《Journal of Neurorestoratology》：Corticospinal Excitability Depends on Hemodynamic Brain State: A Study using Optical Neuroimaging-Triggered, Brain-State-Dependent Stimulation
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背景：本研究旨在探究一种利用功能性近红外光谱（fNIRS）实时监测血流动力学信号来触发经颅磁刺激（TMS）的神经接口，是否能比非脑状态依赖性刺激更有效地调节皮质脊髓兴奋性。
方法：研究人员开发了一种fNIRS-TMS接口，在运动觉运动想象（KMI
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背景：本研究旨在探究一种利用功能性近红外光谱（fNIRS）实时监测血流动力学信号来触发经颅磁刺激（TMS）的神经接口，是否能比非脑状态依赖性刺激更有效地调节皮质脊髓兴奋性。
方法：研究人员开发了一种fNIRS-TMS接口，在运动觉运动想象（KMI）期间采集辅助运动区（SMA）的氧合血红蛋白浓度。在脑状态非依赖条件下，受试者持续进行KMI，而TMS脉冲的施加与受试者的脑状态无关。在fNIRS引导的状态依赖性条件下，只有当来自SMA的实时fNIRS信号超过预设激活阈值时，才触发TMS以诱发运动诱发电位（MEP）。研究人员比较了健康受试者和卒中后受试者在不同条件下的MEP波幅。
结果：在20名健康受试者中，一项经视觉模拟量表（VAS）校正的广义估计方程（GEE）分析显示，SMA-fNIRS引导的TMS产生的MEP波幅显著大于脑状态非依赖性的TMS（p = 0.010）。参数估计表明，脑状态非依赖条件下的MEP波幅低于脑状态依赖性条件下采集的MEP波幅（B = ?0.109, SE = 0.042, 95% CI: [?0.192, ?0.026]）。然而，在纳入的8名皮层下缺血性卒中患者中，未观察到两种条件之间存在显著差异。在个体激活阈值之上，更高的血流动力学信号水平与更低的MEP波幅相关（r = ?0.15, p = 0.027）。
结论：fNIRS-TMS接口为开发用于探测和调节大脑功能的脑状态依赖性刺激展示了初步的技术可行性。卒中后受试者中缺乏SMA的脑状态依赖性易化效应是否反映了受损的SMA至M1易化性连接，以及恢复这种易化效应是否具有临床益处，有待进一步研究。
临床试验注册：NCT07088107。
论文解读文章
研究背景与目的
上肢运动控制依赖于辅助运动区（SMA）与初级运动皮层（M1）之间的结构与功能连接。既往研究表明，静息状态下SMA对M1存在易化性输入，这一发现为靶向SMA-M1易化性连接的神经调控研究提供了基础。然而，这些研究往往忽略了持续的脑状态对此类连接的影响。尽管脑电图（EEG）相位触发的TMS已被用于探测特定脑状态下的SMA-M1易化作用，但其信噪比低、空间分辨率不足且易受TMS脉冲伪迹干扰。相比之下，功能性近红外光谱（fNIRS）作为一种便携式光学神经成像技术，不受电磁脉冲显著干扰，能以良好的空间分辨率定位感兴趣的浅层皮层活动，并具备更高的单次试验可靠性，更适合捕捉自我调节的、任务特异性的持续脑状态。因此，本研究旨在探索fNIRS触发TMS的技术实现，以靶向一种持续的、自我调节的任务相关脑状态，并验证其在健康成人和慢性卒中患者中对皮质脊髓兴奋性的调控效果。
关键技术方法
本研究采用的主要技术方法包括：1）fNIRS实时监测与触发系统：使用NIRSport2设备（NIRx, Berlin, Germany）以20.35 Hz采样率采集SMA区域氧合血红蛋白（HbO）信号，通过Turbo-Satori软件进行在线预处理（去趋势、0.01–0.1 Hz带通滤波、基于相关性的信号改善运动校正），并利用广义线性模型筛选最佳通道；2）经颅磁刺激（TMS）：使用MagPro X100刺激器（MagVenture A/S, Denmark）配合八字形线圈（Cool-B65或MC-B70），于M1热点处以120%静息运动阈值（RMT）强度施加单脉冲，记录目标肌肉（第一背侧骨间肌FDI或拇短展肌APB）的运动诱发电位（MEP）；3）实验范式：包含三个步骤——脑状态非依赖性刺激（连续运动觉运动想象KMI同时随机施加TMS）、功能定位器（确定个体化KMI诱导的SMA最大HbO值，并将触发阈值设为该值的70%）以及脑状态依赖性刺激（仅当实时SMA-HbO信号达到阈值时触发TMS）。研究共纳入20名健康成人（年龄27.80±5.08岁）和8名慢性皮层下缺血性卒中患者（年龄65.88±5.03岁，病程>6个月），均来自香港理工大学。
研究结果
1. 运动想象生动度变化
在健康成人中，脑状态依赖性条件下的视觉模拟量表（VAS）评分显著高于脑状态非依赖性条件（中位数4 vs. 3, p=0.007），因此在后续分析中将VAS作为协变量。卒中患者组内VAS评分无显著差异。
2. 脑状态依赖性刺激效应
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健康成人（实验1）：脑状态依赖性条件下MEP平均波幅较非依赖性条件增加35.51%（从520.19 μV升至704.92 μV），其中80%的受试者（16/20）表现出增幅。经VAS校正的广义估计方程（GEE）分析显示，条件的主效应显著（Wald χ2(1)=6.561, p=0.010），参数估计表明脑状态非依赖性条件的log??转换MEP波幅显著低于脑状态依赖性条件（B=?0.109, SE=0.042, 95%CI: [?0.192, ?0.026]），而VAS效应不显著。
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卒中患者（实验2）：脑状态依赖性条件下MEP平均波幅仅增加6.82%（从266.23 μV升至284.37 μV），仅50%的受试者（4/8）表现出增幅。GEE分析未发现条件主效应（Wald χ2(1)=0.052, p=0.819），VAS效应亦不显著。
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HbO与MEP相关性：在触发TMS时的HbO浓度与MEP波幅呈显著负相关（r=?0.15, p=0.027），加权后仍显著（r=?0.126, p=0.043）。个体层面，仅3/24名受试者（2名健康成人、1名卒中患者）表现出显著负相关。
3. 敏感性分析
使用前10次MEP试验重复分析，健康成人中条件主效应仍显著（Wald χ2(1)=3.954, p=0.047），脑状态依赖性条件MEP更高（B=?0.096, SE=0.048, 95%CI: [?0.190, ?0.001]）。
4. 阈值降低比例
15%的健康成人（3/20）和25%的卒中患者（2/8）需将个体化阈值降至最大HbO值的50%才能收集到至少10次MEP。排除这些受试者的敏感性分析结果保持不变。
讨论与结论
讨论总结：本研究首次证明了将fNIRS引导的神经反馈接口与TMS相结合用于脑状态依赖性刺激研究的技术可行性。KMI诱导的高SMA激活状态可增强健康成人的皮质脊髓兴奋性，这与既往双线圈配对脉冲TMS和EEG触发TMS研究中观察到的SMA-M1易化性连接一致，但本研究的交叉设计无法推断皮层网络中的因果方向性。在皮层下卒中患者中，高SMA兴奋性状态下皮质脊髓兴奋性未增强，可能支持“远隔功能障碍”理论，即皮层下病变导致SMA至M1的皮层-皮层连接受损，而恢复SMA的兴奋性增强效应可能是卒中后运动康复的有效治疗策略。值得注意的是，HbO水平与MEP波幅的负相关提示，SMA中较高的HbO可能反映局部抑制性中间神经元活动的增强，后者进而对M1产生抑制作用，从而降低皮质脊髓兴奋性。该接口可通过整合多脑特征、实施自适应阈值调整以及联合fNIRS与EEG等方法进一步优化。
研究结论翻译：本研究证明了fNIRS触发的TMS接口在健康和卒中后受试者中的可行性。慢性皮层下卒中患者中缺乏脑状态依赖性易化效应可能成为修复性神经调控的靶点，但有待进一步验证。本研究开发的fNIRS-TMS接口代表了开发个性化脑状态依赖性刺激方案以探测和调节神经系统疾病患者脑功能的一种有前景的工具。
