经颅磁刺激方向对健康成人下肢皮质脊髓与皮质-皮质兴奋性的影响

《Physiological Reports》：The effects of TMS stimulus direction on corticospinal and cortico-cortical excitability of the lower limb in healthy adults

　　

上肢肌肉的经颅磁刺激（TMS）研究表明，刺激方向可影响皮质脊髓和皮质内兴奋性；然而，针对下肢肌肉的证据有限。本研究采用成对脉冲TMS，探讨了TMS刺激方向对胫骨前肌（TA）皮质脊髓与皮质内兴奋性的影响。共纳入19名健康成年人（男性10名，女性9名；平均年龄41.8±23岁）。使用八字形线圈施加单脉冲和成对脉冲TMS，线圈方向分别诱导左侧运动皮层产生前向后（AP）或后向前（PA）电流，同时记录右侧TA的运动诱发电位（MEPs）。在一次实验中对两种刺激方向下的静息运动阈值（RMT）、短间隔皮质内抑制（SICI）、长间隔皮质内抑制（LICI）和皮质内易化（ICF）进行评估。结果显示，AP与PA刺激在RMT、SICI和LICI方面均无显著差异（p>0.05）。然而，AP刺激产生的ICF反应显著大于PA刺激（p=0.027）。AP和PA刺激方向在TA肌肉中产生了可比的RMT、SICI和LICI指标，但AP刺激诱发了更强的ICF。这些发现表明，易化性皮质内回路可能比抑制性通路对刺激方向更为敏感。

一、研究背景与研究目的

经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation, TMS）是一种无创、无痛的神经调控技术，可用于评估人类皮质-皮质和皮质脊髓通路（corticospinal pathways）的兴奋性。既往大量TMS研究集中于手部肌肉，因其在人类感觉运动皮层中具有较大的表征区域。相比之下，下肢TMS研究相对有限，尽管其对步态、平衡、康复以及影响活动能力的神经系统疾病具有重要意义。下肢肌肉的皮质代表区位于大脑半球内侧更深层，使得TMS诱发的运动诱发电位（Motor Evoked Potentials, MEPs）更难获得。此外，头皮至皮层的距离较大以及可能存在的较弱的单突触兴奋性皮质投射，进一步增加了诱发难度。

在上肢研究中，TMS刺激方向已被证实可影响皮质脊髓和皮质内兴奋性。具体而言，前向后（Anterior-Posterior, AP）和后向前（Posterior-Anterior, PA）刺激方向被认为偏向于激活初级运动皮层（M1）内不同的皮质内中间神经元网络：PA刺激优先激活较早募集的中间神经元回路，而AP刺激则更强地激活较晚募集的网络。这种差异对于成对脉冲TMS测量指标如短间隔皮质内抑制（Short-interval Intracortical Inhibition, SICI）、皮质内易化（Intracortical Facilitation, ICF）和长间隔皮质内抑制（Long-interval Intracortical Inhibition, LICI）具有重要意义，因为这些指标依赖于上述网络的兴奋性。然而，这些来自上肢的发现能否推广至下肢肌肉尚不清楚，尤其是考虑到下肢皮层深度、半球间裂解剖结构以及线圈-皮层几何关系的差异。

因此，本研究的主要目的是探究两种常用的斜向TMS刺激方向——PA和AP（与中线呈45°夹角）——是否会在胫骨前肌（Tibialis Anterior, TA）中引起皮质脊髓和皮质-皮质兴奋性测量的系统性差异。研究人员假设PA刺激会产生比AP刺激更低的RMT，而AP刺激则会表现出比PA刺激更强的皮质内抑制。

二、关键技术方法

本研究招募了19名健康成年人（10男9女，平均年龄41.8±23岁），所有参与者均在同一实验日内完成PA和AP两种刺激方向条件的测试，条件顺序随机分配。研究采用MagPro R30刺激器配合蝴蝶型MC-PB70八字形线圈进行TMS刺激。通过国际10-20系统定位顶点（Cz）作为参考点，将线圈置于左侧M1区域，与中线呈45°角，分别设置PA和AP两种方向。使用表面电极从右侧TA记录肌电信号（Electromyography, EMG）。静息运动阈值（Resting Motor Threshold, RMT）通过MTAT 2.0软件确定，测试强度调整为能引出约0.5 mV峰峰值MEP。成对脉冲TMS用于评估SICI（3 ms间隔）、ICF（10 ms间隔）和LICI（150 ms间隔）。数据采用线性混合效应模型（Linear Mixed Model, LMM）进行分析，将参与者设为随机截距，刺激方向和配对脉冲条件设为固定效应。

三、研究结果

1. 皮质脊髓兴奋性

线性混合效应模型显示，AP与PA刺激方向在静息运动阈值（RMT）上无显著差异（AP: 61.16±13.28% MSO; PA: 60.58±11.26% MSO; p=0.658）。同样，两种刺激方向下引出约0.5 mV MEP所需的测试强度也无显著差异。

2. 皮质-皮质兴奋性

线性混合效应模型显示，刺激方向与配对脉冲条件之间存在弱但统计学显著的交互作用（F=3.794, p=0.027）。事后分析表明，这一交互作用主要由ICF驱动：AP刺激产生的易化作用显著强于PA刺激（AP: 154.85±9.92%; PA: 144.33±9.95%; p=0.027）。然而，SICI和LICI在两种刺激方向之间均未观察到显著差异（p>0.05）。

四、讨论与结论

本研究发现，在胫骨前肌中，AP与PA刺激方向在RMT、SICI和LICI方面表现相当，但AP刺激诱发了更强的ICF。这一模式表明，在下肢运动皮层中，易化性皮质内回路可能比抑制性通路对刺激方向更为敏感。该发现与某些上肢研究结果形成对比，在上肢研究中AP刺激往往产生更强的抑制反应，这凸显了手部和腿部区域在皮层几何结构和网络组织上的潜在差异。

研究人员指出，RMT缺乏差异表明，在使用振幅标准化方法统一刺激强度的情况下，下肢运动皮层的皮质脊髓膜反应性对AP与PA方向的敏感性较低。而ICF的选择性差异提示，兴奋性皮质内网络在下肢运动皮层中可能比抑制性网络更具方向响应性。SICI和LICI缺乏方向性效应则表明，GABA_A和GABA_B介导的抑制过程在不同方向上基本一致。

研究存在若干局限性：未包含内外侧（Mediolateral, ML）或外侧向内（Lateromedial, LM）刺激方向；未使用神经导航系统；未直接评估MEP起始潜伏期或下行皮质脊髓波；存在较大的个体间变异性；样本量估计基于配对t检验近似而非正式的混合模型功效计算。未来研究应结合MRI引导的神经导航、个体化电场建模（如SimNIBS）以及结构成像，以更深入地揭示皮层解剖结构和电场方向如何影响下肢TMS过程中皮质脊髓和皮质内网络的募集。

研究结论：AP和PA刺激方向在TA肌肉中产生了可比的RMT、SICI和LICI指标，但AP刺激诱发了更强的ICF。这些发现表明，易化性皮质内回路可能比抑制性通路对刺激方向更为敏感。