人脑、脊髓和肌肉网络中的相干振荡

《Current Biology》：Coherent oscillations across the human brain, spinal cord, and muscle network

　　

自愿性人类运动源于大脑、脊髓和感觉传入之间的动态相互作用。由于脊髓的解剖位置深且直径狭窄，其功能在人类中采用非侵入性方法研究特别困难。因此，研究人员常通过皮质-肌肉耦合来研究感觉运动相互作用，但这只能捕捉大脑与肌肉之间的相互作用，而无法揭示这些信号如何通过脊髓传播。在本研究中，研究人员使用光学泵浦磁力计（OPMs）和肌电图（EMG）进行同步脑和脊髓成像，以检验人感觉运动系统内的内源性同步是否能够在皮质、脊髓和肌肉水平上被非侵入性检测和表征。参与者（n = 9）执行持续等长手部收缩，同时研究人员使用OPMs记录皮质和脊髓磁场，使用EMG记录手部肌肉活动，并比较通过皮质-脊髓-肌肉环路传播的节律活动与静息状态。研究人员发现，脊髓对皮质-肌肉耦合的贡献表现为10–35 Hz的相干活动，连接对侧感觉运动皮质、颈髓和肌肉。这种同步化形成了一个分布式的、双向相互作用的网络，具有生理学上合理的时间延迟。该活动的空间组织与已知的感觉运动解剖学一致，定位于适合上肢控制的颈段。研究人员的结果提供了人类脑和脊髓相干振荡的首次直接、非侵入性磁场证据，并证明了同步时空分辨中枢神经系统成像的可行性，为研究人感觉运动生理学开辟了新途径。

**论文解读：人脑、脊髓和肌肉网络中的相干振荡**

**研究背景与问题**
自愿性运动控制依赖于大脑、脊髓和肌肉之间的动态相互作用。脊髓作为整合感觉传入与下行运动指令的中枢结构，对精细调节运动神经元活动至关重要。然而，由于脊髓解剖位置深、直径小，且受脑脊液搏动等生理运动影响，非侵入性研究其神经活动一直面临巨大挑战。以往研究多依赖皮质-肌肉相干性，通过脑电图（EEG）或脑磁图（MEG）与肌电图（EMG）的耦合间接推断脊髓的参与，但无法直接观测脊髓层面的信号传播与处理。动物实验虽已记录到脊髓局部场电位（LFP）与肌肉活动的相干性，但在人类中缺乏非侵入性验证。因此，研究人员开展本研究，旨在利用新型光学泵浦磁力计（OPMs）实现脑与脊髓的同步成像，直接检测人感觉运动系统中皮质、脊髓和肌肉三层次的节律同步性，并解析其空间、时间及方向性特征。该论文发表在《Current Biology》上。

**关键技术与方法**
研究人员采用定制化的3D打印刚性扫描支架，将64个三轴光学泵浦磁力计（OPMs）布设于参与者头皮、颈部、胸部和背部，同时记录脑磁图（MEG）和脊髓磁图（MSG），并结合表面肌电图（EMG）记录右手拇指外展短肌（APB）的活动。参与者为9名健康右利手个体（其中7人提供有效脑数据，9人提供脊髓数据），在磁屏蔽室中仰卧，交替进行2分钟弱持续拇指收缩和2分钟静息。数据预处理包括均匀场校正（HFC）、合成梯度计、信号空间投影（SSP）去除心电伪迹。源定位采用动态成像相干源（DICS）波束成形，计算10–35 Hz频段内EMG与脑及脊髓源活动的相干性。方向性和时间延迟通过非参数定向相干和累积密度函数（ρ）分析。为验证空间特异性，采用置换检验（500次）进行单参与者统计推断，并基于贝叶斯流行率推断评估群体效应。

**研究结果**
**1. 肌肉活动与对侧感觉运动皮质相干**
通过DICS波束成形，研究人员发现右手拇指EMG与左侧感觉运动皮质在10–35 Hz频段存在显著相干性。参与者1的相干源定位明确，群体水平流行率图显示左侧感觉运动皮质（MNI ?57, ?32, 31）为最高一致性区域。7名参与者中有6人表现出显著皮质-肌肉相干性，估计群体流行率为0.85（95%最高后验密度区间[0.50–0.99]）。该结果首次用OPM复制了经典的皮质-肌肉相干性，验证了方法的有效性。

**2. 肌肉活动与颈髓相干**
脊髓-EMG相干性分析显示，参与者1的显著相干区域覆盖颈髓C5-C6节段，群体水平在C7椎体附近一致性最高。9名参与者中有7人表现出显著脊髓-EMG相干性，估计群体流行率为0.77（95% HPDI: [0.45–0.95]）。源方向以背腹侧为主，符合从背角（感觉传入）到腹角（运动神经元池）的电流分布。置换检验和敏感性分析支持该空间定位的稳健性，排除了肌肉伪影或重建偏倚的可能。

**3. 网络耦合为双向且具有解剖有序延迟**
从脑-EMG和脊髓-EMG相干性获得的感兴趣区提取虚拟电极后，研究人员计算了脑-脊髓相干性。7名参与者中有4人表现出显著脑-脊髓相干性，流行率估计为0.55（95% HPDI: [0.22–0.84]）。定向相干分析显示，10–35 Hz频段内大脑、脊髓和肌肉之间存在双向交互（下行和上行），符合感觉运动反馈环路。累积密度函数峰值延迟符合解剖学顺序：脑-EMG延迟最长（中位数39 ms），脑-脊髓延迟最短（中位数8 ms），脊髓-EMG延迟居中（中位数12 ms），与预期传导时间一致。部分相干和峰值频率比较表明，脊髓并非简单被动中继，而是主动参与振荡信号的加工与转换。

**4. 神经功率变化不能解释相干效应**
控制分析显示，脊髓和感觉运动皮质在10–35 Hz频段的频谱功率在收缩与静息条件间无显著差异（组水平），排除了功率变化导致相干性变化的可能性。

**总结与讨论**
本研究首次通过非侵入性磁场记录（OPM-MEG和MSG）直接证明了人皮质、颈髓和肌肉之间10–35 Hz的相干振荡，形成一个分布式的、具有解剖学基础的时空网络。研究人员指出，该发现为理解脊髓在感觉运动耦合中的作用提供了新框架，并可用于研究脊髓损伤、颈椎病、运动神经元疾病等病理状态下的脊髓功能障碍。讨论部分强调，尽管脊髓信号可能混合了下行皮质脊髓驱动、固有脊髓网络活动、感觉传入和运动神经元群体动态，但当前方法能够检测其总和节律，未来可通过系统操控分离各贡献。此外，研究局限性包括：使用单一参与者的解剖模型进行通用前向建模，未纳入个体解剖差异；呼吸运动影响较小；未来需结合高密度EMG和单运动单位分解以进一步提高特异性。

**研究结论**
本研究中，研究人员证明，利用磁场记录和EMG可以非侵入性地检测和表征人类皮质、颈髓和肌肉水平上的节律性感觉运动相互作用。这种10–35 Hz的相干活动形成一个分布式的、具有时间结构的网络，其组织沿人脑-脊髓-肌肉通路具有解剖学基础。这些发现建立了一个直接测量人类感觉运动耦合中脊髓网络参与的框架，并实现了对大脑-脊髓-肌肉轴上中枢神经系统动力学的时空分辨研究。