综述:利用非侵入性脑刺激调节视觉运动旋转适应能力的研究:一项范围综述

【字体: 时间:2025年05月07日 来源:Cortex 3.3

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  这篇综述聚焦利用非侵入性脑刺激(NIBS)调节视觉运动旋转(VMR)适应。梳理过往研究发现,范式设计、情境设置等因素影响结果。总结了 NIBS 关键参数,还提及神经生理学生物标志物及新兴技术,为后续研究提供参考。

  

引言


运动适应指人类在掌握运动技能后,为达成目标,依据内外环境变化对动作做出调整的过程。它体现了人类运动能力稳定性与灵活性间的精妙平衡,对运动障碍疾病康复意义重大。视觉运动适应任务(VAT)是研究视觉与本体感觉不匹配现象的经典范式,视觉运动旋转(VMR)是其中常用的一种。

在 VMR 任务里,参与者需用手控工具快速击中目标。经典 VMR 包含三个阶段:基线期,参与者接收与真实击球轨迹一致的视觉反馈;适应期,光标会出现角度偏移,参与者要主动纠正直至误差减小;去适应期,偏移取消,但参与者因沿用之前学到的映射关系,会产生反向误差。

研究表明,VMR 适应至少涉及两种由不同学习机制驱动的子成分。显式适应是参与者通过认知策略纠正误差,能在早期快速降低误差;隐式适应则在无意识状态下改变行为,可能由感觉预测误差(SPE)驱动,随适应进程缓慢增强。近期行为学研究还发现,这两种成分间存在交互关系。

尽管多项研究发现多个皮层和皮层下结构参与 VMR,但要明确其所有神经生理基础仍颇具挑战。小脑在其中作用显著,小脑受损患者在运动适应任务中的表现远不如健康人。多数理论认为,小脑通过 SPE 持续调整运动指令的前馈模型,主要负责隐式适应。初级运动皮层(M1)在运动记忆和保持方面发挥关键作用,它能形成运动地图,还参与强化学习、使用依赖学习等多种运动学习机制。背外侧前额叶皮层(DLPFC)支持执行功能,在适应早期被激活,主要助力显式适应,尤其是在需要认知资源制定策略时。

鉴于此,研究人员借助非侵入性脑刺激(NIBS)技术探究这些结构在 VMR 中的作用。NIBS 改善脑可塑性的潜力已获广泛认可,目前最常用的 NIBS 技术是经颅电刺激(TES)和经颅磁刺激(TMS)。TES 通过阳极和阴极电极施加低强度电流,调节神经元自发放电活动,其中经颅直流电刺激(tDCS)可改变神经元跨膜电位,调节兴奋性。TMS 则利用磁线圈在皮层诱导高强度短时电流,使神经元产生阈上激活,与 TES 的阈下激活不同。值得注意的是,TES 和 TMS 不仅在刺激时产生即时神经效应(在线效应),还能通过类似长时程增强(LTP)/ 长时程抑制(LTD)的效应产生持久影响(离线效应)。因此,这些技术被广泛用于调节健康人的运动学习能力,助力运动障碍康复。由此推测,VMR 过程中神经兴奋性的改变可能会影响行为表现。

过去十年,运用 NIBS 调节健康人 VMR 表现的研究激增,多数聚焦于小脑(CB)或 M1。这不仅因为这些区域在 VMR 中的关键作用已被阐明,还源于早期一项研究发现它们具有 “分离作用”,即刺激 CB 能加快适应学习速率,刺激 M1 可增强运动记忆保持。然而,随着研究增多,实验设置和刺激方案各异,出现了相互矛盾的行为学证据,部分研究甚至未得出结果或得到意外结果。这种不一致阻碍了将该实验室成果转化为临床康复应用。尽管如此,通过 NIBS 提升 VMR 表现仍具潜力,关键在于在合理设计的范式中正确运用刺激方案。所以,首次全面梳理现有研究细节很有必要,有助于研究人员了解范式、情境和刺激方案设计的潜在影响,提供参考。鉴于研究设计的高度可变性,本综述被定义为范围综述,并在文献检索和纳入阶段遵循 PRISMA 指南。同时,还介绍了用于解释 VMR 研究的神经生理学生物标志物,以及引入该领域的其他 NIBS 技术,期望为该领域提供新视角,挖掘 VMR 经典范式在行为和认知神经科学中的更多价值。

纳入和排除标准


本研究纳入的必须是对健康参与者进行的 VMR 实验,且利用 NIBS 调节行为结果。使用其他运动适应范式或纳入患者的研究予以排除。用于定性分析的已发表论文需满足以下纳入标准:研究设计必须是组随机对照试验,对比有 / 无 NIBS 或不同 NIBS 方案下 VMR 的行为结果;研究必须包含测量环节。

综述


本综述共涵盖 21 篇论文及其所有子实验(不同组间总计 40 个实验)。这些实验的详细信息见表 1,包括应用的 NIBS 类型、刺激的脑区、范式设计、情境设置、分组情况以及观察到的行为结果。在受刺激脑区方面,16 项研究刺激小脑(CB),10 项刺激初级运动皮层(M1),2 项刺激背外侧前额叶皮层(DLPFC),3 项刺激其他区域。

结论和未来方向


本范围综述回顾了运用 NIBS 调节健康参与者 VMR 任务表现的现有研究,这些研究结论常相互矛盾。我们全面探究了这些行为实验的各个方面,包括范式设计、情境设置和常用刺激方案,并总结了现存问题,提出了未来研究方向。

利益冲突声明


无。

致谢


本研究部分受中国国家自然科学基金(项目编号:81925020、62376190)和天津市科技计划(项目编号:22JCYBJC01430)资助。衷心感谢所综述文献的所有作者的辛勤研究。

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