经颅磁刺激中线圈方向对运动诱发电位大小的影响超过其对时机或波形形状的影响

《Brain Topography》：Coil Orientation in Transcranial Magnetic Stimulation Affects Motor-evoked Potential Size more than its Timing or Waveform Shape

　　

经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation, TMS）诱导的运动诱发电位（Motor-Evoked Potentials, MEPs）振幅主要受刺激线圈方向影响，而其对该MEP其他特征的影响尚不清楚。据此，研究人员研究了TMS线圈方向如何影响一套全面的MEP特征，包括其大小、时机、持续时间和多相性（polyphasia）。研究人员招募了九名健康志愿者。对左半球第一骨间背侧肌热点施加了三次单脉冲TMS会话。在该位置相对于预定义的最优刺激角度将线圈从?135o旋转至135o。前两次会话在相同热点进行，第三次在重新映射的热点进行。进行了四个层面的分析：会话内、会话间、受试者间以及从所有MEP分组得出的特征。MEP的时机相关特征受线圈方向影响最小，且为每个受试者所固有，而其大小相关特征在受试者间差异显著。每个数据集MEP波形的前两个主成分（Principal Components, PCs）占总体变异的91.3% ± 3.0%，表明MEP波形的会话内一致性。MEP波形在会话内和会话间具有可比性，在受试者间略有不同。本研究全面分析了线圈方向如何影响MEP特征波形形态，并补充了先前仅评估对MEP峰峰值振幅和起始潜伏期影响的的研究。大小相关的MEP特征随线圈方向变化，这可能改变了皮质靶点的有效刺激强度，而时机相关特征和主导波形形态受影响较小。此外，MEP波形在受试者各会话间高度一致，在受试者间仅略有不同，表明健康受试者具有较高的访视内可重复性。

该研究发表于《Brain Topography》。目前经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation, TMS）诱导的运动诱发电位（Motor-Evoked Potentials, MEPs）量化中，振幅主要受线圈方向影响这一认知较为明确，但线圈方向对MEP其他特征如时机、持续时间及多相性等的影响尚不明确。既往研究多集中于MEP峰峰值振幅和起始潜伏期，缺乏对波形形态及其他特征的系统表征，且在健康个体不同刺激条件下MEP波形特征、时机和大小相关特征的规范性模式尚未建立，限制了其在临床人群中的解读。为此，研究人员开展研究探讨TMS线圈方向对MEP大小、时机、持续时间及形状等特征的影响，并通过主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）检验MEP波形跨会话和受试者的一致性，同时评估不同线圈方向下的MEP诱发倾向，以补充现有研究的不足并明确线圈方向对皮质运动反应的综合影响。

研究人员招募九名健康右利手志愿者（6名女性，年龄21–29岁），获取T1加权结构磁共振图像，使用带有八字形线圈的导航TMS刺激器和六通道肌电图（Electromyography, EMG）设备，记录右侧第一骨间背侧肌表面EMG。定位皮层运动代表区热点并估计最优线圈方向R₀，测定静息运动阈值（resting motor threshold, rMT），进行三次单脉冲TMS会话，刺激强度为120% rMT，线圈在?135o至135o范围内旋转。离线用MATLAB预处理EMG数据，提取MEP特征包括峰峰值振幅（Amp）、起始潜伏期（Lat）等，进行会话内、会话间、受试者间及组水平的统计分析，采用高斯拟合研究线圈方向对Amp的影响，对归一化MEP数据集进行PCA评估波形一致性。

Feature Variation and Its Relation to Coil Orientation

研究人员通过分析不同层面MEP特征变异及其与线圈方向的关系得出结论：大小相关特征Amp、AUC、SizeIndex、T1A、T2A在会话内和组水平强相关（r > 0.90, p < 0.001），选用Amp作为代表。会话内T1T、T2T和Lat受线圈方向影响最小，qCoV最小，其他特征变异大；会话间除相位数为2的比例（f_{NP = 2}）外多数特征中位数差异显著，R₀会话间变异较大（23.8o ± 15.8o），而Amp高斯拟合的最优方向变异较小（6.6o ± 4.9o）；受试者间Lat、T1T、T2T具有优异组内相关系数（Intraclass Correlation Coefficient, ICC），Amp的ICC无统计学意义（p = 0.395），表明时机特征具受试者特异性且稳定，大小特征变异大；组水平显示iDur-Amp、T1T-T2T、Lat-T1T、iDur-Thickness具良好线性关系，Amp与Lat相关性低。

MEP Morphology versus Coil Orientation

研究人员通过MEP形态与线圈方向的分析发现，健康受试者中具两个转折点（turns）和两个相位（phases）的MEP占比高（f_{NT = 2}为81.1 ± 9.3%，f_{NP = 2}为93.7 ± 3.8%），复杂MEP比例受试者间异质但会话内一致。归一化MEP前两个主成分（PC1和PC2）占各数据集总变异91.3 ± 3.0%，表明会话内波形一致；PC1和PC2会话间互相关系数分别为0.98 ± 0.01和0.90 ± 0.10，受试者间为0.93 ± 0.04和0.72 ± 0.19，说明波形跨会话高度一致、受试者间略有差异。

MEP-Induction Tendency at Different Coil Orientations

研究人员分析不同线圈方向MEP诱发倾向得出，双高斯拟合显示MEP最易在相对于R₀（距矢状线56.7o ± 11.5o）的-21.0o至33.6o窗口内诱发；受试者层面不一致，3/9受试者在R₀±10.0o内诱发最多，6/9在R₀外26.0o ± 11.1o更频繁，最高MEP诱发数出现在R₀约30o而非R₀处。

讨论部分指出，既往认为最优方向R₀可能优先激活锥体轴突产生D波，倾斜角度经突触激活产生I波使潜伏期延长1–2 ms；本研究会话内Amp与Lat呈中度负相关与此框架一致，但表面EMG无法区分D波及I波贡献。Amp-线圈方向曲线常呈双峰，可能因多重最大Amp位点或线圈垂直M1时暴露皮层体积较少，部分会话双峰形状不一致。T1T受线圈方向影响最小、qCoV低且ICC高，表明无论线圈方向如何最显著MEP峰值同步出现，提供皮质脊髓通路状态额外信息。恒定高强度下MEP诱发倾向与Amp值无关，复杂MEP约在R₀30o处更常见，可能因电场与白质各向异性错位减少轴突直接激活，同时覆盖更多沟回灰质激活附加皮层区域，但需硬膜外记录确认。MEP形态高度一致，前两个PC占各会话超90%总变异，构成可靠形态描述基，跨会话和受试者相关性高，PC2跨受试者相关性略低反映波形细微差异。研究局限包括导航维持线圈位置和倾斜、限于八字线圈和双相脉冲、单次访视内一致性、样本小且人口学窄限制外推性。

结论部分翻译：总体而言，本研究全面分析了TMS线圈方向对MEP特征及波形的影响。时机相关特征对线圈方向更具稳健性，而大小相关特征随线圈旋转显著变异，这可能部分反映时机特征更强的稳健性，但旋转线圈固有地改变皮质靶点有效刺激强度，可能解释大小相关特征部分变异。尽管如此，复杂MEP最常出现在约优于最优方向30°处以及波形形态跨会话受试者特异性一致性表明，线圈方向对MEP波形属性的影响超出单纯有效刺激强度降低的预期。值得注意的是，最多MEP出现在R₀约30o而非产生最显著MEP的R₀处。此外，大多数记录MEP跨会话和受试者波形高度相似，表明健康个体具有高的访视内一致性。总之，这些发现强调了在表征线圈方向对皮质运动反应影响时，除峰峰值振幅外检查全套MEP特征及波形形态的价值。