rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)影響的研究

靳靜娜 王 欣 林 雨 張 愷 李 穎 向 芳 劉志朋 楊學(xué)軍 殷 濤,4#*

1(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津 300192)2(天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院神經(jīng)外科, 天津 300052)3(天津中醫(yī)藥大學(xué)第一附屬醫(yī)院外科, 天津 300193)4(中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)中心, 北京 100730)

引言

運(yùn)動(dòng)能力在日常生活中具有重要的作用。通過外部干預(yù)或加強(qiáng)練習(xí)，運(yùn)動(dòng)執(zhí)行可更加快速、準(zhǔn)確，運(yùn)動(dòng)能力可獲得提升[1]，它是腦卒中、腦損傷后運(yùn)動(dòng)康復(fù)的重要生理基礎(chǔ)。目前，常用的提高運(yùn)動(dòng)能力的方法是運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練[2-4]。然而，近年來的研究發(fā)現(xiàn)，相比單純的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，重復(fù)經(jīng)顱磁刺激(rTMS)聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練是一種更優(yōu)的提高運(yùn)動(dòng)能力的方法，在腦卒中、腦損傷后的運(yùn)動(dòng)康復(fù)中具有良好應(yīng)用前景[5-8]。

為了深入理解rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練用于提高運(yùn)動(dòng)能力時(shí)的腦機(jī)制，研究者使用腦影像的方法進(jìn)行了初步探討。2013年，Takekawa等通過使用單光子發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層成像術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練使左右大腦腦區(qū)之間的對稱指數(shù)發(fā)生了改變，且與腦卒中患側(cè)肢體運(yùn)動(dòng)功能的改善顯著相關(guān)[9]。2015年，Kondo等研究者使用神經(jīng)興奮性的生理學(xué)指標(biāo)F波，評估了rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元興奮性的影響[10]。然而，揭示rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對大腦活動(dòng)影響作用的研究仍然較少，研究結(jié)果比較初步，仍然需要開展大量的研究工作。

人類大腦皮層表現(xiàn)出整個(gè)大腦區(qū)域特定的功能相互連接模式。該連接模式是局部腦區(qū)內(nèi)信息處理和腦區(qū)間信息處理的動(dòng)態(tài)整合[11-13]，是可以隨外部環(huán)境、刺激等因素隨時(shí)變化的。rTMS不僅可以對刺激靶點(diǎn)腦區(qū)產(chǎn)生作用，而且可以影響與刺激靶點(diǎn)相連接的遠(yuǎn)端腦區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)[14-15]，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以通過外周肢體的鍛煉使相關(guān)大腦腦區(qū)活動(dòng)發(fā)生改變，涉及前運(yùn)動(dòng)皮層、初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層和后頂葉皮層等多個(gè)腦區(qū)[16-17]，因此rTMS和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練都具有調(diào)控腦網(wǎng)絡(luò)的作用。另外，臨床研究發(fā)現(xiàn)腦卒中患者多個(gè)腦區(qū)間的協(xié)同工作能力發(fā)生改變，如表現(xiàn)出患側(cè)前運(yùn)動(dòng)區(qū)與初級(jí)運(yùn)動(dòng)區(qū)的連接降低，健側(cè)半球?qū)紓?cè)半球抑制增加，且這些異常的功能性連接與運(yùn)動(dòng)功能降低程度顯著相關(guān)[18-19]。因此，從腦功能連接的角度探尋rTMS促進(jìn)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，對運(yùn)動(dòng)功能改善的腦機(jī)制是非常必要的。

本研究采用低頻rTMS抑制優(yōu)勢半球的腦活動(dòng)，非利手執(zhí)行不熟悉的運(yùn)動(dòng)任務(wù)，旨在提高非利手的運(yùn)動(dòng)功能。使用了相位延遲指數(shù)(phase lag index, PLI)的方法，構(gòu)建rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練前后的靜息態(tài)腦功能網(wǎng)絡(luò)，探討rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對大腦網(wǎng)絡(luò)連接的影響，進(jìn)一步揭示rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對運(yùn)動(dòng)技能提高的神經(jīng)電活動(dòng)機(jī)制，促進(jìn)rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練在運(yùn)動(dòng)能力提高方面的應(yīng)用。

1 方法

1.1 受試者

本研究招募了10名健康男性受試者，皆為在校大學(xué)生，年齡為21～26歲。所有受試者無神經(jīng)損傷史，無家族遺傳病史，無藥物和酒精濫用史。經(jīng)過愛丁堡利手判定，所有受試者均為右利手。在實(shí)驗(yàn)前48 h內(nèi)均沒有服用咖啡、白酒等刺激性的飲品，實(shí)驗(yàn)前保證充足的睡眠。所有受試者均為自愿參加實(shí)驗(yàn)，均簽署了知情同意書。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

rTMS對神經(jīng)活動(dòng)的影響效果依賴于其刺激頻率，低頻rTMS可以抑制神經(jīng)興奮性，而高頻rTMS則可以增強(qiáng)神經(jīng)興奮性。因此，在rTMS用于提高肢體運(yùn)動(dòng)能力時(shí)，可有兩種方式：第一種是通過低頻rTMS抑制肢體同側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層的興奮性，從而增加肢體對側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層的興奮性，促進(jìn)肢體運(yùn)動(dòng)能力的提高；第二種是通過高頻rTMS增加肢體同側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層的興奮性，促進(jìn)肢體運(yùn)動(dòng)能力的提高。本研究考慮到：一是進(jìn)行高頻rTMS輸出時(shí)所需的磁場能量較大，其刺激線圈極易發(fā)熱，影響rTMS設(shè)備的使用壽命；二是高頻rTMS具有更高的致癲癇可能性；三是本研究的rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練方法旨在提高肢體的運(yùn)動(dòng)能力，未來可用于腦卒中、腦損傷患者?？紤]到用于患者時(shí)，高頻rTMS需要作用的靶點(diǎn)為患側(cè)腦皮層，而腦卒中患者皮層存在損傷，患側(cè)皮層由于腦損傷可能發(fā)生解剖上的變化，會(huì)在一定程度上影響rTMS的作用效果，因此在本研究中采用了低頻1 Hz rTMS的方式。

本研究的rTMS實(shí)施使用英國生產(chǎn)的Magstim Rapid2磁刺激器，使用70 mm的八字型線圈。實(shí)驗(yàn)前掃描了所有受試者的頭部MRI影像，rTMS的實(shí)施在Brainsight精密導(dǎo)航下進(jìn)行，保證刺激靶點(diǎn)的精確性、一致性。rTMS的刺激頻率為1 Hz，刺激強(qiáng)度為90%靜息運(yùn)動(dòng)閾值(resting motor thresholds,RMT)，刺激靶點(diǎn)為優(yōu)勢半球(左半球)初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層，刺激時(shí)間為20 min/次，共1 200個(gè)脈沖，5次/周，共兩周。

本研究選擇了3種非利手不熟悉的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練任務(wù)，進(jìn)行非利手的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，每天約1 h，共14 d。翻硬幣實(shí)驗(yàn)：10個(gè)1元硬幣和15個(gè)一角硬幣為一組任務(wù)，10 min/d；螺絲螺母實(shí)驗(yàn)：非利手持螺母，利手持螺絲，兩個(gè)螺絲為一組，10 min/d；寫英文字母實(shí)驗(yàn)：在規(guī)定的方格內(nèi)寫英文字母，40 min/d。

Avenanti等的研究表明，先進(jìn)行rTMS后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練方式使運(yùn)動(dòng)技能增強(qiáng)效果更優(yōu)[5]。因此，本研究采用先低頻rTMS抑制優(yōu)勢腦半球，結(jié)束后立即開始非優(yōu)勢半球?qū)?yīng)的非利手運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的方式，以期望通過14 d的rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練促進(jìn)非利手運(yùn)動(dòng)能力的提高。

1.3 腦電采集

腦電(electroencephalography, EEG)采集使用美國Neuroscan EEG系統(tǒng)和64導(dǎo)Braincap腦電帽，包括62導(dǎo)記錄電極、一個(gè)地電極及一個(gè)參考電極，其中 2個(gè)記錄電極分別放置眼睛下部和眼外呲處，用于采集垂直方向眼電和水平方向眼電，為后續(xù)EEG數(shù)據(jù)處理時(shí)眼電的去除提供數(shù)據(jù)支持。EEG采集參數(shù)設(shè)置為DC-200 Hz的濾波，1 kHz采樣率。

1.4 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)前，首先確定受試者的個(gè)體運(yùn)動(dòng)閾值和手初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層靶點(diǎn)。rTMS刺激線圈保持與頭皮相切，線圈把柄向后，并與大腦縱裂呈45°。根據(jù)解剖學(xué)上大腦初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的位置，以中央前回的“手結(jié)”為中心移動(dòng)線圈，尋找以最小TMS輸出時(shí)，10次TMS刺激能產(chǎn)生至少5次肌電運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位(motor evoked potentials, MEP)幅值大于等于50 μV的皮層位置點(diǎn)，此時(shí)的TMS輸出強(qiáng)度為該受試者的RMT，該皮層位置點(diǎn)為初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層。

rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。首先使用九孔柱測試板進(jìn)行rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練前的行為學(xué)檢測，并進(jìn)行靜息態(tài)2.5 min EEG采集，然后進(jìn)行14 d的rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，再進(jìn)行訓(xùn)練后的行為學(xué)檢測及靜息態(tài)2.5 min EEG采集。

圖1 實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Schematic of experimental process

1.5 相位延遲指數(shù)

相位延遲指數(shù)(PLI)可以用于量化不同腦區(qū)間的相互作用[20-21]，是表示腦功能連接性的一種方法。它通過測量兩個(gè)信號(hào)間相位差分布的不對稱性，反映某一個(gè)信號(hào)相位超前或延遲于另一個(gè)信號(hào)的一致性。相比相干等傳統(tǒng)的方法，PLI受參考電極和體積傳導(dǎo)的影響較小[22]。如果兩個(gè)時(shí)間序列間的相位差異為ΔΦ(tk) (k=1,2,…,n)，則相位延遲指數(shù)可以由下式計(jì)算得到，即

PLIi,j=|〈sign[ΔΦ(tk)]〉|

(1)

式中，〈·〉是平均值符號(hào)，sign為符號(hào)函數(shù)。

相位延遲指數(shù)的范圍在0～1之間，其值為0表示兩個(gè)信號(hào)沒有耦合，為1表示相位完全耦合。相位延遲指數(shù)值越大，則相位耦合越強(qiáng)。

1.6 加權(quán)網(wǎng)絡(luò)特征

目前，主要有兩種方法可以構(gòu)建無向圖：一種是通過對功能連接性矩陣設(shè)置閾值將其二值化來構(gòu)建無權(quán)無向圖，另外一種是將功能連接性矩陣的值作為連接權(quán)重來構(gòu)建有權(quán)無向圖。本研究以EEG電極代表腦網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，兩兩導(dǎo)聯(lián)信號(hào)的PLI值作為連接邊的權(quán)重構(gòu)建了有權(quán)無向腦網(wǎng)絡(luò)，探討rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練促進(jìn)運(yùn)動(dòng)技能提高的功能連接性及腦網(wǎng)絡(luò)特征的變化。使用有權(quán)重的圖論分析是為了避免在進(jìn)行二值化圖論分析時(shí)閾值選擇的武斷性。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涮卣骺梢酝ㄟ^一些指標(biāo)進(jìn)行評估，其中最常用的評估指標(biāo)是最短路徑長度和節(jié)點(diǎn)效率，它可以通過文獻(xiàn)中的方法進(jìn)行計(jì)算獲得[23]。邊的權(quán)重定義為PLI的倒數(shù)。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)最短路徑長度為兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間最短長度的路徑，即節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間經(jīng)過的邊的權(quán)重總和。節(jié)點(diǎn)的最短路徑長度定義為所有節(jié)點(diǎn)與該節(jié)點(diǎn)間的最短路徑長度的平均值，節(jié)點(diǎn)效率定義為與該節(jié)點(diǎn)相連接的所有節(jié)點(diǎn)間最短路徑長度倒數(shù)的平均值。

1.7 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

使用Matlab及其工具包EEGLAB，對采集的EEG信號(hào)進(jìn)行分析。首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括變參考為雙耳乳突，手動(dòng)去除干擾大的信號(hào)段，降采樣到250 Hz，進(jìn)行[1 Hz,100 Hz]的帶通濾波，并使用50 Hz陷波器去除工頻干擾，進(jìn)行獨(dú)立分量分析，去除眼動(dòng)分量，獲得干凈的EEG信號(hào)。

選取60 s無偽跡的腦電信號(hào)，通過帶通濾波提取theta (4～8 Hz)、alpha (8～13 Hz)、beta (13～30 Hz)、gamma1(30～45 Hz)和gamma2(55～100 Hz)頻段的EEG信號(hào)。通過式(1)計(jì)算rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練前后各頻段的PLI，獲得了n×n的兩兩導(dǎo)聯(lián)的相位同步特征矩陣，本研究共采集了60導(dǎo)聯(lián)的腦電信號(hào)，因此取n=60。然后建立了有權(quán)無向腦網(wǎng)絡(luò)，并計(jì)算了節(jié)點(diǎn)的最短路徑長度和節(jié)點(diǎn)效率。對rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練前后的PLI和腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮卣鬟M(jìn)行了非參數(shù)符號(hào)秩和檢驗(yàn)，P<0.05認(rèn)為差異具有顯著的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 行為學(xué)的結(jié)果

14 d的rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練前后雙手完成九孔柱測試的時(shí)間如圖2所示?？梢钥闯觯瑀TMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練使雙手完成九孔柱測試的時(shí)間均縮短(左手，前19.1 s± 1.1 s, 后17.5 s±1.4 s；右手，前17.9 s±0.8 s, 后17.6 s±1.6 s)，表明雙手靈活性均有所增加。將干預(yù)前后的完成時(shí)間進(jìn)行非參數(shù)秩和檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練僅使非利手(左手)完成九孔柱測試時(shí)間的時(shí)間縮短具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，而利手的完成時(shí)間縮短沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

圖2 雙手完成九孔柱測試的時(shí)間Fig.2 The time of nine-hole peg test for hands

2.2 相位延遲指數(shù)的結(jié)果

為了檢測rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練前后各腦區(qū)功能連接性的變化，將全腦60個(gè)電極劃分為如圖3(a)所示左右對稱的8個(gè)腦區(qū)，分別為左右額葉腦功能區(qū)、左右中央腦功能區(qū)、左右顳葉腦功能區(qū)及左右枕葉腦功能區(qū)。計(jì)算各腦功能區(qū)內(nèi)兩兩電極之間及腦功能區(qū)間兩兩電極間的PLI，將其疊加平均后獲得各腦功能區(qū)內(nèi)和兩兩腦功能區(qū)間的功能連接性。然后將rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練前后腦功能區(qū)內(nèi)及腦功能區(qū)間的功能連接性進(jìn)行非參數(shù)符號(hào)秩和檢驗(yàn)，將功能連接性具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)變化的兩兩腦功能區(qū)使用直線連接起來，腦功能內(nèi)具有顯著統(tǒng)計(jì)學(xué)變化的區(qū)域使用實(shí)體方塊表示，紅線代表顯著增加，藍(lán)線和藍(lán)塊代表顯著降低，計(jì)算結(jié)果如圖3(b)～(f)所示。

由圖3(b)～(f)可以看出，rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對腦功能連接性的影響主要表現(xiàn)在腦功能區(qū)間，對腦功能區(qū)內(nèi)的影響較小。另外，結(jié)果還可以發(fā)現(xiàn)，rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對EEG不同頻段的影響均不相同，使低頻段(theta、alpha)的功能連接性增強(qiáng)，使高頻段(beta, gamma1和gamma2)的功能連接性減弱，對alpha頻段的影響最為顯著，特別地，使alpha頻段非優(yōu)勢側(cè)中央腦區(qū)與優(yōu)勢側(cè)額葉腦區(qū)(before：0.141 4±0.102 5；after：0.217 2±0.134 7；P<0.05)、非優(yōu)勢側(cè)額葉腦區(qū)(before：0.141 0±0.109 9；after：0.205 9±0.136 1；P<0.05)的功能連接性顯著增加。另外，顯著增加了theta頻段優(yōu)勢半球中央?yún)^(qū)與雙側(cè)額葉之間、優(yōu)勢半球額葉與顳葉之間的連接(P<0.05)，顯著降低了beta和gamma1頻段優(yōu)勢半球中央?yún)^(qū)域顳葉區(qū)間的功能連接性，降低了gamma2頻段非優(yōu)勢半球中央?yún)^(qū)與雙側(cè)顳葉區(qū)間的功能連接性(P<0.05)。

圖3 rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練前后具有顯著性差異的腦區(qū)間連接 (P<0.05)。(a)全頭電極的腦區(qū)劃分；(b)Theta頻段；(c)Alpha頻段；(d)Beta頻段；(e)Gamma1頻段；(f)Gamma2頻段Fig.3 Significantly changes of functional connectivity induced by rTMS combined with motor training (P<0.05). (a)A schematic diagram of partition for all electrodes; (b)Theta band; (c)Alpha band; (d)Beta band; (e)Gamma1 band; (f)Gamma2 band

2.3 網(wǎng)絡(luò)特征

為了評估rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮卣鞯挠绊?，?jì)算了各頻段腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的最短路徑長度和節(jié)點(diǎn)效率，結(jié)果如圖4、5所示?？梢钥闯?，rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對各頻段腦網(wǎng)絡(luò)特征的影響并不相同，使低頻段(theta和alpha)的節(jié)點(diǎn)最短路徑長度降低、節(jié)點(diǎn)效率增加，使高頻段(beta,gamma1和gamma2)的節(jié)點(diǎn)最短路徑長度增加、節(jié)點(diǎn)效率降低。

圖4 rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練前后節(jié)點(diǎn)最短路徑長度的變化。(a)Theta頻段；(b)Alpha頻段；(c)Beta頻段；(d)Gamma1頻段；(e)Gamma2頻段Fig.4 The changes of the shortest path length induced rTMS combined with motor training. (a)Theta band; (b)Alpha band; (c)Beta band; (d)Gamma1 band; (e)Gamma2 band

圖5 rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練前后節(jié)點(diǎn)效率的變化。(a)Theta頻段；(b)Alpha頻段；(c)Beta頻段；(d)Gamma1頻段；(e)Gamma2頻段Fig.5 The Changes of the node efficiency induced rTMS combined with motor training. (a)Theta band; (b)Alpha band; (c)Beta band; (d)Gamma1 band; (e)Gamma2 band

經(jīng)過非參數(shù)符號(hào)秩和檢驗(yàn)后顯示，gamma2頻段在雙側(cè)中央?yún)^(qū)節(jié)點(diǎn)效率(左中央?yún)^(qū)，before：0.060 0±0.000 3；after：0.042 9±0.001 3；P<0.05；右中央?yún)^(qū)，before：0.060 7±0.002 3；after：0.041 9±0.002 4；P<0.05)和最短路徑長度(左中央?yún)^(qū)，before：18.539 0±0.457 1；after：28.585 8±1.001 4；P<0.05；右中央?yún)^(qū)，before：18.650 8±0.438 6；after：28.853 0±1.652 6；P<0.05)發(fā)生了顯著性的改變。另外，rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練使beta頻段優(yōu)勢半球中央?yún)^(qū)最短路徑長度顯著增加(P<0.05)。

3 討論

本研究使用低頻1 Hz rTMS刺激優(yōu)勢半球運(yùn)動(dòng)區(qū)，抑制優(yōu)勢半球的腦活動(dòng)，而非優(yōu)勢半球?qū)?yīng)的非利手進(jìn)行不熟悉的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，經(jīng)過14 d后，達(dá)到了非利手運(yùn)動(dòng)能力提高的效果(見圖2)。使用PLI方法建立了有權(quán)無向腦網(wǎng)絡(luò)，計(jì)算了腦網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)最短路徑長度和節(jié)點(diǎn)效率的變化，探討了14 d和rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對腦功能連接性及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮卣鞯挠绊憽?/p>

研究結(jié)果表明，rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練主要影響腦功能區(qū)間的連接性，對腦功能區(qū)內(nèi)連接性的影響較小(見圖3)，提示rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練調(diào)控了腦功能區(qū)間的信息交互作用，對腦功能區(qū)內(nèi)的信息交互作用影響較小。本研究采用的3種運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練均為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式，在執(zhí)行運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練任務(wù)時(shí)，涉及了空間方向的定位、運(yùn)動(dòng)的計(jì)劃及執(zhí)行等多個(gè)與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的環(huán)節(jié)。在已知的腦區(qū)所對應(yīng)的腦功能認(rèn)知中，后頂葉皮層負(fù)責(zé)獲悉身體與外部環(huán)境相對位置信息的技能，前額葉皮層、前運(yùn)動(dòng)區(qū)和輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)參與運(yùn)動(dòng)計(jì)劃的實(shí)施過程，向初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層發(fā)出信息，初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層產(chǎn)生的興奮通過皮質(zhì)脊髓束傳導(dǎo)到外周肌肉，從而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)[24]。這些涉及運(yùn)動(dòng)環(huán)路的很多腦區(qū)均屬不同的腦功能區(qū)，因此提示rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對運(yùn)動(dòng)技能的改善更多是改變了腦功能區(qū)間的信息傳輸能力。

研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)，rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練使低頻段(theta和alpha)的功能連接性增加，高頻段(beta和gamma)的功能連接性降低(見圖3)。特別地，rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對alpha頻段的非優(yōu)勢半球中央腦區(qū)的連接影響最顯著。alpha頻段作為閉目靜息態(tài)的主要振蕩節(jié)律，可以預(yù)測執(zhí)行運(yùn)動(dòng)任務(wù)時(shí)神經(jīng)認(rèn)知-運(yùn)動(dòng)進(jìn)程的效率[25]；中央腦區(qū)位于運(yùn)動(dòng)區(qū)，與額葉等腦區(qū)連接的增強(qiáng)與運(yùn)動(dòng)能力的提高密切相關(guān)[16-18]。因此，研究結(jié)果提示，rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可能是通過增強(qiáng)靜息態(tài)主要振蕩節(jié)律alpha節(jié)律的非優(yōu)勢半球中央腦區(qū)的連接來增強(qiáng)肢體的運(yùn)動(dòng)能力的。此外，對節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治霰砻?，rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練降低了高頻段gamma2的腦區(qū)信息傳輸能力(見圖4、5)。高頻神經(jīng)振蕩與運(yùn)動(dòng)行為的認(rèn)知功能相關(guān)[26]，說明rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可能使與運(yùn)動(dòng)相關(guān)認(rèn)知功能的效率降低?？赡苁墙?jīng)過14 d的rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練后大腦的運(yùn)動(dòng)認(rèn)知能力得到了提高，所以僅用較低的效率就可完成復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)認(rèn)知活動(dòng)?？傊?，本研究的結(jié)果表明，rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可能是通過增強(qiáng)閉目靜息態(tài)的主要振蕩節(jié)律的腦區(qū)間信息傳輸，降低運(yùn)動(dòng)所需的認(rèn)知調(diào)動(dòng)，從而增強(qiáng)肢體的運(yùn)動(dòng)能力。

樣本數(shù)量較小和缺乏對照組是本研究的局限性之一(10名受試者)。未來需要招募更多受試者和(或)多個(gè)對照組，以更好地理解rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練誘發(fā)的運(yùn)動(dòng)技能改善中的腦活動(dòng)調(diào)控，如招募單純r(jià)TMS或運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的對照組。另外，在本研究中所有受試者均為男性，因此不能說明性別對結(jié)果的影響。未來為了更全面地評估rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對腦活動(dòng)的作用，需要招募與之匹配的女性受試者。最后，本研究僅探討了rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對靜息態(tài)腦網(wǎng)絡(luò)的影響，未來將著重分析單脈沖TMS刺激時(shí)腦活動(dòng)的變化，特別是非優(yōu)勢半球運(yùn)動(dòng)區(qū)，促進(jìn)對rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、提高運(yùn)動(dòng)能力的腦機(jī)制的理解。盡管存在以上限制，但本研究的結(jié)果仍在一定程度上表明了rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對靜息態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的影響，對理解運(yùn)動(dòng)技能提高的腦機(jī)制具有一定的幫助。

4 結(jié)論

rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可以提高肢體的運(yùn)動(dòng)能力，本研究使用腦網(wǎng)絡(luò)分析方法，探討了rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對腦活動(dòng)的影響。結(jié)果表明，rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練主要調(diào)控了腦功能區(qū)間，使低頻段EEG腦區(qū)間的信號(hào)傳輸效率增加，高頻段的信號(hào)傳輸效率降低。通過rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對腦活動(dòng)影響機(jī)制的初步探討，加深了對rTMS聯(lián)合運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練作用的理解，為以后應(yīng)用于腦卒中、腦損傷患者的肢體運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)提供了前期的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。