可信度。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：通过评估不同皮质脊髓连接对脊髓运动神经元的突触输入，实现对治疗假设的验证。
- 操作价值：可检测微弱皮质脊髓冲动的影响，并评估较长潜伏期通路，从而提高对细微神经药理学效应的敏感性。
- 转化价值：利用双位点刺激（运动皮层和延髓颈交界）区分皮层与脊髓效应，支持对中枢神经系统靶点的机制性风险评估。
筛选与检测方法开发
- 检测准备就绪性：在维持基础H反射幅度的条件下，可提供稳定且可重复的定量电生理读数（H反射条件化曲线）。
- 筛选应用：能够可靠评估重复经颅磁刺激、行为训练或药物调节等干预措施后皮质脊髓传导的变化。
- 平台实用性：支持在与疾病相关的系统中评估神经可塑性机制，包括运动功能障碍、衰老或神经康复模型。
转化与临床前研究
- 疾病相关性：适用于研究病理状态、衰老或治疗干预后皮质脊髓传导的变化，支持与生物标志物一致的靶点验证。
- 临床前连续性：连接侵入性动物电生理学与非侵入性人体评估，提高中枢神经系统活性化合物的转化预测能力。
- 风险调整式推进：通过量化皮质运动神经元突触（运动环路调控的关键位点）的突触传递变化，支持决策推进或终止研发。
流程与工作流整合
该方法适用于从靶点验证到临床前验证的整个发现流程，尤其适用于专注于运动控制、神经可塑性或神经修复机制的中枢神经系统研究项目。
- 发现生物学：通过测量单突触和多突触皮质脊髓通路的突触输入，支持假设验证，阐明神经调节靶点的作用机制。
- 筛选：提供可直接用于分析的定量输出结果（条件化H反射波幅），便于比较不同时间点或处理组之间的干预效应。
- 分析：生成可进行统计学比较的电生理学测量数据（H反射条件化曲线、峰-峰波幅），以评估不同刺激条件下突触传递的变化。
- 转化研究：通过评估皮质运动神经元突触的信号传递——这一在多种物种中保守且与运动神经元调控相关的位点——与临床前研究建立联系。
- 企业级复用：作为一种标准化、非侵入性的电生理学技术，可广泛应用于涉及运动通路调节的多个中枢神经系统（CNS）发现项目中。
运营与企业影响
- 科学价值：通过分离皮质运动神经元突触处的突触传递变化，减少运动环路调控中的机制模糊性，从而在靶点验证中提供可预测的置信度。
- 操作价值：通过固定的H反射大小控制和双位点刺激方案，确保实验的标准化和可重复性，实现跨研究的可比性。
- 战略价值：通过在与人类相关的神经环路中实现靶点结合的早期检测，降低中枢神经系统药物研发后期失败的风险，提高资本使用效率。
- 项目组合影响：通过量化特定突触位点的神经可塑性效应，为风险调整后的优先级排序提供依据，支持基于生物标志物的推进决策。
实施注意事项
- 需要具备神经生理学、经颅磁刺激（TMS）安全筛查以及肌电图信号采集与分析方面的专业知识。
- 依赖于专业设备，包括导航式经颅磁刺激系统、外周神经刺激器和高保真肌电图记录装置。
- 需要神经科、电生理学和药理学团队之间进行跨团队标准化，以确保实验方案的一致执行和数据的统一解读。
- 在应用于不同肌群或基础皮质脊髓兴奋性改变的患者群体时，需考虑方案的适应性调整。
- 实际局限性包括需要稳定的基线H反射控制，以及对受试者状态（如注意力、疲劳）的敏感性，这些因素可能影响结果的可重复性。
