个性化与非个性化神经刺激方案在改善言语和肢体反应时间方面的效果

《Neuroscience》：Effects of personalized vs. non-personalized neurostimulation protocols in improving speech and limb reaction times

经颅电刺激不同协议（HD-tACS、tRNS、HD-tDCS）改善神经典型成年人言语和肢体反应时间，个性化beta频段HD-tACS和tRNS显著有效，与HD-tDCS无差异，提示交替刺激的神经调节机制。

　　

Fatemeh Tabari|Joel Isaac Berger|Arend W.A. Van Gemmert|Melda Kunduk|Karim Johari

人类神经生理学与神经调节实验室，路易斯安那州立大学传播科学与障碍系，美国路易斯安那州巴吞鲁日市70803

摘要

在神经系统疾病中，辅助运动区（SMA）的异常活动与言语和肢体运动障碍有关。通过非侵入性神经调节技术对SMA的异常神经活动进行矫正，在改善运动和非运动功能方面显示出良好的效果。然而，关于经颅电刺激（tES）应用于左侧SMA作为改善言语产生的潜在非侵入性方法的研究仍然有限。在这项研究中，我们考察了多种tES方案（包括高清晰度经颅交流电刺激（HD-tACS）、经颅随机噪声刺激（tRNS）和直流电刺激（HD-tDCS）对正常成年人言语和肢体反应时间的影响。在双实验设计中，两组神经功能正常的参与者接受了多次刺激：实验1）假性HD-tACS，根据每个人的最大SMAβ活动频率（15–30 Hz）调整的HD-tACS（针对言语或肢体），或HD-tRNS；实验2）假性刺激、阳极或阴极HD-tDCS。刺激后，参与者被要求执行言语-肢体交替任务。与假性刺激相比，针对左侧SMA的个性化β波HD-tACS和HD-tRNS显著改善了言语和肢体运动的反应时间，而HD-tDCS则没有这种效果。这些发现表明HD-tACS和HD-tRNS在改善年轻成年人言语和肢体反应时间方面具有相似的神经调节作用。本研究具有探索性，需要在更大样本量下进行重复验证。

引言

辅助运动区（SMA）——前方称为前SMA，后方称为SMA——在精细运动技能和灵巧动作的协调与执行中起着关键作用（Dominik等人，2024年；Ehrsson等人，2002年）。SMA在言语运动控制中的整合性体现在其连接性上，它接收来自基底神经节的输入，通过额斜束（FAT）与下额叶（IFG）建立连接，并与喉部运动皮层（LMC）形成双向连接（Akkal等人，2007年；La Corte等人，2021年；Simonyan和Horwitz，2011年）。多项功能性磁共振成像（fMRI）研究也显示，在需要精确协调和时序的复杂自主肢体运动过程中，SMA会被激活（Hiroshima等人，2014年；Lewis等人，2004年；Nakagawa等人，2016年）。

经颅磁刺激（TMS）对SMA的短暂干扰会暂时中断言语产生（Brugger等人，2015年；Schramm等人，2019年）和肢体运动（Nakajima等人，2015年；Watson等人，1986年）。SMA损伤还与失语、言语停止、言语障碍、获得性口吃、失用症、步态异常以及双手协调能力下降有关（Brinkman，1981年；Chung等人，2004年；Della Sala，2002年；Krainik等人，2003年；Wieshmann等人，1997年；W?ber等人，1999年；Ziegler，1997年）。此外，对SMA后部进行电皮层刺激会导致言语停止和上下肢弛缓性偏瘫（Hiroshima等人，2014年）。

对SMA应用非侵入性脑刺激（NiBS）技术已被证明可以改善认知和运动功能（Dai等人，2022年；Hupfeld和Ketcham，2016年；Lu等人，2018年；Mi等人，2019年；Shirota等人，2013年；Yokoe等人，2018年）。越来越多的研究报道了经颅电刺激（tES）或磁刺激（例如重复TMS）对SMA的作用，发现可以调节运动和非运动功能（Bhat等人，2023年；He等人，2021年；Lee等人，2019年；Shirota等人，2013年；Trung等人，2019年；Yokoe等人，2018年）。SMA和前SMA也是强迫症（OCD）中神经调节的有趣目标，这种疾病的特点是电路过度活跃和控制机制受损，应用这些技术可以改善运动和认知控制功能（Gowda等人，2019年；Mantovani等人，2009年）。然而，关于在这些技术尤其是tES应用于言语方面的影响的研究仍然较少（Bakhtiar等人，2023年；Buchwald等人，2019年；Garnett等人，2019年）。

作为一种tES技术，tDCS通过在阴极（负电极）和阳极（正电极）之间施加恒定且低强度的直流电来调节目标区域的神经元静息膜电位，而不直接产生动作电位（Woods等人，2016年）。阴极tDCS通过使神经元过度极化来抑制皮层兴奋性，而阳极tDCS则通过诱导去极化产生兴奋效应（George和Aston-Jones，2010年；Miranda等人，2006年）。这种方案被广泛用于改善运动和认知功能（Ciullo等人，2020年；Qi等人，2022年）。

高清晰度经颅交流电刺激（HD-tACS）是一种新兴的tES干预策略。它是一种更具针对性的刺激方式，可以通过训练神经振荡来增强认知功能（Ali等人，2013年；Cho等人，2022年；Kim等人，2021年；Lang等人，2019年；R?hner等人，2018年）。迄今为止，多项研究支持使用不同频率范围（4–80 Hz）的固定刺激波形来增强运动和认知结果的tACS方案（Bjeki?等人，2022年；Guerra等人，2018年；Huang等人，2021年；Mioni等人，2020年；Pahor和Jausovec，2014年；Suzuki等人，2022年）。为了确保tACS效果的稳健性，定制刺激频率至关重要，因为当刺激频率与内在节律相匹配时，tACS引起的同步效应更为有效（Kasten等人，2016年；Reato等人，2010年）。这一点尤为重要，因为节律性神经活动有助于时间预测和感觉运动整合（Barbaresi等人，2024年；Jensen，2002年）。多项研究表明，个性化tACS可以提升运动和认知表现（Castiglia等人，2018年；Del Felice等人，2019年；Takeuchi和Izumi，2021年）。

作为tACS的变体，经颅随机噪声刺激（tRNS）也通过调节神经振荡在运动康复和认知增强中具有潜在应用（Paulus等人，2016年；Vanneste等人，2013年）。在tRNS中，电流通常以0.1至640 Hz的随机频率和1250样本/秒的采样率传递（Melnick等人，2020年）。研究表明，tRNS通过提高信噪比、刺激区域的皮层兴奋性和神经可塑性来改善感觉运动和认知功能（Brancucci等人，2023年；A. Fertonani，C. Pirulli，C. Miniussi，2011年；Melnick等人，2020年；Moret等人，2019年；Pasqualotto，2016年；W. Potok等人，2022年；A. Snowball等人，2013年；van der Groen和Wenderoth，2016年）。然而，其在言语方面的潜在影响尚未得到充分探索。

基于现有证据，我们旨在比较几种假性对照方案（包括个性化β波段（13–30 Hz）HD-tACS、HD-tRNS和HD-tDCS（阴极和阳极）对言语产生和肢体运动反应时间（RTs）的调节效果。将这三种方案纳入我们的研究，使我们能够推测不同的神经调节方法可能根据任务的时间和感觉运动需求产生不同的影响。这种刺激类型的差异涉及广泛的神经生理过程和不同的神经调节动态。选择β波段HD-tACS是基于早期研究显示在运动和非运动任务中SMA在此频率范围内的活动（Akaiwa等人，2024年；Gompf等人，2017年；S?r?s等人，2017年；Wang等人，2021年）。基于先前的研究（Castiglia等人，2018年；Del Felice等人，2019年；Feurra等人，2011年），我们假设针对SMA的个性化β波段HD-tACS会对言语和肢体运动反应产生促进作用。根据现有文献和个性化方案的潜力，我们进一步假设个性化HD-tACS会比HD-tDCS更有效地促进言语和肢体RTs。HD-tRNS被用作一个积极的、非个性化的对照条件，其光谱与HD-tACS相似，并引起类似的头骨感觉。这使我们能够检验行为结果是由于相位和频率特定的振荡同步引起的，还是可以通过任何交替的、基于噪声的刺激获得。

本研究包括两个实验。实验1（HD-tACS和tRNS）和实验2（HD-tDCS）的行为数据最初来自两个具有不同目的的独立数据集。虽然每个数据集已在两篇独立论文中报告（Tabari等人，2025年；Tabari等人，2024年），但没有一项研究在同一概念框架内对所有三种方案进行了跨实验比较。本研究整合了这两个数据集，以评估所有刺激技术在言语运动功能方面的新颖和系统比较。

材料与方法

参与者年龄在18至23岁之间。纳入标准包括右利手、视力正常或矫正至正常、母语为英语，且无神经系统疾病或任何言语、语言和/或听力障碍的历史。所有参与者都签署了书面同意书，并获得了报酬或课程学分作为时间的补偿。本研究获得了路易斯安那州立大学机构审查委员会的批准。

结果

图3和图4展示了各种tES方案下的RTs。实验1和2中假性条件之间的差异不显著（言语t₍₄₄₎ = -1.29，p = 0.20，d = -0.38；肢体t₍₄₄₎ = -0.3，p = 0.77，d = -0.09），表明两组在基线时对刺激的反应相似。进行了重复测量方差分析（ANOVA），以检查不同刺激类型（HD-tACS/tRNS和HD-tDCS）对实验1和2中言语和按键反应时间（RTs）的影响（图3）。

讨论

左侧SMA在自愿动作的准备和启动中起着关键作用，包括言语产生和肢体运动（Makoshi等人，2011年；Riecker等人，2005年；Tabari等人，2024年；Tanji，1994年）。诸如tES方案之类的刺激技术提供了一种更安全、更局部的方法来探索SMA功能，并具有使言语产生正常化的潜力（Tabari等人，2024年）。本研究是首次尝试比较三种

未引用的参考文献

Fertonani等人，2011年；Lu等人，2019年；Potok等人，2022年；Potok等人，2022年；Sá Canabarro，2020年；Snowball等人，2013年。

CRediT作者贡献声明

Fatemeh Tabari：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，数据分析。Joel Isaac Berger：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，数据分析。Arend W.A. Van Gemmert：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，数据分析。Melda Kunduk：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，数据分析。Karim Johari：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法学，资金获取，

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