Name: 结合周围神经刺激和可控脉搏参数经颅磁刺激探测感觉运动控制和学习 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2023-04-21T14:45:00.000+00:00
Duration: 14 min 47 s
Description: 探索短潜伏期传入抑制（SAI）结合可控脉冲参数经颅磁刺激技术，用于研究感觉运动整合与运动皮层神经环路。该方法为运动障碍的临床评估和康复干预提供了重要的神经生理学标记。

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作者感谢S.K.M.获得的来自加拿大自然科学与工程研究理事会（NSERC）、加拿大创新基金会（CFI）以及安大略研究基金（ORF）的资助。

Combined Peripheral Nerve Stimulation and Controllable Pulse Parameter TMS

作者无任何利益冲突需要披露。

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...

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 ms11,13,15,16。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SAI32,33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（GABAA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，&#160;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。

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

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

Combined Peripheral Nerve Stimulation and Controllable Pulse Parameter Transcranial Magnetic Stimulation to Probe Sensorimotor Control and Learning

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）。

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。
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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。

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。传入抑制为此提供了一个有价值的……

该技术有助于揭示感觉信息如何整合到运动规划与执行过程中。可控脉冲参数经颅磁刺激（TMS）的实施使我们能够识别特定的感觉-运动通路，以及这些通路在神经系统疾病中可能受到的干扰。运动技能的习得与表现需要意识性陈述过程与无意识程序性过程之间的精细平衡。短潜伏期传入抑制可能是认知如何影响健康人群和临床人群中不同程序性感觉运动回路的一个潜在指标。传入抑制通过经颅磁刺激诱发的反应，量化了传入输入对运动皮层输出的影响。作为感觉运动整合的一种测量方法，它通过探究特定神经元群体在熟练运动行为诱发的全局性血流动力学和电生理反应中的作用，补充了功能磁共振成像和脑电图的研究。 传统经颅磁刺激器产生的磁刺激参数会同时激活多种感觉运动环路。而可控脉冲参数的经颅磁刺激器则能够解锁多个刺激参数，从而提高在复杂行为过程中通过传入抑制探查感觉运动环路的特异性。在行为执行过程中评估感觉运动支配状态，对于建立熟练与非熟练运动执行的生物标志物至关重要。可靠且有效的生物标志物是开发改进的运动控制模型的重要一步，这些模型将有助于在健康人群中增强或提升最佳实践，同时通过有效的临床干预措施减轻运动障碍的影响。加强对感觉运动回路及其功能影响因素的建模，有助于提供客观的功能与功能障碍标志物，从而为健康人群和神经系统疾病人群的运动表现、技能习得及康复治疗的最佳实践提供依据。持续明确影响汇聚于运动皮层的感觉运动回路的心理运动和药理学因素至关重要。将传入抑制与脑电图相结合，为量化非运动区域中的传入抑制提供了新的机遇，可作为运动障碍和神经精神疾病的一种生物标志物。首先，筛查受试者是否存在经颅磁刺激（TMS）的任何禁忌证。向受试者说明研究目的和实验流程。查阅机构伦理审查委员会批准的知情同意书中列出的风险，回答有关潜在风险的任何问题，并在开始任何研究程序之前获得书面的知情同意。开始时，指导受试者坐在实验椅上，肘部放在椅子扶手上并弯曲，使手腕或手能够舒适地放置在实验台桌面上。根据需要调整椅子和实验台桌面的高度。使用涂有轻微研磨性清洁膏的圆形棉垫，清洁拇短展肌（APB）、第一背侧骨间肌（FDI）以及尺骨茎突处的皮肤。再用酒精消毒垫擦去残留物。针对每块肌肉，在肌腹处放置一个一次性银/氯化银粘附电极。在附近的骨性标志处放置第二个电极作为参考电极。最后，在尺骨茎突处放置一个额外的银/氯化银粘性电极作为接地电极。将每对电极及接地电极连接至肌电图（EMG）放大器和数据采集系统。使用通道一记录第一 dorsal interosseous 肌，通道二记录拇短展肌。开始时，使用轻度研磨性乳膏清洁前臂内侧皮肤，从腕屈纹处开始，向近端延伸约六厘米。将清洁范围从手腕中线延伸至前臂桡侧。使用酒精消毒片擦去任何残留物。接着，将导电凝胶涂抹于可重复使用的刺激条状电极上。使用足够的凝胶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，阴极位于阳极近端。阴极应略偏内侧并靠近桡骨茎突近端。在外周刺激器上，将刺激类型选择为单相刺激，刺激持续时间设为200微秒，并选择适当的电压和电流，同时仔细核对任何倍增系数。手持刺激电极，通过按压恒流刺激器上的触发开关，给予一次单电刺激。随后肉眼观察拇短展肌（abductor pollicis brevis，APB）肌肉以及肌电图（electromyography，EMG）显示，以确认是否存在肌肉收缩的迹象。肌肉收缩，也称为M波，是由电刺激直接激活运动轴突引起的，应在周围电刺激伪迹后6至9毫秒之间出现。如果未观察到肌肉收缩的迹象，则应询问受试者是否感觉到向手指方向或电极正下方扩散的刺痛感。如果受试者报告无任何感觉，或感觉仅局限于电极正下方的皮肤区域，则应以0.05安培为增量逐步增加电流强度，直至受试者报告有刺痛感向手指或拇指方向放射。如果受试者报告除拇指外其他手指出现放射性感觉，则通过将电极向桡侧移动，直至感觉放射至拇指。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段，第二段和第三段胶带分别固定电极的上端和下端。固定电极后，要求受试者摆成经颅磁刺激（TMS）过程中拟采用的目标肢体姿势。检查是否仍可诱发出拇指抽动。测定外周刺激阈值。M波超过0.2毫伏时的第一个电流值。若M波在连续三个刺激中均超过预期的0.2毫伏目标幅度，则降低电流强度。为确定经颅磁刺激（TMS）的最佳线圈路径，首先将线圈置于受试者头部并记录线圈路径，以设定初始线圈位置。确保线圈的中心表面与头皮相切。将线圈的中线与受试者头部的正中矢状面成 45 度角对齐。在 CTMS 刺激器上，将脉冲类型选择器设置为单相正向，以在下方神经组织中诱导后前向（PA）电流。接下来，将 M 波比率设为 0.2，刺激强度设为最大刺激输出的 30%。最后，将脉冲宽度设为 120 微秒。在受试者保持第一背侧骨间肌（FDI 肌）轻微收缩的同时，给予 3 至 5 次经颅磁刺激（TMS）刺激。若未诱发出运动诱发电位（MEP），则将刺激器强度增加10%，并给予3至5次额外的经颅磁刺激（TMS）刺激。持续增加刺激器强度，直至每次刺激均能稳定诱发出至少0.2毫伏的MEP，或刺激器强度达到最大输出强度的60%至70%为止。若无法稳定诱发出运动诱发电位（MEP），则保持刺激参数不变，并将经颅磁刺激（TMS）刺激器在原始刺激位点周围约两厘米直径的范围内做环形移动。一旦诱发出稳定的MEP，记录线圈位置，然后保持刺激参数不变，将TMS刺激器分别从当前线圈位置向北、东、南、西方向各移动两厘米，以确认第一骨间背侧肌（FDI）的运动热点。若在四个象限中的任一位置诱发出的MEP consistently 更大，则记录新的线圈位置及轨迹。将新的线圈位置和轨迹作为皮质运动热点。将可在脑内诱导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，脉冲宽度设置为120微秒，M比值设置为0.2。最后，将刺激强度设置为1毫伏阈值。设置外周电刺激强度后，在个人计算机（PC1）上启动无任务软件程序。接着，将外周电刺激与经颅磁刺激（TMS）之间的刺激间间隔设置为21毫秒。将经颅磁刺激（TMS）线圈置于第一背侧骨间肌（FDI）的运动热点上方，并要求受试者保持 FDI 肌肉的轻微收缩。接着，在 PC1 上运行“无任务”软件，以触发外周刺激器和并发经颅磁刺激（CTMS）刺激器。随后，使用在脑内诱导前-后方向（AP）电流的线圈，对 AP-30 电流配置重复上述操作。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，脉冲宽度设置为120微秒，M比值设置为0.2。最后，将刺激强度设置为一毫伏阈值。设置外周电刺激强度后，在个人计算机（PC1）上启动感觉运动任务软件程序。接着，将外周电刺激与经颅磁刺激（TMS）刺激之间的刺激间隔设为21毫秒。将TMS线圈置于第一背侧骨间肌（FDI）的运动热点上方，并要求受试者保持FDI肌肉的轻微收缩。每个条件下，保持所需的未条件化和条件化试验次数在8至24次刺激之间。运行感觉运动任务软件程序，以控制感觉运动任务，并将行为锁定的数字触发信号发送至外周和CTMS刺激器。使用可诱导大脑中AP电流的线圈，对AP-30电流配置重复该操作流程。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 的平均峰-峰 MEP 幅值较 unconditioned MEPs 更小，且短潜伏期传入抑制（SAI）比值小于1。AP-30 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更长。在不同效应中，无论参与者被提示指向示指，还是在对非示指的无效提示后需将其反应重新映射至示指，PA-120 SAI 对示指反应的增强程度均相似。相比之下，AP-30 SAI 的调节方式似乎存在差异，具体取决于无效队列是否需要重新映射到远离或朝向示指的方向。

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