文摘

时间干扰(TI)可能会刺激深层运动皮层和诱导运动而不影响大脑皮层在以前的鼠标的研究。然而,仍然有缺乏证据TI在人类的潜在影响的研究。为了填补这一空缺,我们静息状态功能磁共振成像数据收集40之前和期间健康的年轻参与者TI刺激左侧初级运动皮层(M1)。我们也选择了一种广泛使用的模拟方法(tDCS)作为基线条件。在刺激的会话中,参与者被随机分配到2马TI tDCS 20分钟。我们使用seed-based整个大脑相关分析方法量化不同脑区之间的功能连接的强度。我们的研究结果表明,钛和tDCS显著提高之间的功能连接强度M1和次级运动皮层(前运动皮层和辅助运动皮层)。这是第一次证明大量的TI在人类大脑的刺激效应。

1。介绍

无创性脑刺激的神经调节效应技术neurorehabilitation在科学和临床社区得到了极大的关注。它有一个显著的效果,被广泛用于优化电机控制,运动学习,和治疗motor-related神经精神疾病,如帕金森病和卒中后康复1- - - - - -5]。普遍的无创性脑刺激方法包括经颅磁刺激(TMS)、经颅直流电刺激(tDCS)和经颅直流电刺激(tac)。例如,tDCS被认为是一个有前途的潜在生力的方法在神经调节6- - - - - -8]。一个全新的无创性神经刺激method-temporal干扰(TI)是最近开发的,但其实际效果仍需测试之前广泛和深入广泛接受。为此,在这里,我们的目标是调查TI是否有效地提高人类的运动皮层,相比之下,tDCS。

先前的研究已经表明,tDCS产生有效的神经调节通过应用低强度电流(1 - 2 mA)交付给头皮。高度polarity-dependent神经调节的影响。阳极的tDCS功能增加初级运动皮层的大脑皮层兴奋性(M1),而阴极的tDCS导致减少皮质兴奋性通过交替静止膜电位(9,10]。符合皮质兴奋性的调制,阳极的tDCS刺激M1改善侧手的运动行为,而阴极的tDCS刺激M1导致侧手功能无效(3,11]。

核磁共振(fMRI)想象技术提供了重要的洞察力探索tDCS的机制对大脑功能的影响(11,12]。最近的研究表明,tDCS增加静息状态功能连通性和post期间刺激(13,14]。Mondino和他的同事们(13)将tDCS的神经调节作用与虚假的条件,发现tDCS增加左背外侧前额叶皮层之间的静息状态的功能连通性和双边顶叶区域。此外,Polania et al。14]应用阳极的tDCS每个单独的左M1和发现之间的功能连接增强左somatomotor皮层(SM1)和运动前区和顶叶区域。这些功能连通性变化引起的tDCS可能与相关的大脑区域的神经可塑性改变。此外,研究Sehm et al。11)认为tDCS可能调节与M1皮层和两半球间的连接使用seed-based分析。然而,当前tDCS技术目前仅限于低强度的安全指南(15,16),不能局部刺激更深的大脑区域。

为了解决这个问题,格罗斯曼和他的同事们发现了一种新的非侵入性神经刺激策略,称为“时间干扰(TI)。“它可以实现更深和焦刺激而不影响相邻的脑区。这种策略应用两个渠道有稍微不同的高频交流电。单通道的频率太高,激活神经放电,但信封电场的频率由两个渠道足够低,局部激活神经活动。例如,格罗斯曼和他的同事应用2 kHz和2.01 kHz刺激小鼠的运动皮层。生成的两个渠道一个低频(10 Hz)信封电场引发神经发射和小鼠的运动的前脚掌和胡须15- - - - - -17]。然而,据我们所知,目前仍缺乏研究出版TI研究健康的成年人。为了填补这一空缺,我们设计本研究比较TI的神经调节效应和tDCS在刺激M1在健康成年人和分析在线TI和tDCS对大脑功能连通性的影响在整个大脑。选择tDCS作为基准的原因是tDCS是一个可靠和健壮的刺激技术,已被广泛报道的文献。我们假设TI和tDCS刺激都将加强M1和相关脑区之间的功能连接。

2。方法

2.1。参与者

40名健康的年轻成年人(31男性,年龄: 年;9个女性,年龄: 年)在本研究招募了。入选标准如下:(1)所有参与者应该右手(爱丁堡偏手性库存;奥德菲尔德,1971年)(2)年龄:35岁;和(3)没有神经系统的历史,心理障碍,或运动功能障碍。排除标准如下:(1)个人对使用tDCS和禁忌症(2)参与者金属植入物植入/电气设备被排除在外。所有的参与者被告知这个实验的各个方面,提供知情同意前参与。实验过程的机构审查委员会批准上海大学体育(102772020 rt116)。注册临床试验的研究ChiCTR2100052866。

2.2。试验协议

本研究是一个随机交叉,双盲设计。每个参与者完成两次接受不同类型的刺激(钛、tDCS)。两次测试之间的时间间隔至少48小时。每个测试开始之前,刺激目标每个参与者的大脑区域是通过经颅磁刺激使用软件测试和位于“STIMWEAR,”位于外国直接投资的热点。”之后,每个参与者收到两个功能扫描时,一个刺激前,一个在刺激期间,在每个访问。在第二次扫描会话,参与者随机获得一种刺激。结构扫描会话也在第一次访问(参见图执行1)。

2.3。“透明国际”

“热点”是TI刺激的目标区域。表征领域的外国直接投资是由单脉冲干扰的TMS刺激器(美国新泽西州Soterix医学)。基于中心的“热点”,两个渠道的高频交流电被安置在平行于眉间的连接线路中心和枕骨粗隆。我们做了一个TI刺激电极可以固定的上限。如图2,“O”是“热点”的位置。A1、A2、B1和B2 4电极的位置,和四个两点的距离对(A1 A2、a1b1 B1 B2, a2b2)是4厘米。a1 a2是一个频道,其频率为2000赫兹。b1 b2是另一个频道,其频率为2020赫兹。频率之间的区别这两个通道是20赫兹(2020 Hz - 2000赫兹)。每个通道的电流强度是2马,马和总电流强度是4。刺激持续时间是20分钟,有两个很短的30年代过渡,缓降的刺激。

2.4。tDCS

“STIMWEAR”软件提供了一个neuroelectric在线目标编辑器。在这个编辑器中,我们设置刺激目标区域的大脑位置正确的外国直接投资,马2的最大刺激强度和最大刺激电极数目的4。模拟的结果包括每个电极位置(10 - 20脑电图系统)和强度(C3: 2000 uA, P3: -774 uA, T7: -684 uA, Cz: -542 uA)(数据3和4)。

刺激器是MR-compatible DC-STIMULATOR + (neuroCnn,尔,德国)。进一步刺激器设置中可以找到的细节研究Esmaeilpouret艾尔。18]。四个矩形核磁共振兼容的橡胶电极( )不断被用来提供直流电。每个橡胶电极的电阻低于30Ω。目标强度的刺激持续时间是20分钟。过渡和缓降时间都是30年代。

2.5。磁共振成像采集和统计分析

所有与会者都扫描3.0特斯拉西门子MAGNETOM棱镜全身磁共振扫描仪配备64频道头线圈射频(RF)信号(西门子、德国慕尼黑)。两会期间收集的功能图像是静止状态,所有的参与者被要求盯着图的黑色白色屏幕上的十字架而放松,不要睡着了,,不去想任何特别困难,如数学计算。血氧等级相关(粗体)收购使用gradient-echo EPI序列( ; ; ; ; ;48相邻斜轴向片,AC-PC线平行,同时多层收购,三分功能扫描)。第一个扫描会话是由488年收购的时间序列的脑容量,持续8分8秒。第二次会议由1268年收购的时间序列的脑容量,持续21分8秒。8初始射频激励进行实现稳态平衡和为每个会话随后被删除。在第二个会话中,最初的30最后30脑容量也无视过渡账户,缓降期。这些因素导致了480年和1200年脑容量的第一次和第二次会议,分别为每个参与者。高分辨率结构图像获得使用3 d MP2RAGE (magnetization-prepared 2快速收购梯度回波脉冲序列( ; ; ; ; ;166连续切片)。

我们进行了预处理和统计分析这些图像数据在DPABI (http://rfmri.org/DPABI)和SPM12(认知神经学学院,伦敦,英国。http://www.fil.ion.ucl.ac.uk),在MATLAB下(Mathworks公司,纳蒂克,妈,美国)。默认设置是在早期阶段的步骤包括预处理。我们选择左边M1种子区域,提取种子地区每个会话的时间序列对每个参与者,然后与所有体素在整个大脑,为每个条件和生成相关的地图。我们之间进一步的执行条件和群体间的比较。

激活阈值在 ,voxel-level未修正的,显著的集群识别只有当他们也活了下来 ,集群级别调整为多个比较,和所有其他集群被过滤掉。重要的坐标集群高峰和subpeaks在表中列出的每个效果标准MNI空间。地区被确定使用AAL地图集[19)和Brodmann模板MRIcron中实现(http://www.MRicro.com/MRicron)。

3所示。结果

一个双向重复方差分析( )用于调查的主要影响刺激类型(钛、tDCS),刺激阶段(基线,在线刺激),和他们的相互作用在大脑中。没有明显刺激类型的主效应,表明TI和tDCS刺激不产生任何显著差异。刺激阶段被发现的一个重要主要影响主要在左侧中央前,近中心小叶,SFG, SMA,三井住友,生产厂,MCG (BA 4, 6, 8, 9, 32岁,46),中央前,中央后,近中心小叶,SPL (BA 2、3、4、6、7, 40)(表1和图5)。TI和tDCS刺激激活这些大脑区域大于生成基线。没有明显刺激相互作用类型和阶段,表明TI的刺激效应相当于tDCS的刺激效应。

4所示。讨论

据我们所知,这是第一个研究比较在线TI的影响和使用seed-based tDCS整个大脑功能连通性的方法。我们的研究结果表明,TI, tDCS之间没有差异存在功能连通性的影响。TI和tDCS刺激可以促进种子M1区之间的功能连接强度和相应的区域,以及这两种方法之间没有区别。

4.1。TI和tDCS的影响

群体间的分析,结果发现没有区别tDCS和TI seed-based功能连通性。这一发现也证明了类内分析。比较prestimulation,在线TI和tDCS增加侧功能连通性MFG, MSFG SFG, SMA。据我们所知,没有记录的TI影响人类健康。先前的研究调查了tDCS影响静息状态功能连通性,及其结果在某种程度上类似于我们的结果。研究Sehm et al。11),他们发现,tDCS诱导在线然后对seed-based功能连通性的影响和干预终止后,诱导功能连通性在同侧半球的增加。此外,Polania的研究的结果(14]表明,tDCS诱导功能连通性增加侧M1,运动前区皮层,和感觉运动区。然而,在Polania的研究相比,功能连通性增加地区在我们的研究中只躺在制造行业,MSFG, SFG,和SMA参与运动规划和运动学习。这种差异可能会导致我们选择的刺激蒙太奇。基于当前场模拟中,我们使用多病灶的刺激蒙太奇优化刺激效应。但在Polania的研究中,他们使用电极上 厘米的区域,覆盖许多大脑区域,在头皮上传导电流。先前的研究表明,电极的大小调节刺激效果的一个因素(20.]。研究Ho (21),他们发现,刺激大诱导累计在大脑皮层兴奋性提高,但不是一个较小的电极。

tDCS和TI诱导seed-based功能连通性增加生产厂,MSFG, SFG, SMA的地区。这些地区可能与运动机能。在studyof罗斯(22),他们表明,运动前区皮层之间的功能连通性和M1 -与休息电机M1的阈值之间的关系。下休息电机M1意味着更高的大脑皮层兴奋性阈值。因此,罗斯等人的研究提供支持,运动前区皮层之间的功能连通性概念和M1与皮质兴奋性有积极的关系。这意味着增加皮质兴奋性增强人类性能(23- - - - - -26]。Cogiamanian的研究报道,阳极的tDCS提高肌肉耐力通过改善大脑皮层兴奋性(27]。因此,TI, tDCS诱导功能的调制耦合网络,增强人类的性能。

4.2。TI和tDCS比较神经生理学机制

尽管TI和tDCS在线效果相似,这两种类型的潜在机制的刺激可能会有所不同。在tDCS,阳极的tDCS可能抑制抑制性突触提高静息状态功能连通性。先前的研究表明,阳极的tDCS降低了γ-氨基丁酸(GABA)浓度(28- - - - - -30.]。GABA浓度负相关,静息状态功能连通性的力量在汽车网络(28,29日]。研究Bachtiar et al。28斯塔德)和et al。29日),它们都证明了阳极的tDCS GABA浓度降低,增加刺激运动皮层的功能连接。在TI,它可以调节大脑振荡改变静息状态功能连通性。格罗斯曼的研究(17]表明,TI影响老鼠的大脑功能通过时间干扰,这是由高频场频率略有不同。低频率干扰磁场的影响类似于低频经颅直流电刺激,主要取决于当前的频率(31日]。在先前的研究中,应用20 Hz-tACS刺激大脑在M1调制振荡增加M1的兴奋性和优化参与者的表现(31日- - - - - -33]。在我们的研究中,我们使用了一个20赫兹的频率干扰(2020 Hz - 2020赫兹)。20 Hz-TI可能会改变大脑的振荡,提高静息状态功能M1和次级运动皮层之间的连接来提高人类的性能。因此,钛和tDCS可以调节脑功能通过不同的神经生理学机制。

4.3。限制

虽然我们精心设计的研究,仍有许多要注意的地方。克服这些警告可能有利于未来的研究。(1)刺激强度太低,不足以产生足够的影响。TI应用高频电流强度衰减迅速在人类深层组织(17]。在我们的研究中,刺激强度是2。强度不够高诱导干预时间的相互影响。因此,在未来的研究中,它可以应用在道德范围内更高的电流强度。(2)这是一个缺乏tac组。TI可能会影响大脑功能,调节脑振荡,这是类似于tac。添加一个tac组可以更好的比较效果和更好地理解TI的神经生理学机制,tDCS, tac。(3)在最近的研究中,我们没有提供一种有效的方法在模拟TI的电荷密度。在未来,TI电场可以模拟确认是否电荷密度等于蒙太奇在不同刺激。(4)48小时可能不够长洗后效,和更长的时间间隔为未来的研究建议。(5)当前研究没有调查TI和tDCS的长期影响。 It could be examined in the future study.

5。结论

TI和tDCS都增加了静息状态功能M1和次级运动皮层之间的连接(前运动皮层和辅助运动皮层),和功能连通性的增强可能与运动功能。

数据可用性

所有实验数据,结合相关分析脚本和文件,可根据要求通讯作者(电子邮件:(电子邮件保护))。

伦理批准

这项研究已通过上海大学体育机构审查委员会。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

志强朱镕基和义乌熊同样起到了推波助澜的作用。所有作者回顾了手稿的内容,批准其内容,和验证数据的准确性。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(11932013,11932013),中国国家重点研发项目(2018 yff0300500),和教授的项目特别任命(东方学者)在上海高等学校(没有。TP2018056)。