《Frontiers in Neurology》：Assessing upper motor neuron dysfunction in ALS: from TMS-EEG and EMG neurophysiology to a combined tFUS-TMS translational framework
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肌萎缩侧索硬化症（ALS）是一种毁灭性神经退行性疾病，以进行性上运动神经元（UMN）和下运动神经元（LMN）功能障碍为特征。尽管分子与神经影像生物标志物已取得显著进展，但ALS的病理起始部位及UMN功能障碍对疾病进展的因果贡献仍不明确。累积的神经生理学证据提示
肌萎缩侧索硬化症（ALS）是一种毁灭性神经退行性疾病，以进行性上运动神经元（UMN）和下运动神经元（LMN）功能障碍为特征。尽管分子与神经影像生物标志物已取得显著进展，但ALS的病理起始部位及UMN功能障碍对疾病进展的因果贡献仍不明确。累积的神经生理学证据提示皮质高兴奋性是一种早期且可能处于上游的机制，支持UMN病理通过顺向“死亡-向前”（dying-forward）过程驱动LMN变性的假说。本综述整合无创脑刺激（NIBS）研究结果，重点关注基于经颅磁刺激（TMS）的UMN功能障碍神经生理学标记物。研究人员回顾了TMS-肌电图（TMS-EMG）与TMS-脑电图（TMS-EEG）范式的研究证据，证实ALS中存在皮质去抑制与兴奋-抑制失衡，这与GABA能中间神经元功能障碍一致，并支持皮质起源假说。最后，研究人员提出将经颅聚焦超声（tFUS）与TMS整合为一种新型实验与转化框架，以直接检测与调控皮质高兴奋性，并验证UMN功能障碍在ALS中的因果作用。该框架将靶向神经调控与敏感神经生理学读数相结合，置于受控实验设计中，为推进机制解析、优化生物标志物及指导机制导向的治疗策略提供了可行路径。综上，这些方法确立了无创神经生理学作为阐明ALS中UMN功能障碍的有力工具的地位。
1 引言
肌萎缩侧索硬化症（ALS）是一种起病隐匿、进展迅速的毁灭性神经退行性疾病，由上下运动神经元共同受累所致。临床上，ALS多以局灶性肢体无力起病，逐渐累及球部与呼吸肌，最终引发弥漫性肌肉萎缩、重度无力乃至呼吸衰竭。上下运动神经元的同时受累是ALS临床诊断的核心依据，也是解析其潜在病理生理机制的基础。ALS在临床与生物学层面均存在显著异质性，这给临床试验设计与药物研发带来了巨大挑战。现有评估工具中最常用的是修订版肌萎缩侧索硬化功能评分量表（ALSFRS-R），但其敏感性不足以捕捉细微的疾病进展或治疗效应，因此亟需能够更直接反映疾病机制与治疗反应的定量生物标志物。目前的生物标志物策略主要包括血液与脑脊液检测、磁共振成像（MRI）与正电子发射断层扫描（PET）等神经影像学技术，以及应用神经生理学衍生的定量指标，这些标志物在诊断、预后判断、患者分层与治疗监测中发挥互补作用。尽管相关研究已取得进展，但ALS的起病与进展核心机制仍未完全明确，尚无单一生物标志物被临床广泛采纳。本综述聚焦于ALS的神经生理学生物标志物，重点关注经颅磁刺激（TMS）与新兴的经颅聚焦超声（tFUS）等无创脑刺激技术，探讨这些方法如何用于解析UMN功能障碍及其在疾病启动中的潜在作用，并进一步讨论技术整合如何桥接机制研究与临床应用，推动ALS病因学认知与治疗研发。
2 ALS起病假说
ALS同时累及上运动神经元（UMN）与下运动神经元（LMN）。LMN位于脊髓与脑干，是运动指令传至肢体、面部、喉部与膈肌的最终共同通路，其功能类似神经系统的“断路器”：LMN变性时，运动指令无法到达肌肉，导致无力、肌萎缩、肌束震颤与肌肉痉挛。UMN起源于运动皮层与脑干，经下行通路调控LMN，进而连接肌肉；UMN损伤会导致皮质脊髓束变性，产生肢体僵硬、反射亢进与自主运动控制受损等特征性临床表现。上下运动神经元之间的协调互作被称为皮质-肌肉系统，是协调运动的基础，该耦合被破坏是ALS进行性运动功能损害的核心机制。ALS研究中一个尚未解决的根本性问题是其起病模式，目前主要有三种非互斥假说：一是皮质起源模型（死亡-向前模型），认为LMN变性由皮质运动神经元沿下行皮质运动神经元（即与脊髓运动神经元形成直接连接的皮质脊髓神经元亚群）通路的兴奋性毒性顺向信号驱动；二是平行但交互的上下运动神经元变性模型，认为两者以连续或随机方式进展；三是LMN首先受累的死亡-向后模型，随后出现UMN受累。明确UMN与LMN功能障碍之间的因果关系对阐明ALS病理生理至关重要，后续章节将讨论如何利用TMS与tFUS等无创神经生理学方法直接检验这些竞争性起病模型。
3 TMS与ALS中的神经生理学证据
TMS是一种非侵入性、耐受性良好的技术，可在临床与科研场景中实现活体UMN功能评估。TMS方法与刺激范式的持续优化显著提升了其在ALS中探测UMN生理的敏感性与临床相关性。TMS通过置于头皮的线圈释放短暂高强度电流，产生峰值约2特斯拉、方向垂直于线圈表面的快速变化磁场，该磁场在运动皮层内诱导电场，主要激活兴奋性皮质-皮质神经元的轴突，通过突触传递去极化皮质脊髓锥体细胞，同时募集GABA能中间神经元网络以调节诱发反应的兴奋-抑制平衡；刺激强度更高时也可能直接激活皮质脊髓轴突。由此产生的皮质脊髓输出表现为靶肌记录到的运动诱发电位（MEP），反映下行皮质脊髓通路对脊髓运动神经元的去极化效应。TMS募集的神经元群体受多种参数影响，包括线圈几何形状与穿透深度、感应电流方向、脉冲波形、刺激强度与刺激时间模式。研究人员系统检索了PubMed、Scopus与Web of Science三个数据库中关于TMS在ALS中应用的文献，纳入标准为同行评审期刊论文、英文发表、研究对象为ALS或运动神经元病患者、报告基于TMS的神经生理学结局。这些研究共同确立TMS作为评估ALS中UMN功能障碍的稳健神经生理学工具，为解析疾病病理生理机制、开发诊断与治疗反应生物标志物提供了支持。
3.1 ALS中的TMS-EMG测量
单脉冲TMS（spTMS）利用短暂高强度磁场在初级运动皮层诱导电流，去极化皮质脊髓神经元，通过肌电图记录靶肌的MEP，可量化MEP特征及诱发所需刺激强度，从而反映人类运动系统兴奋性与下行皮质脊髓通路的完整性。静息运动阈值（RMT）是皮质运动神经元兴奋性的基础标记物，反映电压门控钠通道与谷氨酸能神经传递功能，定义为至少10次试验中50%次数能诱发≥50 μV MEP的最低刺激强度。ALS中RMT结果存在异质性：疾病早期常降低，尤其症状对侧更为明显，且早于肌肉萎缩，与反射亢进、肌束震颤相关，符合皮质运动神经元高兴奋性；随着疾病进展与皮质运动神经元池变性，RMT通常升高，部分患者最终表现为皮质无兴奋性，提示TMS在疾病早期更具应用价值，同时RMT也受种族背景影响。MEP振幅与刺激-反应（SR）曲线可探测与RMT不同的皮质运动神经元群体，更陡峭的SR斜率提示谷氨酸能驱动增强和/或GABA能抑制减弱，可作为ALS皮质高兴奋性的标记物；为排除周围神经变异与LMN变性的干扰，常采用MEP/复合肌肉动作电位（CMAP）比值，该指标在ALS早期常升高，有助于区分ALS与模拟疾病，支持广泛皮质运动高兴奋性的存在。皮质静息期（CSP）指肌肉收缩期间超阈值TMS脉冲后自发肌电活动的短暂中断，持续时间定义为MEP起始至肌电活动恢复的时间间隔，主要反映GABAB受体介导的皮质抑制，同时受脊髓抑制机制影响；ALS中CSP缩短或缺失是常见的早期表现，反映长潜伏期GABA能抑制环路受损，但诊断效能有限。中枢运动传导时间（CMCT）测量神经冲动从运动皮层传导至脊髓运动神经元所需时间，延长提示皮质脊髓束功能障碍，可发现亚临床UMN受累，但与临床UMN体征及评分的相关性不一致，限制了其诊断价值。
配对脉冲（pp）TMS通过特定间隔的条件刺激先于测试刺激发放，被认为是探查ALS核心病理——皮质内中间神经元功能障碍的金标准，常用范式包括短间隔皮质内抑制（SICI）、短间隔皮质内易化（SICF）、皮质内易化（ICF）与长间隔皮质内抑制（LICI），其中SICI的诊断相关性最高。SICI是运动皮层抑制的敏感标记物，由GABAA受体介导，采用阈值追踪配对脉冲TMS（TT-TMS）方法，在1–7 ms间隔下以亚阈值条件刺激先于超阈值测试刺激，持续调整测试刺激强度以维持目标MEP振幅为0.2 mV（±20%）；SICI降低或缺失是ALS中最一致的神经生理学异常之一，与方法学无关，且常早于LMN体征，与疾病进展及生存期缩短相关。LICI指间隔50–300 ms的超阈值条件刺激对测试MEP的抑制作用，被认为由作用于突触后GABAB受体的长潜伏期抑制性中间神经元群体介导；ALS中LICI降低的报道与疾病严重程度相关，提示长潜伏期抑制环路变性，但仍需更多研究验证。SICF反映高阈值易化性中间神经元环路功能，在测试刺激前1–5 ms给予阈值或超阈值条件刺激即可诱发，其改变被认为参与ALS发病机制。ICF反映长潜伏期、低阈值易化环路活动，在8–30 ms间隔诱发，生理基础尚未完全明确，可能涉及低阈值谷氨酸能兴奋性皮质环路，也可能存在脊髓层面的贡献；ALS中SICF常升高，而ICF结果变异较大，升高的SICF常与SICI降低共存，反映皮质兴奋与抑制失衡，可通过兴奋指数（IE）量化，该指数在ALS中升高且与功能损害加重、UMN体征更显著相关，SICI与SICF联合作为敏感神经生理学生物标志物具有较好前景。
三重刺激技术（TST）旨在克服单脉冲TMS诱发常规MEP固有的变异与去同步化问题，采用包含三次序贯刺激（皮质、远端外周、近端外周）的碰撞范式，可精确估计被激活的皮质运动神经元比例。首先给予运动皮层超阈值TMS脉冲，随后在定时间隔下分别给予远端与近端外周神经刺激，下行皮质脊髓冲动与第二刺激产生的逆向冲动碰撞导致相位抵消，第三刺激则诱发最大复合肌肉动作电位（CMAP）；比较条件与非条件TST的CMAP振幅与面积即可得到反映被激活皮质运动神经元比例的比值。超过60%的ALS患者存在TST CMAP振幅比值降低，其敏感性高于MEP振幅降低或CMCT延长，且与功能残疾及UMN损害相关，可检出亚临床UMN功能障碍，支持其诊断价值，随着商用TST软件的普及，未来有望作为辅助诊断工具应用于临床。
3.2 ALS中的TMS-EEG测量
TMS与脑电图结合（TMS-EEG）可通过测量经颅诱发电位（TEP）以毫秒级时间分辨率无创评估皮质兴奋性，TEP表现为可重复的时空正负波序列，在多个研究与临床场景中的应用日益广泛。但TMS-EEG在ALS中的应用相对较新，迄今仅发表一项相关研究，既往工作多依赖TMS-EMG而非直接皮质测量。该项开创性研究在21名ALS患者与健康对照中应用单脉冲与新型抑制性配对脉冲范式，发现ALS患者的TEP形态存在显著改变，包括N100成分降低与P190成分升高，研究者将其解释为GABA能功能障碍与皮质去抑制的表现；此外，配对脉冲TMS-EEG显示N100的短间隔皮质内抑制降低，且与更长病程及更严重功能残疾相关。药理学TMS-EEG激发研究已明确TEP成分的生理基础：N100成分反映GABAB受体介导的皮质抑制，可被GABAB受体激动剂巴氯芬增强，同时也受局部GABA/谷氨酸平衡调节；180–190 ms左右的晚正性TMS诱发成分（P180/P190）常与N100共调制，被解释为皮质刺激后晚期抑制反应的一部分。更广泛的证据表明，基于TMS的抑制指标与TEP异常也在阿尔茨海默病、帕金森病等非阿尔茨海默痴呆等神经退行性疾病中被发现，支持TMS-EEG作为探测皮质功能障碍工具的通用价值，但晚期TEP可能部分受TMS线圈咔嗒声的听觉反应影响，未来研究仍需严格的掩蔽与假刺激对照程序。综上，这些发现首次提供了ALS中皮质中间神经元环路功能障碍的直接脑电图证据，支持皮质高兴奋性作为疾病核心病理生理特征，但该结论仍为初步结果，需在更大队列中重复验证。上述发现共同支持ALS皮质起源假说，也为进一步因果性探究皮质高兴奋性提供了依据，整合tFUS等新兴神经调控技术是极具潜力的实现路径。
4 利用联合tFUS-TMS范式解析ALS中的UMN信息
经颅聚焦超声（tFUS）是近年兴起的一种非侵入性神经调控技术，能够以高空间精度与深度穿透力调节神经活动与功能连接组，不同于传统无创脑刺激方法，tFUS可利用超声波靶向浅部与深部脑结构，分辨率达毫米级。tFUS协议的关键参数可从能量随时间递送的方式直观理解：基频（通常约200–700 kHz）指超声波振荡频率，类似声音的“音高”，影响声波穿透颅骨及与组织相互作用的效率；脉冲重复频率（PRF）描述每秒发放脉冲的频率，类似敲击的节奏；占空比指示每个脉冲周期内超声“开启”与“关闭”的时间占比，控制刺激的连续或间歇程度；声强（如空间峰值时间平均强度ISPTA）代表递送至组织的能量强度；此外还包括爆发长度、刺激间隔、总脉冲数等参数，共同决定递送至大脑的能量总量与时间模式。根据参数设置，tFUS可产生兴奋性或抑制性效应，是探测神经环路与检验神经生理学功能障碍因果机制的灵活工具。兴奋性tFUS协议通常采用较高占空比（30%–50%）、较高PRF（常>1 kHz）与短促声爆（200–500 ms），通过机械敏感离子通道驱动膜快速去极化，增加局部场电位、升高BOLD fMRI信号并促进谷氨酸释放，临床可用于卒中后运动康复或认知功能增强等神经康复场景；抑制性协议则采用较低占空比（5%–10%）、较低PRF（10–250 Hz）与较长、持续或间歇的声照射时长（10–60 s），通过激活GABA能通路或轻微生理性微热效应抑制 ongoing 神经活动，表现为MEP振幅降低与BOLD信号抑制，适用于下调ALS等多种疾病中的皮质高兴奋性脑状态。这一特性与ALS中皮质高兴奋性作为核心病理标志的证据高度契合。将tFUS与敏感TMS结局指标结合可构建强有力的实验与转化框架，成熟的TMS指标（如SICI、SICF及其他敏感TMS-EEG与TMS-EMG指数）可用于量化靶向皮质扰动效应，其中TMS-EEG指标在捕获中间神经元兴奋性与皮质抑制动态方面的独特价值尤其值得关注，对ALS的机制研究具有重要意义。在该框架下，抑制性tFUS协议联合tFUS前后的敏感TMS-EMG与TMS-EEG测量，可直接验证皮质功能障碍在ALS发病中的作用；若嵌入双盲、对照的实验或临床试验设计并结合临床与行为结局指标，该方法有望阐明疾病机制、优化生物标志物，并为降低运动皮质高兴奋性、潜在延缓疾病进展的治疗策略提供依据。更广泛而言，tFUS可同时调控皮质、皮层下环路及皮质脊髓与皮质-肌肉通路，为跨感觉运动系统多层面的因果互作研究提供了独特机会。整合互补的神经调控与神经生理学技术，未来研究可深化对ALS中上运动神经元功能障碍的机制认知，支持机制导向干预措施的开发。该转化框架已在正在进行的临床试验中得到体现，相关试验拟验证抑制性神经调控是否能在8周内改变运动皮质SICI，以及这种变化是否能在6个月内转化为ALSFRS-R评分的临床获益，进一步凸显联合tFUS-TMS方法在推动ALS研究与治疗开发中的潜力。
5 讨论
本综述梳理了神经生理学技术进步如何重塑对ALS的理解、诊断与病理生理认知。尽管影像与体液生物标志物近年来取得了重要进展，但其临床应用常受成本、侵入性及动态脑功能敏感性不足的限制。相比之下，神经生理学方法（尤其是TMS及其与EMG/EEG的整合）以毫秒级时间分辨率提供了观察皮质运动神经元功能、皮质兴奋性与可塑性的独特无创窗口。TMS与tFUS等新兴技术的结合有望加速这些方法从科研场景向临床应用转化。通过检测可能早于明显结构变性的细微网络水平功能障碍，这些技术有望在症状前或前驱阶段识别ALS，此时干预可能最为有效。UMN功能障碍的神经生理学生物标志物为解析ALS发病机制提供了关键线索，其中皮质运动神经元高兴奋性被认为是关键致病机制，可能通过顺向谷氨酸能过程驱动LMN变性，即死亡-向前假说。来自TMS-EMG研究（尤其是阈值追踪范式）的汇聚证据有力支持皮质起源假说：SICI降低作为皮质去抑制的标志，与LMN功能障碍及变性生物标志物相关，且早于LMN丢失，并与特定临床表型及疾病进展轨迹相关；皮质高兴奋性还与更快疾病进展、更严重功能损害及更短生存期一致相关。同时，反映高阈值易化性中间神经元网络活性增强的SICF升高也在ALS中被观察到，并与更显著的UMN功能障碍和功能下降相关。重要的是，皮质高兴奋性可稳定区分ALS与神经肌肉模拟疾病，不支持其仅为代偿性可塑性的解释。皮质高兴奋性因此可能是ALS多步致病框架中的关键上游事件，先于LMN变性发生，但ALS是遗传、分子与环境多因素交互导致的高度复杂疾病，谷氨酸介导的兴奋性毒性、氧化应激、自噬受损、RNA与脂质代谢紊乱、线粒体功能障碍、轴突运输缺陷、神经炎症反应异常及蛋白酶体功能受损等多种分子机制均参与其中，特定ALS相关基因突变驱动的蛋白聚集也增加了神经元易感性。啮齿类模型证据表明，皮质高兴奋性源于兴奋性与抑制性皮质神经元兴奋性改变，在时间上早于UMN结构性变性，可能在多步模型中代表先于并潜在驱动LMN变性的上游病理事件，但其究竟是原发触发因素还是致病级联的后期表现仍需确定。皮质高兴奋性还可能介导ALS的临床异质性：疾病常呈连续性扩散，起病部位UMN与LMN功能障碍一致，这可由区域皮质脊髓束支配密度差异及相应局部皮质运动神经元高兴奋性解释，TMS研究显示起病部位存在局灶皮质高兴奋性，转基因小鼠模型也证明TDP-43在UMN中的错误定位可通过顺向兴奋性毒性信号驱动脊髓运动神经元变性。近期一项TMS-EEG研究直接探测了ALS的皮质中间神经元功能，证实GABA能抑制环路存在局灶功能障碍，首次提供证据表明ALS皮质高兴奋性源于独立于LMN病理的皮质去抑制，且该功能障碍与更严重的临床残疾和更长病程相关，进一步支持皮质起源假说，并提示皮质高兴奋性是需要未来研究因果验证的、具有机制意义的ALS特征。
从诊断角度看，缺乏确诊性检测使ALS诊断本身极具挑战性，当前诊断依赖识别进行性上下运动神经元体征并排除模拟疾病。目前已制定多项临床与神经生理学诊断标准以促进更早、更明确的诊断，但修订的El Escorial与Awaji-Shima标准流程复杂，包含确定的、很可能的、可能的等多个诊断确定性层级，加之高度依赖UMN功能障碍的临床评估，导致敏感性有限且评估者间信度不佳。更新的Gold Coast标准简化了诊断，取消确定性分级，将ALS定义为单个身体区域同时存在上下运动神经元功能障碍，或两个区域存在LMN功能障碍且疾病进展，虽然敏感性有所提升，但UMN功能障碍的客观评估挑战依然存在。在此背景下，纳入SICI、SICF与TEP成分等客观神经生理学生物标志物可显著提升诊断准确性；三重刺激技术测量的TST振幅与面积比值也具有诊断价值，报道敏感性为54%–100%，还可帮助区分ALS与模拟疾病，检出近端传导阻滞。综合现有共识，建议未来ALS临床试验考虑纳入SICI、SICF和/或TEP测量，在可行情况下纳入TST指标，同时探索联合TMS与tFUS方法对皮质高兴奋性的因果检验。tFUS因可高空间分辨率靶向浅部与深部脑区而被推荐，在仅需粗略空间靶向的UMN探查场景中也可选用低频rTMS（通常1 Hz）与连续theta暴发刺激（cTBS）等其他无创脑刺激方案。同时必须认识到，这些技术在全面融入常规临床实践前仍需更多验证。
5.1 局限性
尽管无创脑刺激已在多种神经系统疾病中广泛应用，但TMS、TMS-EMG与TMS-EEG在ALS中的临床转化仍处于早期阶段。多数研究仅在少数高水平专科中心开展，限制结果的普适性。专用设备、软件与操作人员的专业要求阻碍了技术推广，尤其是TMS-EEG，也限制了评估者间、评估者内信度、变异度与跨中心标准化的系统性研究，迄今仅有一项ALS相关TMS-EEG研究发表也印证了该方法的起步状态。皮质兴奋性在ALS中具有疾病分期依赖性，提示TMS在皮质高兴奋性仍可可靠检出的早期阶段最具信息价值；随着疾病进展与运动神经元变性加剧，TMS的效用可能下降，极晚期可能记录不到皮质反应，因此疾病早期探查UMN功能障碍可提供更高的诊断与预后价值。阈值追踪TMS仅在少数专家实验室可用，限制了技术转化与常模参考值的建立，各中心缺乏标准化采集与分析方案也制约了可重复性与大规模实施。值得期待的是，商用TMS-EEG系统的上市与tFUS等新兴技术的发展，为提升可及性、可扩展性及多中心验证提供了机遇。最后需强调，ALS是高度复杂的多步神经退行性疾病，多数神经生理学证据来自感觉运动系统，但累积数据显示ALS存在更广泛的皮质功能障碍，除皮质靶点外还涉及皮层下、脑干与小脑结构：皮层下变性见于丘脑、尾状核、苍白球、海马与伏隔核；脑干病理包括皮质脊髓束与前额-脑桥束的局部萎缩与白质变性；小脑异常与运动及非运动表型相关，提示这些深部区域可能是tFUS的环路水平靶点，例如刺激丘脑皮质或小脑-丘脑通路可调控皮质兴奋性，tFUS作用于基底节环路可影响运动发起与网络同步。tFUS选择性调控这些网络中深部节点的能力兼具机制解析与治疗潜力。同时，全面理解皮质高兴奋性需要更广泛的网络视角，涵盖胼胝体间互作、大尺度脑网络、脑干环路与小脑的贡献，联合神经调控方法（如整合tFUS-TMS范式）可为纵向探测皮质与皮层下环路、同步测量敏感神经生理学生物标志物提供可行策略。
6 结论
来自UMN功能障碍神经生理学标记的汇聚证据支持ALS皮质起源理论，SICI降低与SICF升高作为皮质高兴奋性的互补、可重复测量指标得到验证。这些发现凸显皮质高兴奋性是ALS的核心病理生理特征，并强调需采用联合tFUS-TMS范式等转化方法开展进一步因果机制研究。鉴于当前临床结局指标的局限性，未来ALS临床试验纳入基于客观神经生理学的生物标志物（包括TMS-EMG和/或TMS-EEG指标）作为主要终点，有望提升敏感性、深化机制认知并加速治疗研发进程。
