基于双阻尼正弦模型的TMS诱发响应时空动力学分析：揭示皮层位点与刺激条件的特异性效应

《Neuroscience Informatics》：Spatiotemporal Dynamics of TMS-Evoked Responses: A Dual Damped Sine Model Analysis of Cortical Site and Stimulation Condition Effects

本研究针对经颅磁刺激联合脑电图（TMS-EEG）技术中TMS诱发电位（TEPs）生理意义解读困难的问题，提出双阻尼正弦（DDS）模型，将TEP分解为振幅（A1、A2）、频率（f1、f2）和阻尼常数（γ1、γ2）等参数。通过分析公共数据集ds001849发现，早期TEP窗口（15-80 ms）存在显著的位点与条件特异性差异，主动TMS在背外侧前额叶皮层（DLPFC）诱发更强振幅与阻尼。该模型为TMS-EEG提供了机制性解读框架，填补了波形分析与神经生理学解读间的空白。

　　

当我们用磁脉冲轻轻“敲击”大脑皮层时，脑电图会记录下一系列复杂的电信号波动，这就是经颅磁刺激联合脑电图（TMS-EEG）技术所捕捉的TMS诱发电位（TEPs）。这些信号如同大脑对外界扰动的一串“回音”，蕴含着皮层兴奋性、连接性等关键信息。然而，这些回音中混杂着大量听觉、体感等伪迹，且传统的描述性分析方法难以揭示其背后的神经动力学机制。更棘手的是，我们始终无法确定TEP的哪些成分真正反映了刺激位点的特异性激活，哪些只是非特异性的全局网络响应。这一困境限制了TMS-EEG在基础研究和临床应用中作为可靠生物标志物的潜力。

为解决这一难题，发表在《Neuroscience Informatics》上的研究提出了一种名为双阻尼正弦（DDS）的新模型框架。该模型将TEP波形分解为两个指数衰减的振荡成分，通过六个参数（振幅A₁/A₂、频率f₁/f₂、阻尼常数γ₁/γ₂）量化皮层响应的动态特征。研究团队利用公开数据集ds001849（包含20名健康受试者在初级运动皮层M1、背外侧前额叶皮层DLPFC和后顶叶皮层PPC三个位点的主动与假刺激TMS-EEG数据），通过非线性最小二乘优化算法拟合模型，并采用线性混合模型与配对检验分析参数差异。

研究方法概要

研究采用标准化预处理流程，包括降采样、坏道插值、TMS伪迹剔除、滤波和两轮独立成分分析（ICA）去噪。DDS模型分别拟合早期（15-80 ms）和晚期（80-200 ms）时间窗口，以Levenberg-Marquardt算法优化参数。统计分析包括位点间、条件间及时窗间的多重比较，并采用错误发现率（FDR）校正。

结果分析

早期窗口（15–80 ms）：快速振荡与空间分化

早期TEP表现为高频、强阻尼的瞬态响应。DDS模型拟合精度中等（R²≈0.4），但参数分析显示：第一振荡器的阻尼（γ₁）和频率（f₁）在不同皮层位点间差异显著。例如，DLPFC的γ₁值显著低于M1和PPC，表明前额叶区域的响应衰减更慢。主动刺激仅在DLPFC引起第二振荡器振幅（A₂）升高，提示前额叶对直接皮层兴奋更敏感。

晚期窗口（80–200 ms）：低频同步与振幅主导

晚期响应转为低频、弱阻尼的振荡，模型拟合度显著提升（R²≈0.9）。此时，第二振荡器振幅（A₂）成为核心区分指标，三位点间均存在极显著差异。主动刺激在M1诱发更高的A₁、γ₁和f₁，同时抑制A₂，表明运动皮层的快速振荡成分增强而慢成分受抑。

早-晚时相转换：从局部瞬态到网络同步

早期到晚期的过渡呈现系统性参数演变：第一振荡器的振幅、阻尼和频率均下降约70%-98%，而第二振荡器极性反转且振幅增长200%，模型解释力翻倍。这反映了皮层响应从局部高频爆发向全局低频同步的转变。

参数协同与动力学重构

早期响应以阻尼-频率耦合为主，晚期则以振幅重组为核心。M1在晚期窗口的主动刺激效应进一步体现为振荡器间能量的重新分配：快速成分（A₁/γ₁/f₁）增强，慢速成分（A₂）减弱，揭示了刺激条件对局部兴奋-抑制平衡的特异性调控。

结论与意义

DDS模型通过参数化分解TEP，证实了早期响应（15-80 ms）以位点特异性阻尼和频率差异为主，晚期响应（80-200 ms）则表现为跨皮层的振幅重组。尽管主动与假刺激共享主要的振荡模式，但M1在晚期的参数偏移表明直接皮层兴奋可调节局部振荡能量分配。这一框架将传统波形分析提升为对神经动力学的机制性解读，为TMS-EEG在疾病生物标志物开发、皮层环路功能解析等领域提供了新工具。未来结合药理学或跨频率耦合分析，有望进一步揭示参数与神经递质动力学间的关联。