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
October 7th, 2025
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。
我们的研究探讨了标准化的TMS-EMG方案能否提供稳定且临床意义强的神经可塑性标志，最终支持其作为神经精神病学研究和临床实践中可靠生物标志物的潜在应用。主要挑战是文献中方法学上的不一致，包括刺激参数异质性、EMG协议标准化有限以及样本量小，降低了实验的可靠性和重复性结果。我们证明，结构化且全面的方案为研究人脑中类似神经可塑性现象提供了可复制的框架，为转化研究和潜在的临床应用奠定了坚实基础。我们的方案结合了神经导航、经过验证的肌电图程序和优化的模拟参数，确保了精确的编码配置、稳定的记录以及参与者和疗程间的可靠结果。
未来的研究应检验兴奋性调节是否能可靠区分健康个体与神经精神疾病患者，如重度抑郁障碍，探讨群体特异性神经可塑性差异、诊断敏感性和预后价值。首先，将医用级银或氯化银电极插入相应的触点，准备三个电极。把带电极的线连接到电磁图板上。
将TMS机器的电缆连接到EMG板，输出每个TMS脉冲的触发信号。在其中一台电脑显示器上，打开盆景软件，加载肌电图数据采集脚本。点击开始按钮，只有准备好后才开始数据采集。
在TMS机器屏幕所有显示最大刺激输出百分比的区域贴上纸条，以便在静息运动阈值和主动运动阈值评估时使技师失明。放置三脚架摄像头，以在整个治疗过程中清晰观察所有神经导航组件。然后，将线圈校准跟踪器和校准板放在TMS线圈上。
现在，启动神经导航系统软件，输入参与者识别号，然后开始校准所有神经导航组件。调整好参与者位置后，用水砂纸轻轻擦洗第一背骨间肌的皮肤。为了改善电极皮肤界面。
用浸有酒精的纱布冲洗该区域，并在对侧肘部重复同样的作。皮肤干燥后，将记录电极放在手上，中心方向约2.5厘米，沿肌腱方向对准第一背骨间肌。然后将接地电极放在对侧弯头上，作为零电压参考点。
将游泳帽戴在参与者头上，朝前后方。将帽子与眉线对齐，保持耳朵的耳廓根部露出耳朵。给参与者提供耳塞，并解释如何使用它们。
在顶端画出内侧矢状线和耳屏间线，以识别它们在顶点的交点。从顶点沿矢状线向前测量五厘米，沿耳屏间线向左测量五厘米，以确定两个新点。接着，画一条斜线，连接侧点与内侧前端点。
从侧点沿对角线向前内侧测量2.5厘米，标记初步估计的运动热点。在初步马车热点估计周围，标记四个额外点，分布在半径0.5厘米内，作为备用测试点。接着，将弹性头带戴在参与者头上，确保马克笔条朝向摄像头，且佩戴带舒适。
使用指针工具，定义参与者头部的关键解剖标志，包括鼻、左右耳屏以及头型点。这使得系统能够根据头部和大脑的解剖结构对齐并追踪刺激目标。将TMS线圈切线放置在参与者头皮上，手柄向后倾斜45度，与矢状中线成45度角。
在初始电机热点估计值上，以最大刺激输出的30%的脉冲传递。然后，以最大刺激输出为单位，以5%到10%的幅度增加刺激强度，直到观察到运动反应一致。在初始估计点及周围标记位置发射单脉冲，确定哪个部位最稳定地产生高振幅运动诱发电位和孤立的首个背骨间收缩。
用红色标记线高亮考虑的电机热点区域。在神经导航软件中，选择产生最可靠响应的脉冲来定义运动热点。要确定静息运动阈值（RMT），使用神经导航系统引导线圈返回已识别的运动热点。
进行10次间隔5秒的单脉冲刺激，并确定在对侧第一背骨间隙产生至少五个运动诱发电位超过50微伏的最大刺激输出百分比。从先前定义的运动热点强度开始，以2%为单位降低刺激水平，直到10次脉冲中少于5次触发对侧第一背骨间骨的运动诱发电位达到50微伏或更高。接下来，将最大刺激输出以1%为单位增加，直到10次脉冲中有5次或更多在对侧第一背骨间产生50微伏或更高的响应。
记录定义静息运动阈值的最大刺激输出百分比。指导参与者通过用食指用力按压拇指根部，形成紧密的圆形，从而最大限度地自主激活第一背骨间肌。肌肉收缩开始约两秒后，按下运行盆景脚本的电脑上的空格键，记录时间点，同时避免初始动作伪影。
现在，要求参与者维持其最大自愿等长收缩的10%到20%之间的亚最大肌肉收缩。利用肌电图反馈监测并引导参与者保持正确的收缩水平。对于主动运动阈值，使用神经导航系统引导线圈到之前确定的运动热点。
确定主动运动阈值，即在轻微自愿收缩期间，10次脉冲中有5次激发运动诱发电位至少200微伏的最大刺激输出百分比。从静息运动阈值强度开始，将刺激水平递减2%，直到10次脉冲中产生200微伏响应的次数少于5次。然后以1%的步进增加强度，直到至少有五次脉冲产生200微伏或更高的电机诱发电位。
记录定义主动运动阈值的最大刺激输出百分比。使用神经导航系统准确定位线圈在定义的电机热点上。检查表面肌电图电极是否正确地覆盖在第一背骨间肌上，并确认信号质量是否显示出最小噪声。
在TMS设备上加载单脉冲刺激协议。然后输入之前记录的静息运动阈值。现在，开始运行刺激方案。
然后将间歇性θ爆发刺激协议加载到TMS设备上。输入之前记录的主动运动阈值，开始间歇性θ爆发刺激方案。间歇性θ爆发刺激方案结束后，立即开始秒表监测刺激后的间隔。
在皮层兴奋性调节协议结束后的0时刻，使用120%静息运动阈值重新应用单脉冲刺激方案。通过将指针放在音符上，并在神经导航系统软件中检查对齐，验证神经导航的准确性。确保空间偏差小于五毫米，并记录测量值。
最后，完成最后的刺激模块后，停止盆景脚本，并在软件中完成神经导航会话。确认Bonsaig采集会话生成了一个二进制数据文件。基线会话期间间歇性θ爆发刺激后，T0、T10和T20处观察到运动诱发电位振幅显著增加。
但不是T30。随访时，运动诱发电位振幅在T0、T10、T20和T30再次显著增加。T0时对运动诱发的电位变化的测试复测可靠性显示中等至良好一致性，组内相关系数为0.67。
概述
本文提出了一种使用经颅磁刺激（TMS）配合肌电图（EMG）评估初级运动皮层兴奋性的标准化协议。该方法旨在为神经精神研究提供神经可塑性的可靠标志。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 神经可塑性
- 临床研究
背景
- TMS-EMG协议在文献中存在方法学上的不一致性。
- 挑战包括异质的刺激参数和小样本量。
- 可靠和可重复的结果对临床应用至关重要。
- 标准化的协议可以提高神经可塑性评估的可靠性。
研究目的
- 建立一个可重复的框架，用于研究人类大脑的神经可塑性。
- 探索TMS-EMG作为神经精神病学条件的生物标志物的潜力。
- 提高临床实践中的诊断敏感性和预后价值。
使用的方法
- 神经导航、经过验证的EMG程序和优化的刺激参数的组合。
- 电极的准备和连接到EMG板和TMS机器。
- 神经导航组件的校准和运动热点的识别。
- 通过系统刺激评估静止运动阈值。
主要结果
- 该协议提供了稳定和具有临床意义的神经可塑性标志。
- 在参与者和会话中实现了可靠的运动诱发电位。
- 识别的运动热点对高振幅反应一致。
- 未来的研究应该在神经精神病学人群中验证兴奋性调节。
结论
- 结构化的协议提高了TMS-EMG评估的可靠性。
- 标准化对于推进神经精神研究至关重要。
- 需要进一步的研究来探索组别特定的神经可塑性差异。
常见问题
Executive Industry Relevance
Standardized assessment of primary motor cortex excitability using paired TMS-EMG protocols addresses a critical need for reproducible neuroplasticity biomarkers in early-stage CNS drug discovery. This protocol enables robust quantification of cortical excitability modulation, supporting mechanistic de-risking and translational continuity in neuropsychiatric R&D pipelines. Reliable excitability metrics facilitate portfolio triage and predictive confidence for target engagement studies.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables quantitative interrogation of neuroplasticity mechanisms relevant to CNS target validation.
- Supports biological de-risking by providing reproducible excitability readouts across sessions and subjects.
- Facilitates predictive confidence in functional target engagement for neuropsychiatric indications.
Screening & Assay Development
- Establishes validated EMG-TMS systems for standardized excitability assays in preclinical and translational workflows.
- Delivers reproducible motor evoked potential (MEP) measurements for assay standardization and cross-study comparability.
- Enables scalable screening of neuromodulatory interventions with quantitative outputs.
Translational & Preclinical Research
- Aligns neurophysiological biomarkers with disease-relevant neuroplasticity endpoints for translational research.
- Provides continuity from discovery through preclinical validation by tracking excitability modulation over time.
- Supports risk-adjusted advancement decisions based on robust, reproducible neurophysiological data.
Pipeline & Workflow Integration
This protocol integrates into the CNS discovery continuum from early mechanistic studies through lead identification and preclinical validation.
- Discovery Biology: Quantitative MEP amplitude measurements enable hypothesis testing and mechanistic de-risking of neuroplasticity targets.
- Screening: Standardized EMG-TMS assays provide reproducible, quantitative outputs for compound or intervention evaluation.
- Analytics: Statistical analysis of MEP changes across time points supports condition comparison and effect size estimation.
- Translational Research: Excitability modulation metrics align with disease-relevant endpoints for biomarker-driven studies.
- Enterprise Reuse: The protocol offers a reusable framework for cross-program neurophysiological assessment in CNS portfolios.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in neuroplasticity research.
- Operational Value: Delivers standardized, reproducible, and scalable neurophysiological assessments.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions and capital-efficient portfolio management in CNS R&D.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of neuropsychiatric programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in TMS, EMG, and neuro-navigation for accurate protocol execution.
- Demands access to calibrated TMS devices, EMG acquisition systems, and neuronavigation infrastructure.
- Necessitates rigorous cross-team standardization of stimulation parameters and data acquisition protocols.
- Adaptation across different muscle groups or disease models may require protocol optimization.
- Signal quality and reproducibility depend on precise electrode placement and participant compliance.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Introduction
1:44
Setup Requirements and Preparation
3:07
Preparing the Participant for the Procedure
5:32
Defining the Motor Hotspot and Establishing the Resting Motor Threshold (rMT)
7:48
Maximum Voluntary Muscle Activation and Establishing the Active Motor Threshold (aMT)
9:33
Defining Baseline Cortical Excitability and Assessing Cortical Excitability Modulation
11:27
Results
