初级体感皮层至初级运动皮层微观结构连接预测mu节律相位对皮质脊髓兴奋性的影响：一项EEG-TMS研究

《Human Brain Mapping》：Primary Somatosensory to Motor Cortex Microstructural Connectivity Predicts the Mu-Rhythm Phase Effect on Corticospinal Excitability: An EEG-TMS Study

　　

感觉运动mu节律相位可调节皮质脊髓兴奋性，但mu相位对经颅磁刺激（TMS）诱发运动诱发电位（MEP）的影响在个体间存在显著变异。初级运动皮层（M1）与初级体感皮层（S1）之间的结构连接可能解释效应强度的变异性。研究人员考察了S1–M1微观结构连接是否与MEP振幅上的mu相位效应强度相关。共计28名受试者完成了扩散磁共振成像（dMRI）与脑电图（EEG）–TMS实验。研究人员进行了S1与M1之间的纤维束示踪，从S1–M1纤维中提取了定量各向异性（QA）及扩散张量成像（DTI）指标包括分数各向异性（FA）、径向扩散率（RD）、轴向扩散率（AD），同时提取了神经突方向离散度与密度成像（NODDI）指标。对左侧M1施加单脉冲TMS，根据刺激前EEG计算mu相位，并从右手肌肉计算MEP振幅。mu相位效应强度采用mu相位与MEP振幅的圆形–线性相关来量化。研究人员使用Spearman相关评估dMRI指标与mu相位效应强度的关系，并进行全脑相关束示踪探索与mu相位效应强度相关的其他纤维束。结果显示，较高的S1–M1定量各向异性与左右半球MEP振幅上更强的mu相位效应相关（左：ρ=0.384，p=0.044；右：ρ=0.409，p=0.032）。探索性全脑相关分析识别出与mu相位效应强度相关的额外纤维束。结论是，S1–M1微观结构连接影响mu相位对皮质脊髓兴奋性的调制，S1–M1之间的通讯对有效的相位依赖TMS十分重要，dMRI可用于预测个体相位依赖TMS的潜力。

该研究发表于《Human Brain Mapping》。近年来脑状态依赖刺激被越来越多地用于降低非侵入性脑刺激效应的变异性并提升疗效，其中感觉运动mu节律相位是重要的脑状态指标：当TMS作用于M1处于mu节律波谷或早上升支相位时，可诱发更大的运动诱发电位（MEP），对应高皮质脊髓兴奋性状态；波峰对应低兴奋性。然而mu相位效应在单被试水平变异性很大，仅约半数受试者表现出显著效应，部分研究甚至未观测到显著效应。造成变异的原因可能与脑结构差异有关，尤其是初级体感皮层（S1）与初级运动皮层（M1）之间的结构连接，因为既往EEG证据表明mu节律相位从S1提取比从M1提取更能预测皮质脊髓兴奋性，提示S1至M1的特定神经通路可能介导该效应。若S1–M1通路微观结构完整性影响mu相位对MEP的调制强度，则可用扩散磁共振成像（dMRI）预测个体相位依赖TMS的潜力。为此研究人员在健康成人中检验了左右半球S1–M1U形纤维的dMRI微观结构指标与mu相位效应强度的关系，并借助全脑相关束示踪探索其他相关通路。

关键技术方法方面，样本为28名右利手健康成人，分别完成一次MRIsession（3T Prisma，多壳扩散加权方案b=900、1600、2500 s/mm²）与一次EEG–TMS实验session：TMS单脉冲施于左侧M1手热点（强度110%静息运动阈值RMT），同步记录右侧首骨间背侧肌（FDI）和拇短展肌（APB）EMG以获取MEP振幅，EEG采用TMS兼容帽（64或128通道，采样5kHz），C3-Hjorth滤波提取9–13Hz mu节律相位（PHASTIMATE工具箱），mu相位效应强度量化为相位与lnMEP的圆形–线性相关系数r；dMRI预处理用DSIStudio及FSL topup/eddy，重建采用广义q采样成像（GQI，扩散采样长度比1.25），S1–M1 U形纤维束示踪以Brainnetome图谱划定ROI（M1：PrG_6_1-6 & PCL_2_1-2；S1：PoG_4_1-4），S1为种子区M1为终止区，参数角阈值45°、步长0.5mm、长度20–200mm、10万种子、4次拓扑修剪；提取定量各向异性（QA）、DTI指标（FA、RD、AD）及NODDI指标（方向离散指数ODI、神经突密度指数NDI、各向同性分数F_iso）；统计上用Spearman相关检验指标与mu效应r的关系（先验假设未校正多重比较），全脑相关束示踪采用非参Spearman偏相关（QA/FA与mu效应），FDR校正（p<0.05），阈值T≥2.0、长度≥20 voxel、8次拓扑修剪、4000次置换估计FDR。

3 Results（结果）分为三个小节。3.1 Mu-Phase Effect Strength（mu相位效应强度）：全体受试者mu相位效应强度均值±标准差为0.065±0.037，范围0.021–0.141，Rayleigh检验确认相位试验分布均匀。3.2 S1–M1 U-Shaped Fibers（S1–M1 U形纤维）：mu相位效应强度与左右半球S1–M1 U形纤维的定量各向异性（QA）呈显著正相关（左：ρ=0.384，p=0.044；右：ρ=0.409，p=0.032）；FA、RD、AD在任一半球均无显著相关；NODDI指标（ODI、NDI、F_iso）也无显著相关。3.3 Whole-Brain Tractography（全脑束示踪）：探索性分析发现，mu效应强度与定量各向异性（QA）及分数各向异性（FA）在多个通路呈显著正相关（FDR校正p<0.001），包括胼胝体峡部（forceps minor）、左侧皮质脊髓束、左侧上纵束Ⅰ、左侧旁海马顶叶纤维；FA还在右侧中纵束、毯部（tapetum）、胼胝体压部（forceps major）、中小脑臂纤维呈正相关。负相关问题QA与FA在右侧扣带回旁嗅纤维（QA p<0.001，FA p=0.001），以及QA在左侧扣带回额旁海马纤维（p<0.001）。

讨论部分总结如下：研究证明S1–M1微观结构连接（以QA为指标）影响mu相位对M1区TMS诱发MEP的调制强度，且该关系在刺激对侧（左）与非刺激对侧（右）半球均存在；QA反映纤维束内各向异性扩散水密度，与轴突密度和组织有序度相关，而DTI指标不显著可能因S1–M1 U形纤维存在交叉纤维、GQI优于DTI所致，NODDI侧重组织成分建模因而对连接映射不敏感。结果支持S1来源mu节律相位通过S1–M1直接U形纤维（也可能含间接丘脑皮层通路）影响M1皮质脊髓神经元兴奋性：更高QA意味着S1–M1通讯效率更高、相位锁定更强，从而在S1 mu节律波谷（对应皮层去极化态）时向M1传递更强兴奋性输入，放大TMS诱发的MEP。全脑相关还识别出皮质脊髓束、上纵束Ⅰ等与mu效应正相关，提示下游输出通路及顶额感觉运动整合通路的微观结构也参与调制；皮质脊髓束完整性尤其可能在损伤人群（如卒中）中成为预测因子。负相关的扣带回纤维意义尚不明晰。局限包括U形纤维示踪难度与手动修剪偏差、MRI与TMS session间隔未标准化、圆形–线性相关假设正弦关系可能不精确、亚组协议差异等。结论部分原文总结为：S1与M1之间的结构连接影响感觉运动mu相位对M1区TMS诱发MEP振幅的调制强度，其他白质通路也可能与mu相位效应强度相关；研究结果提供证据表明S1–M1结构连接（反映两节点间直接通讯）与健康成人相位依赖TMS的有效性相关联。