NeuroImage|高精度经颅直流电刺激的极性会影响运动序列的规划和执行

摘要

初级运动皮层的无创脑刺激已被证明可以改变中风和其他神经系统疾病的治疗结果，但确切的机制仍然知之甚少。本研究利用脑磁图（MEG）成像技术来确定阴极和阳极高精度经颅直流电刺激 （HD-tDCS） 对支持运动控制的神经反应的光谱、空间和时间影响。

在健康成人中，运动前和运动过程中，运动皮层会出现β频段的事件相关去同步化（ERD），这意味着运动皮层的β频段振荡功率减少。运动结束后，会出现一个β反弹（PMBR）。这些振荡反应与运动的计划和执行密切相关，且在运动序列任务中有不同的神经动力学。研究表明，β频段的神经振荡动态在运动计划和执行中起着不同的作用，且这些反应可以通过运动想象任务来观察，表明它们不仅限于实际运动。任务的难度和反应不确定性等运动参数会调节β去同步化的幅度。例如，任务复杂性越大，执行阶段的β去同步化反应越强；而反应不确定性越高，计划阶段的β去同步化反应越弱。

方法

实验包含三种刺激条件：阳极刺激、阴极刺激和伪刺激。每位参与者都接受了这三种条件的实验，时间安排在同一天的同一时段，访问之间至少间隔一周。为了让参与者在接受刺激时保持注意力，他们要完成一个多源干扰任务（multi-source interference task），这个任务考察的是认知控制能力，主要激活注意力网络（即前额叶等脑区）。

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图 1.电流模型和实验方案。

参与者在三个不同的实验阶段接受了对左侧初级运动皮层的阳极刺激、阴极刺激和伪刺激，每次刺激持续20 分钟，顺序为伪随机，并且每次实验之间至少间隔一周（平均间隔为 9.77 天）。刺激结束后，平均有45 分钟的延迟期，在此期间移除了HD-tDCS设备，并对参与者进行准备和定位，以进行脑磁图（MEG）记录。

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图 2.运动测序任务的行为表现。

1、参与者在复杂任务的反应时间和运动持续时间都较长；2、参与者在复杂任务的反应时间的变异系数上较低，意味着参与者的反应速度趋于一致；3、运动持续时间的变异系数在复杂任务条件下较大，表明参与者在执行复杂运动序列时，其完成时间有更大的波动。

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图 3.传感器和源级对运动排序任务的响应。

通过MEG 传感器记录到的群体平均时间-频率图（spectrogram）显示，按键动作周围的 β 波出现显著的去同步（ERD）反应。研究通过非参数的统计方法确认了在这些时频窗口中的功率下降具有显著性（p < .005），并且这些变化主要集中在计划阶段（-500 到 0 ms）和执行阶段（0 到 500 ms）。波束形成算法（beamformer algorithm）来估算这些时频反应的神经源定位。这些反应主要集中在运动皮层区域。

图 4.

图 4.计划和执行窗口中的任务刺激交互效应。

全脑 2 × 3 个重复测量方差分析揭示了显著的刺激任务交互效应 （所有 ps < .001）。

计划阶段：在计划阶段，右侧枕颞皮层、背外侧前额叶皮层（dlPFC）和左侧初级运动皮层（紧邻辅助运动区）显示出显著的刺激与任务交互效应。在简单任务条件下，阳极刺激相比于阴极刺激和假刺激，在这三个脑区中都表现出更强的 β 波去同步反应（即，相对基线更负）。

执行阶段：在执行阶段，右侧 dlPFC显示出了显著的交互效应，即在简单任务条件下，阳极刺激导致更强的 β 波去同步反应，而阴极刺激和假刺激之间没有显著差异。右侧枕颞皮层在复杂任务条件下表现出阳极刺激相比于假刺激的较弱β 波去同步反应，显示出刺激对复杂任务条件的影响较小。

统计显著性：图中标记的 p < .005 和 p < .05 表示不同刺激条件下的交互效应显著性，其中阳极刺激通常在简单任务条件下表现出较强的β 波去同步反应。

总结：在计划阶段，阳极刺激在简单任务条件下引起了右侧枕颞皮层、背外侧前额叶皮层和左侧初级运动皮层的更强 β 波去同步反应；在执行阶段，阳极刺激在右侧 dlPFC 中也增强了β 波去同步反应，尤其是在简单任务条件下；在右侧枕颞皮层，阳极刺激相比于假刺激导致的β 波去同步反应较弱，表明在复杂任务条件下，阳极刺激可能对大脑的影响较小。

讨论

本研究使用高精度经颅直流电刺激（HD-tDCS）和高密度脑磁图（MEG）成像技术，分析了运动相关的神经动态，探讨了这些动态如何受到刺激极性和运动复杂性的影响。研究发现，复杂运动比简单运动在多个脑区（包括感觉、运动和高级处理区域）表现出更强的β 波去同步反应（beta ERD）。此外，刺激与任务的交互效应也在特定脑区（如左侧初级运动皮层、右侧背外侧前额叶皮层和右侧枕颞皮层）表现突出。β 波去同步反应与运动计划和执行紧密相关，并且在运动序列完成后迅速消退。这些神经反应出现在与运动控制相关的大脑区域，并且在某些运动障碍中，β 波去同步反应的变化与症状的严重程度有关。