TMS+ERP：运动皮层同步对先兆亨廷顿病患者运动功能节律性的影响

背景：已有证据表明亨廷顿患者的运动皮层具有结构性的损伤，但不清楚的是这种损伤和运动行为紊乱之间的关系。这种舞蹈性运动疾病的一个症状特征是动作序列之间的时间和协调性发生了变化。我们假设这是大脑皮层运动区神经活动去同步的结果。

目的：本研究的目的是探讨在运动网络中使用经颅磁刺激实现同步活动，并将这种激活与运动功能的时间性关联起来。

方法：我们检验了TMS产生的外部输入在运动皮层所诱发的神经同步性。并将这种同步性与16名亨廷顿病前期患者及16名年龄匹配的健康者的EEG数据相结合，以测试在抓握任务和快速敲击任务中运动技能的变异性和神经同步强度之间的相关性。

结果：对M1（初级运动皮层）施加刺激产生的阶段性同步，在亨廷顿患者（HD）中显著低于健康控制组（HV），这种差异表现在全脑和局部水平上皮层活性的降低。在运动的时间性能力上表现更好的被试也表现出更好的神经震荡的同步性和更高的皮层活性。

结论：我们的数据可能模拟了对来自其他脑区的更微妙、更生理性的输入做出反应指令的能力。这一新发现表明，同步和去同步化时间准确性上的损伤可以作为亨廷顿病一些重要临床特征的生理基础。

 

前言

脑白质和灰质丢失，尤其是基底节区脑白质和灰质丢失是亨廷顿病(HD)结构表型的一个公认特征，它是由于Huntingtin (HTT)基因CAG重复增长突变引起的一种神经退行性疾病。

HD：Huntington’sdisease

HTT：Huntingtin

PD：Parkinson’sdisease

M1：primarymotor cortex

PM：premotorcortex

HV：healthy volunteers

方法

被试：

16名HTT CAG三核苷酸重复增长携带者（HD；9名女性；43.2 ±7.6岁），16名年龄匹配的健康对照者（HV；9名女性；45.1± 9.1岁）。测定HTT患者CAG基因重复长度，并对被试进行临床评估。临床评估包括United Huntington’s Disease Rating量表(UHDRS)中的运动部分得出运动总评分，诊断的置信指数和握力评定。疾病负荷评分根据亨廷顿病患者的CAG重复长度和年龄，按以下公式“(CAG-35.5)×年龄”计算得出。表1给出了被试的人口学数据、CAG重复长度、疾病负担和UHDRS总运动评分数据。所有被试对TMS无不良反应，其中一位HV（健康被试）随后被排除在外，原因是EEG数据质量过低。

表1被试的人口学数据、CAG重复长度、疾病负担和UHDRS总运动评分数据

实验设计：

每个被试都完成一项行为运动任务和2个TMS-EEG block，每个block有70个TMS单脉冲施加于左侧M1和PM区域。被试坐在显示器前80厘米的扶手椅上，保持放松姿势并注释屏幕中间6×6 cm大小的白色注视点，以避免眼睛的移动。在TMS过程中，通过入耳式头戴耳机持续播放与TMS刺激频率相一致的白噪音，以掩避TMS可能造成的听觉ERP反应。白噪声的强度会根据每个被试进行调整以确定其听不到TMS的声音，但始终低于90 dB。为减少骨传导的声音，使用了带有4mm塑料片的脑电图帽，以减少线圈产生的机械振动。 

行为任务：

通过方向和位置两个指标来构建抓握强度分数。这个分数可以评估被试是如何维持物体在三维空间运动的稳定性。我们还进一步检测了被试如何重复性的计划，启动和停止一个运动。为了测量运动速度，使用快速敲击任务的平均敲击间隔(ITI，intertap interval)，并测量了该任务的标准差(ITI-SD)。 

TMS与EMG记录：

TMS是用Magstim200刺激器，线圈为70毫米8线圈进行的。对M1刺激时，线圈在距左侧M1手部运动区域中线约45度处，因为刺激对侧拇短展肌(APB，abductor pollicisbrevis)会在在该点上诱发最大的MEPs（运动诱发电位）。对PM刺激时，线圈以与M1刺激同样的方向旋转至APB点3cm处。刺激强度为静息运动阈值(RMT，resting motor threshold)的90%。RMT是通过单次TMS脉冲刺激M1来确定的，即在10次连续刺激APB中有5次可以看到peak-to-peak幅值差为50μV的运动诱发电位(MEP，motorevoked potential)的值。在TMS刺激下，分别对110%、130%和150%的RMT的强度下记录10 次MEPs。活动运动阈值(AMT，Activemotor threshold)用M1-TMS刺激测定，让被试在最大的10-20%范围内收缩APB（侧拇短展肌）。AMT（活动运动阈值）是指在连续10次试验中，有5次诱发peak-to-peak振幅为200μV的MEP的强度。之后分别在125%，150%和175%的AMT强度下记录10次MEP。

相应的皮层静息时间被定义为从MEP开始到自发EMG活动恢复的时间。TMS单脉冲刺激间隔4~6秒。表面EMG是通过置于belly-tendon montage using a Digitimer D360 Amplifier （思影科技为中国大陆地区合作伙伴，感兴趣请联系：siyingyxf)中的Ag/AgCl电极从右侧APB肌肉中获得的，原始信号采样率5000 Hz，带通滤波在30~2000Hz之间。EMG信号由SIGNAL软件在线监测。 

EEG记录与分析：

使用TMS兼容的EEGDC放大器采集EEG数据。32导EEG帽根据国际10-20系统通过30个TMS兼容的Ag/AgCl电极连续记录EEG数据，包括：FP1、FPZ、FP2、F7、F3、FZ、F4、F8、FC5、FC1、FC2、FC6、T7、C3、CZ、C4、T8、CP5、CP1、CP2、CP6、P7、P3、PZ、P4、P8、POZ、O1、OZ、O2。皮肤电阻低于5KΩ。记录时参考电极AFz，接地电极POz。带通滤波0.1至1000Hz，采样频率2048Hz。离线EEG预处理和分析采用EELAB13.3.2和FieldTrip工具包。

对通过TMS诱发电位(TEP)波幅评估的局部皮层激活在各个条件下的平均波幅进行t检验。该t检验分别在6个兴趣时间窗口（TOI，timewindows of interest）（15-35ms，P30；35-55ms，N45；55-75ms，P60；75-150ms，N100；150-250ms，P180）内进行。

全脑皮层激活通过全脑平均功率（GMFP，global mean field power）测定。之后分别在两个刺激区下，对GMFP进行以“组别”(HD，HV)和“波峰”(P1，P2，P3)为因素的二元方差分析。

在4~50 Hz的频率范围内进行时间/频率分析以评估皮层振荡。先通过Morlet wavelet（步频23；周期3.5）方式对每个epoch进行时频分解，然后计算TMS相关的频谱扰动（ERSP，TMS-relatedspectral perturbation）和试次间相干性（ITC，intertrial coherence）。对局部激活来说，ERSP和ITC在条件间的比较使用同样的聚类分析。为了探讨临床和神经生理结果之间的关系，计算行为结果(综合握力、ITI、ITI-SD)与TMS-EEG测量(GMFP、ITC)之间的Pearson系数（双尾）。 

结果

皮质脊髓兴奋性

HV(健康对照）与HD（亨廷顿患者）组具有相似的RMTs（静息运动阈值）与AMTs(活动运动阈值)。在阈值以上，MEP（曲线下面积）的大小随静止或活动时刺激强度的增加而增大。组别与刺激强度之间的交互作用显著揭示了HD组中的MEPs显著的更小。事后分析发现， MEPs(运动诱发电位）在150%的RMT时HD组显著小于HV组。两组的皮层静息期时长差异不显著。 

皮层兴奋性

单脉冲TMS在脑电信号中诱发一系列正、负偏转，振幅范围为26~61V，持续250毫秒(图1)。刺激M1(图1A，B)和PM(图1C，D)诱发了类似的TEP模式，TMS刺激后约30、60和180毫秒左右有3个正峰，TMS刺激后约45和100毫秒左右出现2个负峰。地形图显示，TMS刺激后70毫秒，活性相对于刺激反向扩散，特别是N100和P180被集中在额中央电极上。聚类分析表明，TMS后150~250 ms的兴趣时间窗口内M1诱发的TEPs有显著差异。具体来说，HV组(图1A)在包括C3，Cz，CP5，FC1，FC5和F3 在内的6个电极上的TMS诱发的活性显著高于HD组(图1B)。

GMFP（全脑平均功率）在TMS后40、110和180毫秒出现3个主要波峰(P1，P2，P3)(图2A，C)。对GMFP峰值进行方差分析，发现“波峰”与“组别”存在显著的交互作用，事后分析发现HV组的P3显著高于HD组(图2B)。两组在对PM刺激后GMFP差异不显著(图2D)。

图1. TMS诱发电位

图2. 全脑平均功率。

 

皮层震荡

TMS在M1和PM（premotorcortex）上对全局和局部水平的TMS相关谱扰动进行了研究(补充图1)。震荡模式在两个区域内是相似的：

第一次反应持续至50毫秒，主要是β/γ频率(14-50Hz)；

第二次反应在50至250毫秒间，主要在θ/α频率(4-13Hz)。在局部水平(即C3和FC1电极)，HV和HD组的TMS相关频谱扰动模式相似，但当刺激作用于M1时，总功率在C3处更高，而当刺激作用于PM时FC1更高。在全脑水平上，HV组的神经振荡主要集中在额叶中央电极上，最大功率位于C3，而不论刺激哪个区域。与刺激PM（premotorcortex）相比，刺激M1诱发的振荡活动更强，范围更广。虽然在地形图上，HD组的高频活动(15-50Hz)在功率上似乎更广泛和更高，但两组之间的整体振荡活动并无差异。

图3A，B与图3C，D分别展示了TMS对M1和PM在全脑和局部诱发的振荡反应的ITC（试次间相干性）。如预期的那样，ITC图显示了两个主要的相位同步点。第一个是TMS诱发的早期、快速的振荡反应，持续于TMS后的15到50毫秒间，振荡频率在30到50Hz之间。第二个在TMS后的50到250毫秒间较明显，主要在θ/α频率范围内。如预期的那样，TMS诱发活动的相位同步性在全脑水平上来看，刺激部位之间差异是显著的，而无论频率范围是多少。对M1刺激后，聚类分析显示，HD组的ITC（试次间相干性）显著低于HV组在α频段内（C3、FC1、FC2、F3、FZ、F4）及θ频段内（C3、CP1、FC1、FC2、FC5、FC6、F3、FZ、F4）的电极上（图3A）。而对PM刺激后，两组之间则无明显差异（图3C，D）。

图3. 试次间相干性。

 

神经生理数据与行为数据相关性

HD（亨廷顿患者）组UHDRS总运动评分和ITI-SD均高于HV（健康对照）组(表1)。两组的ITI-SD与GMFP-P3及ITC（试次间相干性）均呈负相关，即ITI变异越低，TMS脉冲刺激后即刻同步程度越高，皮层活性越高(图4A、B)。也观察到了ITI-SD与ITC-α的相关性趋势。GMFP-P3与ITC-θ及ITC-α(图4 C，D)呈显著正相关。值得注意的是，以下的相关显著性(ITI-SD与GMFP-P3；ITI-SD与ITC-θ；GMFP-P3与ITC-θ)及GMFP-P3与ITC-α的相关趋势仅保留在HV组中。在HV或HD中，TMS/EEG数据与行为测量均无其他显著性相关。

图4. 神经生理与行为数据相关性。

 

讨论与结论

本研究探讨了对HD突变基因携带者施加锁时的TMS刺激所产生的神经振荡和皮质活性。当刺激M1时，HD组在θ和α波段相同步性低于HV组。而表现出较低ITI-SD(标准差)，即具有更好时间运动能力的被试，表现出更一致的TMS诱发皮层激活和更强的θ波同步。本研究的数据可能模拟了对来自其他脑区的更微妙、更生理性的输入做出反应指令的能力。这一新发现表明，同步和去同步化时间准确性上的损伤可以作为亨廷顿病一些重要临床特征的生理基础。 

原文

Casula, E. P. ,Mayer, I. M. S. , Desikan, M. , Tabrizi, S. J. , Rothwell, J. C. , & Orth,M. . (2018). Motor cortex synchronization influences the rhythm of motorperformance in premanifest huntington’s disease. Movement Disorders.

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