皮质脊髓运动神经元突触可塑性调控弹道式手指运动学习速度的康复潜力研究

《NeuroImage》：Corticospinal motoneuronal synaptic plasticity induction can modulate the speed of learning ballistic finger movements: possible use in rehabilitation

本研究通过配对皮质脊髓运动神经元刺激(PCMS)技术，探讨脊髓水平突触可塑性对运动学习的影响。研究人员发现PCMS诱导的LTP样可塑性(PCMSLTP)可显著提高手指运动加速度(ACC)，而LTD样可塑性(PCMSLTD)则降低运动表现，且ACC变化与CMEP振幅改变呈正相关。该研究为脊髓损伤患者的康复治疗提供了新的神经调控策略。

　　

在神经康复领域，如何有效促进运动功能恢复一直是科学家和临床医生面临的重大挑战。传统观点认为脊髓是"硬连线"的神经结构，缺乏可塑性。然而近年研究发现，脊髓同样具备突触可塑性机制，这为运动功能障碍的治疗开辟了新途径。

在这项发表于《NeuroImage》的研究中，日本福岛医科大学的研究团队探索了配对皮质脊髓运动神经元刺激(PCMS)这一非侵入性神经调控技术对运动学习的影响。PCMS通过精确控制经颅磁刺激(TMS)与周围神经电刺激(PNS)的时间间隔(ISI)，能够诱导脊髓运动神经元突触产生双向可塑性变化。

研究采用了两阶段实验设计。第一阶段通过测量颈髓运动诱发电位(CMEP)确定了诱导长时程增强(LTP)和长时程抑制(LTD)效应的最佳ISI参数。结果显示，ISI为0毫秒时(即TMS产生的下行冲动与PNS产生的逆行冲动同时到达运动神经元)可诱导LTP样可塑性，而ISI为+9毫秒和+20毫秒时则诱导LTD样可塑性。

第二阶段研究将PCMS与弹道式手指运动学习任务相结合，发现PCMS_LTP显著提高了手指运动加速度(ACC)，而PCMS_LTD则降低了运动表现。更重要的是，运动学习效果的改变与CMEP振幅的变化呈显著正相关，且这种调控效应随着学习时间的延长而增强。

研究团队运用了多项关键技术方法：通过表面电极记录第一背侧骨间肌(FDI)的肌电图(EMG)；采用F波潜伏期测定来精确计算TMS和PNS的时间配比；使用颈髓刺激评估纯脊髓兴奋性；通过三轴加速度计量化手指运动表现。研究纳入了11名右利手健康受试者，采用单盲、平衡随机交叉设计，最大程度减少了实验误差。

3.1. 实验1结果

CMEP振幅在PCMS干预后呈现时间依赖性变化。ISI为0毫秒时，CMEP振幅在干预后10-60分钟显著增加(P<0.05)；ISI为+9毫秒时，所有时间点的CMEP振幅均显著降低；ISI为+20毫秒时，CMEP在干预后1-40分钟显著下降。这些结果证实了PCMS能够诱导双向突触可塑性。

3.2. 实验2结果

行为学分析显示，PCMS_LTP条件下的ACC比值显著高于PCMS_LTD条件(P<0.01)。更重要的是，PCMS对运动学习的调控效应在第二个学习区块中更为显著，表明其效果具有时间累积性。回归分析进一步证实了ACC比值变化与ΔCMEP之间存在显著正相关(区块1：R=0.590，P<0.001；区块2：R=0.799，P<0.001)。

研究结论表明，PCMS诱导的脊髓水平突触可塑性能够以同向方式调控运动学习效果，这为理解运动学习的神经机制提供了新视角。与传统运动皮层可塑性研究不同，本研究首次系统证明了脊髓可塑性对运动表现的直接调控作用，且这种调控不遵循皮层可塑性中的稳态元可塑性规则。

讨论部分深入分析了PCMS的作用机制。刺激时间的选择至关重要：当TMS产生的下行冲动与PNS产生的逆行冲动同时到达运动神经元时，符合联合型LTP的诱导条件；而较长的ISI可能导致后期下行冲动与逆行冲动的相互作用，从而诱发LTD效应。与Bjorndal等人(2024)的研究相比，本研究通过CMEP测量纯脊髓兴奋性，避免了皮层兴奋性的干扰，为PCMS的脊髓特异性作用提供了更可靠的证据。

该研究的创新点在于将脊髓可塑性调控与运动学习直接关联，为脊髓损伤、运动障碍等疾病的康复治疗提供了新的思路。未来研究可进一步探索PCMS在不同患者群体中的优化参数和应用策略，推动其在临床康复中的转化应用。