《Brain Organoid and Systems Neuroscience Journal》：Transient effects in corticospinal and reticulospinal tract excitability induced by motor skill and isometric resistance training
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运动技能训练单次干预可特异性增强皮质脊髓束兴奋性而不影响脊髓和孤束脊髓束神经适应性。该研究通过TMS和运动反应评估发现，复杂任务训练促进皮层下运动传导路径重塑，而传统抗阻训练未引发显著神经可塑性变化，为运动训练机制研究提供新范式。
雷切尔·霍索恩（Rachel Hawthorn）|娜塔莉·菲尔普斯（Natalie Phelps）|卡罗琳·阿特金森（Carolyn Atkinson）|罗道夫·基西（Rodolfo Keesey）|扎卡里·赛茨（Zachary Seitz）|聂海林（Haolin Nie）|伊斯梅尔·塞阿涅斯（Ismael Seá?ez）
美国密苏里州圣路易斯华盛顿大学生物医学工程系
摘要
协调运动依赖于多个神经回路的正确整合。运动训练可以改变控制运动的神经回路的兴奋性，但针对下肢的运动技能与等长阻力训练的具体影响仍不清楚。在这项研究中，我们测试了单次30分钟的有提示节奏的运动技能训练和等长阻力训练如何调节未受损成年人的皮质脊髓、网状脊髓和脊髓的兴奋性（N = 23）。通过经颅磁刺激（tMS）诱发的运动诱发电位（MEPs）发现，运动技能训练增加了皮质脊髓的兴奋性，而等长阻力训练则没有这种效果。相反，通过StartReact反应评估网状脊髓的兴奋性，并通过H/M比率、F波反应幅度和持续时间来测量脊髓的兴奋性，我们发现各神经回路的兴奋性基本保持不变。这些结果表明，短期运动技能训练选择性地增强了皮质脊髓的兴奋性，而对脊髓或网状脊髓回路没有明显影响。这些结果突显了任务复杂性对下肢远端兴奋性的影响，并为评估皮质脊髓、网状脊髓和脊髓回路之间的神经适应性提供了框架。
引言
人类运动系统中的神经兴奋性既受下行运动通路的内在特性影响，也受其对经验适应性反应的影响（Perez等人，2004；Sangari和Perez，2019；Siddique等人，2020）。各种训练模式后的神经通路活动依赖性重组（Angeli等人，2018；Bilchak等人，2021；Gill等人，2018；Seá?ez等人，2022；Wagner等人，2018）可以改变参与运动技能、姿势和协调的神经回路的兴奋性。因此，识别容易因不同形式的活动而改变兴奋性的神经通路对于理解运动控制以及开发能够选择性地激活目标回路的训练方法至关重要。
皮质脊髓和网状脊髓是主要的下行白质通路，它们向哺乳动物的脊髓运动神经元和中间神经元投射（Baker等人，2015；Jankowska和Edgley，2006；Lemon，2008）。研究表明，皮质脊髓通路有助于行走（Capaday等人，1999；Schubert等人，1997）和远端运动的自愿控制（Welniarz等人，2017）。虽然运动技能训练后皮质脊髓的兴奋性会增加（Perez等人，2004），但在特定的阻力训练（Ansdell等人，2020）和平衡训练（Bakker等人，2021）后似乎保持不变，而在下肢的运动诱发疲劳训练后则会降低（Clos等人，2020）。然而，最近一项关于上肢的研究表明，将力量训练与外部提示（如节拍器）同步可能会为训练增加技能或复杂性成分，从而提高皮质脊髓的兴奋性（Leung等人，2017）。网状脊髓通路被认为参与姿势调整（Nonnekes等人，2015；Prentice和Drew，2001；Takakusaki，2017）、手部粗大功能（Baker和Perez，2017）、在运动中选择适当的力水平（Buford和Davidson，2004；Glover和Baker，2020）、调节屈肌和伸肌运动神经元以维持平衡（Drew等人，2004；Mackinnon，2018）以及执行双手任务（Maslovat等人，2020）。脊髓作为整合中心，皮质脊髓和网状脊髓的投射与控制运动的脊髓回路相互作用（Bilchak等人，2021；Moreno-López等人，2016；Pierrot-Deseilligny和Burke，2012；Siddique等人，2020）。然而，直接比较类似基于活动的训练后皮质脊髓、脊髓和网状脊髓通路变化的科学研究较少，尤其是在下肢方面，这限制了我们对神经适应性发生位置以及哪些运动回路对不同训练模式最敏感的理解。
在这项研究中，我们调查了单次有提示节奏的运动技能训练和有提示节奏的等长阻力训练对二十三名未受损个体的下肢肌肉的皮质脊髓、脊髓和网状脊髓通路兴奋性变化的影响。皮质脊髓的兴奋性是通过经颅磁刺激（TMS）诱发的运动诱发电位（MEPs）来测量的，具体针对右侧胫前肌。脊髓的兴奋性是通过相同肌肉的外周神经刺激诱发的H反射、M波（Lagerquist等人，2006；Poon等人，2008；Scaglioni等人，2002）和F波（Eisner-Janowicz等人，2023；Kumru等人，2021；Milanov，1992；Weber，1998）来评估的。网状脊髓的兴奋性是通过StartReact反应来评估的，该反应定义为在听觉刺激后反应时间的缩短，该刺激激活了网状脊髓（Fisher等人，2013），所有测量数据均在30分钟训练前后收集。我们假设单次运动技能训练会选择性地增强皮质脊髓的兴奋性而不影响网状脊髓的兴奋性，而阻力训练则会增强网状脊髓的兴奋性而不影响皮质脊髓的兴奋性。
参与者
三十二名未受损的参与者同意参与这项研究，该研究已获得圣路易斯华盛顿大学机构审查委员会的审查和批准，其中32人开始参与实验。有9人因以下原因被排除在分析之外：协议变更（N = 3）、参与者个人日程问题（N = 1）、TMS运动阈值过高（N = 1）、无法耐受TMS（N = 1）以及被认定为异常值（N = 3；其中一人是由于……）
光标控制的改善表明学习了新的运动任务
使用了一种新的BoMI来进行腿部运动技能训练，要求参与者学习精确、协调的动作来控制视觉运动任务中的光标（图2a）。来自第一个和最后一个训练阶段的代表性光标位置和速度曲线显示，在训练过程中身体协调性和光标控制有所改善（图2b）。更直的光标轨迹、更平滑的速度曲线、更少的峰值和更短的持续时间体现了这些改善。
仅运动训练而非阻力训练增加了皮质脊髓的兴奋性
我们的研究结果表明，在单次有提示节奏的运动技能训练后，皮质脊髓的兴奋性有明显的短期增强。与我们的假设一致，运动技能训练增强了皮质脊髓的兴奋性，而阻力训练则没有。这一区别符合Krakauer对运动技能学习的操作定义，该定义强调了获取和维持过程，进一步分为从头开始的学习、运动敏锐度和认知方面
研究的局限性
我们的研究通过同时考察多种参与运动控制的神经基质——即皮质脊髓、网状脊髓和脊髓回路——对不同训练模式的反应，推进了之前的研究。这种综合方法提供了对神经系统不同层面神经适应性和相互作用的更广泛见解。然而，相对较小的样本量（N = 23）和同质的人群（平均26岁的未受损参与者）限制了研究的深度
资金来源
这项工作部分得到了美国国立卫生研究院NINDS奖项K01NS127936的支持。NICHD奖项K12HD073945以及圣路易斯华盛顿大学生物医学工程系、神经外科系和麦克唐奈系统神经科学中心的内部资金也提供了额外支持。R.H.、C.A.、R.K.、Z.S.、H.N.、N.P.和I.S.从这些来源获得了部分支持。
写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT AI和Grammarly AI进行语法编辑。使用这些工具或服务后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对出版物的内容承担全部责任。
作者贡献声明
雷切尔·霍索恩（Rachel Hawthorn）：写作——审阅与编辑、撰写初稿、可视化、项目管理、调查、数据分析、概念化。娜塔莉·菲尔普斯（Natalie Phelps）：方法学、调查、数据分析。卡罗琳·阿特金森（Carolyn Atkinson）：写作——审阅与编辑、方法学、概念化。罗道夫·基西（Rodolfo Keesey）：写作——审阅与编辑、软件、方法学、概念化。扎卡里·赛茨（Zachary Seitz）：软件、资源、调查。聂海林（Haolin Nie）：软件。伊斯梅尔（Ismael）：利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。
