手动不对称性与大脑皮层调节：运动控制与大脑半球间连接性的关系

《Behavioural Brain Research》：Manual asymmetries and cortical modulation: relationships between motor control and interhemispheric connectivity

　　摘要
手动在目标导向瞄准中的不对称性与大脑半球之间的相互作用有关，然而目前尚不清楚通过实验性调节半球活动是否能够同时改变运动行为和半球间的功能耦合。我们研究了针对初级运动皮层进行双侧经颅直流电刺激（tDCS）如何调节瞄准过程中的手动不对称性和半球间连接性。十二名健康的右利手男性成年人完成了一个包含三个阶段的实验：主导半球抑制（DHI；阴极位于C3/阳极位于C4）、非主导半球抑制（NDHI；阴极位于C4/阳极位于C3）以及假刺激。在每个阶段中，参与者在20分钟的tDCS治疗前后都使用双手完成目标导向瞄准任务。行为结果包括反应时间、运动时间、响应时间、空间精确度（径向误差）、运动学参数（峰值速度；达到峰值速度的相对时间）以及在线控制指标（不连续性数量和首次子运动误差）。通过连续记录脑电图（EEG），并在准备和执行阶段测量了运动区域之间的高阿尔法波段耦合。tDCS产生了选择性的行为效应，包括条件依赖性的反应时间变化和响应时间不对称性变化、达到峰值速度的相对时间的调节，以及在DHI条件下运动不连续性的增加，而运动时间和几个精确度指标变化很小。在准备阶段，半球间耦合基本保持不变；然而，在执行阶段，出现了明显的条件×手部交互作用，NDHI条件下的耦合变化和不对称性增加。这些发现表明，双侧tDCS可以差异化地影响运动执行过程中的半球间功能耦合，并调节瞄准的特定时间/运动学成分，对整体运动时间和终点精确度的影响有限。

引言
手动表现的不对称性指的是对对侧同源身体部位控制的差异，这种差异体现在运动行为的各个方面[1]。这些不对称性主要归因于大脑半球的专业化[2]，即每个大脑半球在特定类型的感知-运动处理方面的相对能力[3][4][5]。
大脑半球展现出不同的处理能力[6]。在右利手者中，左侧（主导）半球主要负责视觉和本体感觉反馈的整合以及顺序运动的组织[7][8]。相比之下，右侧（非主导）半球在运动执行前的视觉空间处理中起核心作用[9][10]。因此，非主导半球在运动准备的视觉空间方面更为活跃，而主导半球在运动执行方面更为熟练，包括速度、终点精确度和误差校正，这符合众所周知的右利手优势[6][11][12]。这些功能差异不应被解释为绝对的分工，因为运动准备和执行依赖于双侧神经网络。相反，它们表明每个半球在运动控制的特定组成部分中的贡献存在相对差异。
手动不对称性在指向任务中已被广泛研究[11][12][13][14][15][16]。根据Woodworth[13]的观点，指向任务包括初始冲动阶段，此时手尽可能接近目标[17]；第二阶段是当前控制，接近目标时变得更为显著[18]，这种控制由相对较慢且可能更依赖于反馈的运动组成[19]。峰值速度的运动学测量被用来评估这两个阶段的相对贡献[18]。峰值速度之前的时间间隔反映了初始冲动（或预编程阶段）的特性[20]，而峰值速度之后的时间间隔对应于当前控制（或反馈阶段）[14]。这一框架突出了左右手的功能差异：左手被认为更依赖预先规划和预编程控制，而右手则受益于更高效的在线、基于反馈的调整[4][5][12]。Fernandes等人[12]扩展了Woodworth[13]的模型，加入了空间测量来阐明预编程和反馈的机制。通常，目标导向瞄准任务的空间精确度通过最终位置误差或径向误差来推断[14]。然而，Fernandes等人[12]计算了达到峰值速度时的位置误差，以获得预编程阶段的空间精确度。结果显示，右手在达到峰值速度时的位置误差比左手更大；从空间角度来看，左手的预编程阶段表现更好。相反，如果右手产生的最终位置误差小于左手，那么右手的视觉反馈阶段比左手更有效。尽管右手最初停止的位置更远（预编程阶段），但它通过视觉反馈更有效地进行了校正，从而更接近目标。因此，Fernandes等人[12]报告的新行为测量进一步证实了左手在预编程阶段相对更高效，而右手在通过视觉反馈进行的在线调节方面表现出更高的熟练度。
此外，Fernandes等人[12]还发现，在右手运动期间，半球间的抑制作用增强（由半球间功能连接性指数表示）。基于先前的证据表明右手运动可能伴随着更强的半球间抑制性相互作用，作者提出这种增加的连接性可能反映了与有效利用视觉反馈相关的神经机制。因此，作者解释说，而不是直接证明，增强的半球间抑制作用是视觉反馈控制机制更活跃的潜在机制。这种解释产生了一个可检验的神经生理学预测：实验性地调节两个半球的相对兴奋性应同时改变半球间通信和与基于反馈的控制相关的行为不对称性。
另一种测试视觉反馈控制机制下半球间抑制作用假设的方法是调节半球皮层活动。例如，经颅直流电刺激（tDCS）可以减少来自主导半球的抑制性影响，从而增强半球间通信并改善左手的表现（主导半球抑制条件，即DHI[11][21][22][23][24]）。同样，tDCS可以减少来自非主导半球的抑制性影响，从而增强半球间通信并改善右手的表现（非主导半球抑制条件，即NDHI）。例如，Fernandes等人[11]证明NDHI条件减少了反应时间的不对称性，而DHI条件增加了运动时间的不对称性。尽管有这些发现，仍不清楚tDCS引起的表现变化是否直接由半球间通信的改变所介导。脑电图（EEG）一致性提供了一个量化皮层区域间功能耦合的宝贵工具[25]。然而，皮层调节在多大程度上改变半球间通信以及这种变化如何影响手动不对称性仍有待澄清[21][26]。因此，虽然行为预测基于先前报道的手部和实验设置特定效应，但一致性预测则是从理论上扩展了半球间抑制的解释。换句话说，神经生理学假设是有方向性的，但基于连接皮层调节、半球间通信和手动控制的推断模型，而不是基于每个实验设置与特定一致性模式之间已经建立的对应关系。
在本研究中，我们探讨了在瞄准任务执行过程中，对初级运动皮层施加tDCS是否能够调节手动不对称性和半球间通信。具体来说，我们研究了抑制主导半球或非主导半球对行为和神经生理学指标的影响。我们假设tDCS以依赖于半球的方式选择性地调节手动不对称性。特别是，我们预计NDHI条件会减少反应时间的不对称性，而DHI条件会增加运动时间、响应时间和径向误差的不对称性。在神经生理学层面，我们还预期NDHI会增加右手运动期间的半球间一致性，而DHI则会以相反的方向调节半球间一致性。最后，根据半球专业化的模型，我们假设右手和左手将依赖不同的控制策略，右手更依赖于在线、基于反馈的控制，而左手则依赖于预编程的运动控制，并且这些策略会受到半球特异性刺激的不同影响。

参与者
样本由年龄在18至37岁之间的健康个体组成（平均年龄：25岁），他们是拥有正常或矫正视力的男性大学生。我们使用R语言中的pwr包进行了功效分析（pwr package; CRAN）来估算所需样本规模。假设alpha水平为5%，效应大小为0.60，统计功效为0.90。这些参数基于Fernandes等人（2024年）的研究。分析建议样本规模为15.58名参与者。

反应时间
在比较不同条件和手部对反应时间（RT）的影响时，观察到显著的条件×手部交互作用[X2(1.99) = 2.65, p <.01, r = 0.22]。事后分析发现了两个主要结果：（1）在左手（LH）中，DHI条件导致RT的增加幅度大于SHAM条件（p =.01）；（2）在SHAM条件下，右手（RH）的RT增加幅度大于左手（p =.04）（图4A）。

讨论
本研究的结果扩展了对瞄准任务执行过程中手动不对称性和半球间通信动态的理解。总体而言，刺激类型似乎调节了皮层兴奋性，影响了主导手和非主导手之间的时间变量，如反应时间（RT）和响应时间（RespT），但没有影响空间执行变量，如首次子运动的径向误差（RE1）和总径向误差（RE）。

资助声明
本研究未获得公共部门、商业部门或非营利部门的任何特定资助。资金来源在研究设计、数据收集、分析或解释、论文撰写或决定提交发表方面没有发挥作用。

未引用的参考文献
[31]CRediT作者贡献声明
Lidiane Aparecida Fernandes：撰写——初稿、方法论、调查、正式分析、概念化。
Tércio Apolinário-Souza：软件、方法论、调查、正式分析、概念化。
Guilherme Menezes Lage：监督、资源、调查、概念化。
Lucas Eduardo Antunes Bicalho：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿。
Marco Ant?nio Cavalcante Garcia：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本手稿中报告的工作。作者已完成期刊的利益冲突声明要求，并确认没有需要披露的利益冲突。没有任何作者与可能不恰当地影响或偏见研究 conduct、解释或结果的个人或组织有财务或个人关系。

Lidiane Aparecida Fernandes
Tércio Apolinário-Souza
Lucas Eduardo Antunes Bicalho
Marco Ant?nio Cavalcante Garcia
Guilherme Menezes Lage
巴西米纳斯吉拉斯州Ouro Preto联邦大学（UFOP）体育系，邮编：35.400-000