基线神经化学兴奋性及个体间差异对运动学习与无创脑刺激（non-invasive brain stimulation, NIBS）效应的影响

《Cortex》：Baseline Neurochemical Excitability and Individual Differences in Motor Learning and Non-Invasive Brain Stimulation Outcomes

　　

摘要：运动技能习得源于感觉运动回路中抑制性与兴奋性神经传递的复杂相互作用。尽管经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation, tDCS）与经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS）可调控运动学习，但其潜在的神经化学决定因素尚不清楚。研究人员利用超高场（7 T）磁共振波谱（magnetic resonance spectroscopy, MRS）在八十名人类受试者（排除后N=53–70）中定量测定了初级运动皮层（primary motor cortex, M1）、前额叶皮层（prefrontal cortex, PFC）和顶内沟（intraparietal sulcus, IPS）内的γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid, GABA?）与谷氨酸（glutamate）浓度（二者共同提供兴奋/抑制平衡，excitation/inhibition, E/I balance）。随后研究人员评估了基于TMS的皮质运动兴奋性指标，并以M1靶向tDCS为干预手段评估序列运动学习表现。研究结果表明，M1与IPS的基线神经化学轮廓及其兴奋/抑制（E/I）平衡与序列特异性运动学习的个体间变异及tDCS调控效应相关。在无tDCS条件下，较高的M1 E/I平衡与更强的序列特异性学习呈正相关，提示基线神经化学塑造固有运动性能增益。在主动tDCS条件下，M1兴奋性较高且IPS E/I平衡较大的个体较假刺激条件表现出更显著的学习干扰，提示施加神经调制时技能习得的机制存在差异。此外，M1 E/I平衡与TMS衍生的兴奋性指数相关，将两项测量联系起来。上述发现确立了MRS定义的神经化学状态、TMS皮质运动兴奋性指标与运动学习轨迹之间的直接关系，揭示运动相关脑区的E/I平衡不仅影响学习能力，还决定了对tDCS诱导调制的易感性，为优化运动康复与技能发展的精准靶向干预奠定了基础。

论文解读：基线神经化学兴奋性及个体间差异对运动学习与无创脑刺激效应的影响

本文发表于《Cortex》。

研究背景与立题依据

非侵入性脑刺激（non-invasive brain stimulation, NIBS）技术包括经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS）与经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation, tDCS），已被证实可调节运动学习，但其效应在不同个体间存在较大变异且部分研究未能重复。初级运动皮层（primary motor cortex, M1）内γ-氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid, GABA?，抑制性递质）与谷氨酸（glutamate，兴奋性递质）及其比值——兴奋/抑制平衡（excitation/inhibition, E/I balance）——被认为在运动学习中起关键作用，但基线神经化学浓度如何关联TMS测得的皮质运动兴奋性并进一步决定tDCS对运动序列学习的调节效应，尚缺乏大样本直接证据。此外，顶内沟（intraparietal sulcus, IPS）等运动网络节点区域的神经化学特征是否参与调控tDCS效应亦未明确。为此，研究人员开展了一项结合7 T磁共振波谱（magnetic resonance spectroscopy, MRS）、TMS与tDCS的多模态研究，旨在阐明M1及IPS基线神经化学E/I平衡、TMS皮质运动兴奋性指标与序列运动学习及其受tDCS调控之间的相互关系。

主要关键技术方法概述

本研究招募80名右利手健康成年人（18–35岁，最终各分析N=53–75），采集左前额叶皮层（prefrontal cortex, PFC）、右侧M1及右侧IPS三个靶区之MEGA-sLASER（测GABA?）与sLASER（测glutamate）序列之MRS数据，计算E/I balance＝glutamate／GABA?。随后完成单次TMS session记录静息运动阈值（resting motor threshold, rMT）、单脉冲输入–输出（input-output, I/O）曲线、短间隔皮质抑制（short-interval cortical inhibition, SICI，1 ms inter-stimulus interval）及长间隔皮质抑制（long-interval cortical inhibition, LICI，100 ms ISI）。再完成两阶段tDCS（阳极2 mA，靶电极C?/M1，参考电极Fp?/对侧眶上；对照为假刺激sham）联合串行反应时任务（serial reaction time task, SRTT）训练。采用贝叶斯线性回归分析MRS/TMS指标与sham条件下序列特异性学习、tDCS–sham差异分、及TMS–MRS关联，控制性别、时段、线圈距皮层距离等协变量。

研究结果

Does motor learning relate to cortical excitability in brain regions distinct from M1?

——整体序列特异性学习（基线至测试之差）与M1 E/I balance呈正相关（BF??＝3.974），即M1谷氨酸相对GABA?越高，无刺激时序列特异性学习越强；训练期序列特异性学习与M1 GABA?呈负相关（BF??＝3.315），即较低M1抑制性递质浓度关联更强训练中习得。IPS与PFC之神经化学指标未达同等证据水平。

Do tDCS-induced modulations of motor learning at an individual level relate to TMS and MRS excitability measures?

——tDCS对整体序列特异性学习（sham－active）的干扰效应由右侧IPS E/I balance与LICI I/O斜率共同预测（BF??＝6.226），IPS E/I balance越大、LICI抑制越强（更陡负斜率）者，主动tDCS较sham学习受损越明显；M1及PFC之MRS指标单独未达显著关联。

Are MRS measures of neurochemical concentrations associated with TMS measures of corticomotor excitability?

——单脉冲I/O曲线最大平台（plateau）与M1 E/I balance呈正相关（BF??＝21.263），高E/I balance预测更大MEP_MAX；LICI在120% rMT条件下之抑制量（unconditioned－conditioned MEP）亦与M1 E/I balance正相关（BF??＝13.972），即更高E/I balance关联更强GABA_B介导长时程抑制。rMT、I/O斜率、SICI指标与M1 MRS指标无强证据关联。

讨论与结论翻译总结

研究人员发现，M1较高基线E/I balance（高glutamate相对GABA?）关联更强的序列特异性运动学习，而训练中习得更多见于低M1 GABA?个体，印证抑制性张力调节早期学习速率。tDCS对学习的干扰效应受IPS E/I balance与TMS-LICI所反映之皮质抑制能力调控，具高IPS E/I balance与强LICI者tDCS下学习受损显著，提示运动–顶叶网络之基线兴奋/抑制状态决定个体对阳极tDCS之易感性。M1 E/I balance可预测单脉冲TMS I/O曲线平台及LICI抑制幅度，首次在较大样本中用7 T MRS联结MRS神经化学与TMS电生理指标。组水平tDCS（2 mA anodal）未产生显著主效应，与既往剂量依赖效应文献一致，突显个体化神经生物学特征之重要性。结论为：M1及IPS之基线E/I balance不仅塑造固有能力之运动序列学习，且决定tDCS对运动学习之调节方向及幅度；结合MRS定义之神经化学状态与TMS皮质兴奋性检测可为实现精准化神经调控康复与技能训练提供客观依据。