《iScience》：Deep TMS modulates neurovascular responses and enhances dual-task computation in healthy adults
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双任务表现需要认知控制系统和运动系统之间的协调。本研究探讨了深度经颅磁刺激（deep transcranial magnetic stimulation, DTMS）如何在双任务处理过程中影响皮层反应和计算表现。在一项随机交叉研究中，19名健康成年人在不同实验
双任务表现需要认知控制系统和运动系统之间的协调。本研究探讨了深度经颅磁刺激（deep transcranial magnetic stimulation, DTMS）如何在双任务处理过程中影响皮层反应和计算表现。在一项随机交叉研究中，19名健康成年人在不同实验阶段分别接受了靶向双侧前额叶皮层和前扣带回皮层的DTMS干预以及假刺激干预，并在每次干预前后进行功能性近红外光谱（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）评估和双任务测试。与假刺激相比，DTMS增强了参与认知-运动处理的脑区中与任务相关的皮层激活，并在不影响准确率的情况下提高了计算数量。涉及背外侧前额叶皮层（dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC）、次级运动皮层（secondary motor cortex, M2）和语言相关脑区的激活变化与双任务表现相关联。这些发现表明，DTMS可能调节支持认知-运动协调的分布式皮层动态，并为其在认知-运动障碍人群中的潜在应用提供依据。
研究背景与研究目的
在日常生活中，诸如边行走边心算等双任务活动十分常见，这类行为依赖于多个脑区间的高效协调与资源分配。双任务能力受损与老年人及神经系统疾病患者的活动能力下降、跌倒风险增加和认知衰退密切相关。神经影像学研究显示，双任务表现与默认模式网络（default mode network, DMN）、额顶网络（frontoparietal network, FPN）和感觉运动网络（sensorimotor network, SMN）等皮层网络的动态功能连接（functional connectivity, FC）密切相关。当认知和运动需求同时增加时，网络间的资源竞争会降低连接效率，导致双任务代价（dual-task cost, DTC）。此外，次级运动皮层（secondary motor cortex, M2）作为连接执行控制过程与运动执行的中间区域，在认知-运动整合中发挥重要作用，但其在神经调控诱导的双任务变化中的作用尚不清楚。
非侵入性神经调控技术，特别是经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS），为调节任务相关脑网络提供了有前景的手段。然而，以往研究多集中于浅表皮层靶点刺激和单任务范式，对双任务过程中分布式认知-运动网络的调控探索不足。深度经颅磁刺激（deep transcranial magnetic stimulation, DTMS）采用H7线圈产生更广泛的磁场，能够同时作用于分布式的额叶皮层（prefrontal cortex, PFC）和前扣带回皮层（anterior cingulate cortex, ACC）网络。间歇性θ爆发刺激（intermittent theta burst stimulation, iTBS）是一种兴奋性模式化TMS方案，可高效诱导突触可塑性。将DTMS与iTBS结合，有望兼具广泛网络参与和高效诱导任务相关可塑性的优势。因此，本研究旨在探究采用iTBS方案的DTMS是否能改善双任务计算表现并调节任务相关皮层血流动力学反应。
研究方法概述
本研究为一项前瞻性、单中心、随机、交叉对照临床试验，于复旦大学附属华山医院开展，受试者招募期为2025年11月1日至11月30日。最终纳入19名右利手健康成年人（7男12女，平均年龄25.16±6.26岁）。采用块随机法将参与者分为两组，经过2周洗脱期后交换干预方案。干预措施包括：主动DTMS干预（采用iTBS方案，脉冲频率50 Hz，串内频率5 Hz，共600个脉冲，持续192秒，刺激强度为静息运动阈值的40%，靶向双侧PFC和ACC）和假刺激（线圈置于头顶上方8-10 cm处，刺激强度为静息运动阈值的2%）。评估方法包括：功能性近红外光谱（functional near-infrared spectroscopy, fNIRS）采集氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR）浓度变化，以及双任务计算测试（3分钟内以舒适步速行走同时完成100减7连续心算）。数据分析采用混合效应模型和Pearson相关性分析，fNIRS数据经0.01-0.2 Hz带通滤波处理后转换为HbO和HbR浓度。
研究结果
主要结局指标
行为学结果：混合效应模型分析显示，治疗效应显著（F1,17=12.546, p=0.003），DTMS后计算数量的增加显著大于假刺激后，表明神经调控后处理速度得到提升。未观察到显著的周期效应（p=0.276）或序列效应（p=0.689）。
脑功能成像结果：在静息状态下，两种干预条件间平均HbO浓度的前后变化无显著组间差异。但在双任务条件下，DTMS在右侧次级运动皮层（right secondary motor cortex, R-M2）和左侧躯体感觉联合皮层（left somatosensory association cortex, L-SAC）诱发了显著的激活增强（R-M2: p=0.022; L-SAC: p=0.033）。时间进程曲线图显示，L-SAC和R-M2的HbO浓度变化在DTMS条件下始终高于假刺激条件，且全脑水平也呈现一致趋势。
次要结局指标
准确率：治疗效应对准确率变化无显著影响（F1,17=2.274, p=0.150），但DTMS后的变化趋势优于假刺激，提示计算负荷的提升并非以牺牲准确率为代价。
相关性分析：计算数量的变化与左侧次级运动皮层（left secondary motor cortex, L-M2）的平均HbO变化呈显著正相关，与右侧韦尼克区（right Wernicke's area, R-WA）的平均HbO变化呈负相关。准确率的提升与双侧M2的平均HbO升高显著相关，但与右侧初级运动皮层（right primary motor cortex, R-M1）和R-WA的平均HbO升高呈负相关。多个脑区的平均HbR增加与计算数量和准确率的前后差异呈负相关。
脑区间相关性：DTMS后，双侧DLPFC、M2和躯体感觉联合皮层（somatosensory association cortex, SAC）的半球间激活相关性尤为强烈。左半球内，L-M2的平均HbO变化与左侧DLPFC（left DLPFC, L-DLPFC）、左侧初级躯体感觉皮层（left primary somatosensory cortex, L-S1）和左侧韦尼克区（left Wernicke's area, L-WA）的平均HbO变化呈显著正相关。这些发现提示DTMS后双任务计算过程中FPN可能被激活，而M2可能在连接前额叶和后顶叶区域中充当过渡枢纽。
探索性结局指标
功能连接分析：在多重比较校正前，DTMS在静息态下增强了右侧躯体感觉联合皮层（right somatosensory association cortex, R-SAC）与R-WA之间的FC（p=0.049），在双任务条件下增强了左侧布罗卡区（left Broca's area, L-BA）与R-DLPFC（p=0.043）、L-BA与R-M1（p=0.017）以及L-BA与R-M2（p=0.036）之间的FC。然而，经FDR校正后，上述差异均不再具有统计学显著性。
基线对比：双任务条件下的FC显著低于静息状态（FC静息=0.536±0.181, FC双任务=0.274±0.151），该差异在FDR校正后仍显著。
其他参数：DTMS后，双侧DLPFC和右侧布罗卡区（right Broca's area, R-BA）的皮层HbO反应速度显著加快，而L-BA的初始HbO反应速度显著减慢。多个脑区的HbR反应速度也显著加速，包括R-BA、L-M2和L-SAC。
讨论与结论
本研究表明，DTMS-iTBS增加了健康年轻成年人在双任务表现中的计算数量，并与R-M2和L-SAC的HbO反应增强相关，提示DTMS可能影响双任务处理过程中分布式认知-运动网络内的皮层激活模式。计算数量的增加并未伴随准确率下降，表明处理效率得到提升而非单纯的速度优先策略。
关于皮层激活的不同效应，DTMS诱导的皮层兴奋性变化在不同任务活动中表现不同，这与“状态依赖性可塑性”理论一致——神经调控效应需要特定的脑状态（如任务激活）才能得以表达。双任务表现依赖于协调注意力分配、任务切换、工作记忆和感觉运动整合的分布式脑网络。R-M2反映了右侧FPN向运动系统的延伸，有助于抑制来自并发认知任务的干扰；L-SAC则提供精确的躯体感觉和空间信息以支持自动化运动执行。
相关性分析显示，计算数量和准确率的变化均与L-M2激活正相关，而与R-WA激活负相关。这符合神经效率假说——高效神经网络依赖关键区域的精准激活和对干扰区域的有效抑制。脑区间相关性分析揭示了DTMS可能减弱半球间抑制，促使双侧同源区域从交替抑制转向同步兴奋，从而增强半球间协调。左半球PFC与后顶叶皮层（posterior parietal cortex, PPC）激活的正相关以及L-M2血流动力学水平的平行升高，提示iTBS范式下的DTMS可能激活并加强DLPFC-PPC网络，其中M2充当转换中继站。
研究结论：DTMS与任务相关皮层反应和认知-运动表现的变化相关联。这些发现支持继续将DTMS作为一种非侵入性神经调控方法来影响复杂行为所涉及的分布式皮层网络。未来结合更大样本量、多模态神经影像学和个体化刺激方案的研究，对于阐明这些发现在衰老和神经系统人群中的可重复性、功能相关性和潜在转化价值具有重要意义。
