利用经颅磁刺激测量和调控人类运动系统中功能特异性神经通路

该技术有助于揭示脑回路在精神疾病和神经系统疾病中发生异常的机制，以及我们如何通过调控脑活动来修复这些功能失调的回路，从而改善行为。通过直接激活或抑制脑的兴奋性及神经回路，该技术使神经科学研究的重点从观察转向因果机制，进而加深对大脑与行为之间关系的理解。

非侵入性脑刺激可用于评估和治疗多种神经系统疾病，并基于更复杂的脑功能连接模型，帮助改进诊断和治疗方法。该方法不仅能够纠正运动系统中异常的连接模式，还能调节与生理性衰老、精神疾病及神经系统疾病相关的认知网络。在筛选参与者时，需确认其为右利手，并排除存在经颅磁刺激（TMS）和磁共振成像（MRI）禁忌证的个体。随后，应向每位参与者说明本研究的目的、流程以及由当地机构审查委员会批准的相关风险，并获取其书面知情同意。

进行肌电图电极放置时，让受试者舒适地坐在实验椅上，双臂保持放松并得到支撑，并提供一个下巴托架，以尽量减少刺激过程中的头部运动。使用轻微的研磨剂清洁目标肌肉区域的皮肤。采用肌腹-肌腱电极排列方式，将一次性银/氯化银电极放置于手部目标肌肉的肌腹处，另一电极置于邻近的骨性解剖标志作为参考电极，两侧手部均按此方式放置。

然后将接地电极连接至受试者茎突，再检查皮肤上各电极之间的接触情况，以确认接触良好。必要时可在电极表面贴上胶带，以改善与皮肤的接触。在开始经颅磁刺激（TMS）前，将受试者的结构磁共振成像（MRI）扫描数据上传至神经导航系统。

在扫描图像中，将轨迹标记放置于手结节处，该解剖标志对应于M1区。手结节位于左侧中央前回，距正中矢状线约45度，且大致垂直于中央沟。使用神经导航系统记录并命名该解剖标志，并在目标非运动区域上方放置第二个轨迹标记。

然后使用神经导航系统记录并命名第二个位置。首先，使用校准块对每个经颅磁刺激（TMS）线圈进行校准，并将头部追踪器牢固地放置在受试者头部，确保在整个实验过程中追踪器始终可见。将受试者头部的解剖标志点与神经导航系统进行共配准。

使用线圈二进行定位和阈值测定时，首先将线圈中心置于目标M1区位置上方，以在脑内诱导出从后向前的电流方向。为找到目标肌肉激活的最佳位置，以设备最大刺激输出的30%在M1区给予刺激脉冲，并观察所施加的刺激是否引发肌肉抽动。通过数据采集系统显示的肌肉活动，确定由EMG电极记录的运动诱发电位的幅度。

如果未观察到运动诱发电位或可见的肌肉抽动，则以5%的增幅继续逐步提高刺激器输出强度。当观察到反应后，逐步降低刺激强度，直至找到能够产生至少10次中有5次以上、振幅不低于50微伏的运动诱发电位反应的最低强度，此过程需在受试者清醒状态下进行，以确定静息运动阈值。为实现线圈M-one的定位与阈值测定，请使用M-one线圈确定最佳刺激部位。

确定在目标手部肌肉完全放松状态下，10次试验中至少有5次能引出至少1毫伏运动诱发电位所需的最低刺激强度。然后在神经导航系统中标记并记录M1线圈的位置。对于受试者处于静息状态下的双位点TMS，将两个8字形线圈分别连接至两台独立的TMS刺激器。

使用M-one线圈通过M-one传递测试刺激，并使用线圈二向另一个感兴趣区域传递条件刺激。按照演示方法，确定线圈二的条件刺激所用的最大刺激器输出强度的百分比。对于测试刺激，采用先前确定的刺激强度，该强度可在目标的静息手部肌肉中引出幅值约为1毫伏的运动诱发电位，并设定条件刺激与测试刺激之间精确的刺激间间隔。

将 M-one 线圈置于左侧 M-one 区域，将线圈二置于另一个感兴趣区域。单独使用 M-one 线圈传递测试刺激进行单刺激试验。对于双脉冲试验，先使用线圈二传递条件刺激，然后在预设的刺激间间隔下，对 M-one 线圈传递测试刺激，每次试验采用 4 秒的数据采集扫描，随后间隔 1 秒的试验间间隔。

为了将程序传递给经颅磁刺激（TMS）脉冲，请使用TMS设备上的触发按钮连接其配套的控制软件，或使用外部控制器编写的自定义编码脚本。采用前述方法，在任务准备阶段（此阶段激活相关神经网络）检测与M1区相互连接的不同皮层区域之间的功能相互作用。使用自定义编码脚本，在短时间内向两个不同的皮层区域递送成对的单相脉冲，每种刺激持续8.3分钟，以0.2赫兹的频率生成100对刺激。

在实验性cPAS至M1区条件下，使用线圈二将每对刺激中的第一个脉冲施加于非运动区，随后使用M1区线圈在M1区施加第二个脉冲，刺激间间隔为5毫秒。两个线圈的脉冲强度应在前期的阈值测定和定位过程中预先确定。在使用M1区线圈获取基线皮质脊髓反应测量值后，于cPAS干预后的不同时间点再次使用M1区线圈获取皮质脊髓反应测量值，以考察经颅磁刺激对脑兴奋性影响的时间进程。

此处显示的是经颅磁刺激（TMS）在静息状态或计划朝向物体的目标性抓握动作时，于第一背侧骨间肌引出的代表性运动诱发电位（MEP）反应大小。刺激部位分别为未受调节的测试刺激或来自后顶叶皮层的条件刺激。在静息状态下，后顶叶皮层对同侧M1区产生抑制性影响，表现为当在M1区施加阈上测试刺激前5毫秒，于后顶叶皮层（PPC）施加亚阈值条件刺激后，MEP波幅减小。而在抓握动作准备期间，后顶叶皮层原本在静息时的净抑制性驱动转变为易化作用。

将每种条件下仅给予测试刺激的运动诱发电位振幅进行归一化处理，并以运动诱发电位振幅的比值形式作图，结果显示：在计划执行指向物体的抓握动作时，与静息状态相比，顶下小叶与M1区之间的相互作用得到增强。在这些分析中，可以观察到在施加cPAS干预方案期间运动诱发电位振幅的变化。由顶下小叶与M1区双脉冲刺激诱发的运动诱发电位振幅在刺激过程中随时间逐渐增加，提示在顶叶-运动皮层连接、M1区皮质脊髓神经元或两者水平上产生了可塑性效应。

运动诱发电位振幅在cPAS方案实施10分钟后增大，表明在对顶叶后皮层和M1区重复施加成对皮层刺激后，诱导产生了运动兴奋性的后效应。该方案可应用于其他脑区，或与脑成像技术结合使用，以研究皮层连接性及其对认知、感觉知觉和情绪的影响。标准化此类双靶点刺激方案将有助于改进实验设计，并优化靶向治疗策略。

降低神经系统和精神疾病导致的发病率和功能损害。