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本研究利用双位点成对脉冲经颅磁刺激（TMS）技术，系统探讨了背外侧前额叶皮层（DLPFC）对初级运动皮层（M1）的调控作用，揭示了双侧DLPFC在静息状态下对左侧M1存在稳定、非特异性的促进性调节，并发现此效应在卒中患者受损的M1中仍然保留。研究同时发现了对右侧M1调控的缺失，提示DLPFC-M1通路的功能存在偏侧化特性，为理解认知-运动整合的生理机制及开发靶向神经康复策略提供了重要依据。
1 引言
初级运动皮层（M1）是自主运动的最终输出通路，也是治疗运动障碍神经调控领域的核心靶点。然而，单纯针对M1的干预在解决脑损伤后伴随的认知-运动整合缺陷方面往往效果有限。近年来，背外侧前额叶皮层（DLPFC）——一个参与决策、注意等高级认知功能的关键脑区，在神经康复领域展现出独特价值。通过其对运动皮层的自上而下调控，DLPFC能够弥补单独调控运动区的不足。这一机制的基础在于DLPFC通过同侧和对侧的多突触通路对包括M1在内的运动皮层施加神经影响的能力。这些连接使DLPFC能够在运动控制中介导执行功能、反应选择、启动和抑制等高级认知过程，从而构成一个全面的认知-运动调控网络。因此，当代神经康复范式正逐渐从单一的M1调控，转向涉及DLPFC-M1双重靶点协同干预的新策略。这种基于神经环路机制的整合疗法，不仅有望优化运动输出，还能通过重塑认知-运动界面，为促进损伤后的神经重组开辟新的治疗维度。
探究DLPFC对M1的调节作用，对于揭示认知与运动整合的神经机制具有重要意义。与衰老或神经系统疾病（如帕金森病、阿尔茨海默病、卒中）相关的运动和认知功能下降，常伴随着相关脑网络连接的损伤。因此，阐明DLPFC-M1环路的功能连接特性，不仅有助于更深入地理解大脑运动控制网络的工作机制，也为认知-运动障碍的临床治疗提供了关键的神经生理学证据。目前，关于DLPFC调控M1的发现仍存在争议：一些研究报告了抑制作用，另一些观察到了促进作用，还有一些则未发现显著影响。这些研究大多孤立地考察了同侧半球内或对侧半球间的连接，未能系统地比较二者之间的差异。此外，左右DLPFC被认为具有不同的功能特性——左DLPFC可能更多地参与运动执行与控制，而右DLPFC则更多地参与运动抑制。然而，这种功能偏侧化是否导致对M1的调节效果不同，尚需进一步研究。另外，现有研究主要在健康人群中进行，在脑损伤模型中的验证尚不充分。尤其是卒中后DLPFC对受损M1的调控是否发生变化，仍有待深入探究。
为此，本研究采用双位点成对脉冲经颅磁刺激（TMS）技术，通过四项独立实验，系统评估了DLPFC对M1的调节作用。该技术通过精确控制条件刺激（CS）与测试刺激（TS）之间的时间间隔和强度，能有效探测DLPFC对M1兴奋性的即时调节效应。研究首先评估了双侧DLPFC对M1的整体调节效应，接着比较了同侧与对侧DLPFC调节效应的差异，同时分析了左右DLPFC的功能偏侧化对其调控M1的影响。我们假设，鉴于左DLPFC在运动执行中可能的主导作用，其对M1（即使是跨半球以及在存在脑卒中的情况下）将产生更强的促进作用。更重要的是，本研究旨在将这些基础发现扩展到脑损伤后的临床背景中。尽管卒中病灶通常不直接损害DLPFC-M1环路，但卒中后感觉运动整合缺陷普遍且持久，严重阻碍功能恢复。鉴于DLPFC在整合体感信息以指导运动控制中的关键作用，已有研究尝试通过刺激DLPFC来改善感觉运动整合。然而，在卒中后广泛网络重组的背景下，这一调控通路是否仍保持其功能效力，并能继续作为有效的干预靶点，研究尚不充分。因此，通过比较健康受试者和卒中患者，本研究探讨了脑损伤对DLPFC-M1调节通路的影响，这将有助于阐明卒中后认知-运动网络的可塑性，并为开发基于精准神经调控的新型康复策略提供关键生理证据。
2 材料与方法
2.1 参与者
所有参与者均为通过爱丁堡利手问卷确定的右利手。患者组包括20名恢复期卒中患者，其诊断符合中国急性缺血性卒中诊疗指南并满足国际公认的AHA/ASA管理标准。根据颅脑CT结果，患者被分为左半球病灶组和右半球病灶组。此外，招募了10名无神经系统疾病史的健康志愿者。所有参与者均接受TMS禁忌症筛查并签署知情同意书。研究获得深圳市龙岗区人民医院伦理委员会批准。
研究样本包括三个不同的参与者组：10名健康对照者、10名左半球卒中患者和10名右半球卒中患者。实验设计基于两个因素：参与者组别（健康、左卒中、右卒中）和M1刺激目标的偏侧性（与条件化DLPFC同侧或对侧）。这些因素的组合定义了四个核心实验条件，对应于以下四种实验配置：健康-左侧M1组、健康-右侧M1组、患者-左侧M1组、患者-右侧M1组。
2.2 运动诱发电位（MEP）记录
MEP使用经颅磁刺激仪集成的MEP（肌电图，EMG）模块进行记录。所有参与者在安静、放松的仰卧位下接受测试。记录电极置于目标手臂短展肌肌腹，参考电极置于同一肌肉肌腱处，接地电极置于手腕。这种放置方式符合指南建议，是记录M1支配手部肌肉MEP的最佳方式。
2.3 经颅磁刺激（TMS）
本研究采用双位点成对脉冲TMS范式，使用一台经颅磁刺激仪和两个八字形线圈。所有参与者在安静、放松的仰卧位接受刺激。静息运动阈值（RMT）根据国际标准定义。TS强度设定为120% RMT。参考先前研究，并考虑患者耐受性和操作安全性，最终将作用于DLPFC的CS强度设定为100% RMT。TS和CS的强度分别针对左右半球独立确定。CS线圈置于左或右DLPFC，在CS施加后20毫秒，将TS施加于同侧或对侧M1的热点。该成对脉冲范式通过两个独立的八字形线圈物理实现，一个线圈置于目标DLPFC上方施加CS，另一个置于目标M1上方施加TS。
以实验1（健康-左侧M1组）为例：首先确定每个参与者针对指定肌肉的左侧半球RMT。随后，每位参与者按随机顺序接受三种刺激条件：单脉冲条件、双脉冲条件（左DLPFC）、双脉冲条件（右DLPFC）。这种成对脉冲范式基于一个已确立的生理学原理：当刺激间隔（ISI）设定在大约8-40毫秒范围内时，施加于条件化部位的超阈值CS可以对随后在对侧静息目标肌肉中诱发的MEP波幅产生净促进作用。因此，本研究选择20毫秒的ISI，位于这一经典的促进性时间窗内，旨在专门探究DLPFC对M1兴奋性的兴奋性影响。
每个MEP的峰-峰幅度由设备集成软件在刺激后20-50毫秒的时间窗内自动识别和提取。对于单脉冲基线，至少收集10个有效试验。每个双脉冲条件则连续施加30-40个试验以获得稳健的反应集合。离线后，将所有扫描波形叠加进行视觉检查。主要质量控制基于波形一致性：排除噪声过大或与常见反应模式显著偏离的试验。从剩余试验中，识别出大约20-30个表现出高度形态学一致性的波形子集。每个双脉冲条件的最终MEP幅度计算为该一致性子集中所有试验的平均值。为确保数据稳定性，整个采集过程对每种条件重复三次。将三个平均值的平均值作为该条件的最终MEP幅度用于后续统计分析。为避免不同条件之间的干扰，每种条件的刺激在不同实验日进行。
2.4 条件刺激部位
基于先前研究验证的具体反应，本研究将布罗德曼46区定义为DLPFC的目标位置。每位参与者的DLPFC精确位置基于其个体T1加权结构磁共振成像扫描进行个体化确定和导航。
2.5 数据分析
所有MEP幅度数据均使用SPSS软件进行处理。由于夏皮罗-威尔克检验确认数据呈非正态分布，因此数据以中位数（四分位距）表示。使用弗里德曼检验分析各组内不同刺激条件下MEP幅度的差异。随后使用威尔科克森符号秩检验对所有可能的刺激条件组合进行事后两两比较。为控制多重比较导致的I类错误膨胀，所有两两比较的p值均采用邦弗朗尼校正法进行调整。
3 结果
3.1 DLPFC对健康参与者M1的调节作用
在健康参与者中，实验1（健康-左侧M1组）的弗里德曼检验显示，不同刺激条件对左侧M1的MEP幅度有显著影响。事后分析表明，与单脉冲条件相比，同侧（左）DLPFC条件刺激和对侧（右）DLPFC条件刺激均显著增强了左侧M1的兴奋性。同侧和对侧DLPFC的调节效应之间无显著差异。然而，在实验2（健康-右侧M1组）中，未观察到不同刺激条件对右侧M1 MEP幅度的显著影响。
3.2 DLPFC对卒中患者M1的调节作用
在卒中患者中，实验3（患者-左侧M1组）的弗里德曼检验显示，不同刺激条件对受损（左侧）M1的MEP幅度有显著影响。事后分析表明，与单脉冲条件相比，同侧（左）DLPFC条件刺激和对侧（右）DLPFC条件刺激均显著增强了受损M1的兴奋性。同侧和对侧DLPFC的调节效应之间无显著差异。相比之下，在实验4（患者-右侧M1组）中，未观察到不同刺激条件对受损（右侧）M1 MEP幅度的显著影响。
4 讨论
本研究使用双位点成对脉冲TMS技术，系统研究了左右DLPFC对同侧和对侧M1兴奋性的调节作用。结果显示，当靶向左侧M1时（实验1和3），同侧和对侧DLPFC均表现出相似且显著的促进作用，未观察到左右DLPFC的功能偏侧化或通路特异性（半球内/半球间）差异。一方面，关于左右DLPFC的功能特异性，尽管大量文献表明左DLPFC可能更多地参与运动执行与控制，而右DLPFC更多地与抑制功能相关，但本研究在静息状态下并未观察到如此明确的偏侧化。这与Hasan等人的发现不同，他们的研究是在特定行为任务背景下进行的，整合了认知-运动需求，而本研究测量的是静息态下的基线连接。这表明DLPFC对M1的调节可能是高度状态依赖性的，在复杂的认知需求下功能偏侧化才会变得突出。相反，在基础的静息状态下，双侧DLPFC可能通过共享或平行的通路对M1施加相似的、非特异性的促进性影响。
另一方面，关于调节通路（半球内与半球间），本研究的一个关键发现是同侧和对侧DLPFC→M1通路的调节效应没有显著差异。这与一些强调半球内连接占主导地位的研究形成对比。考虑到DLPFC和M1之间缺乏直接的解剖连接和直接的白质纤维束，这种同侧和对侧调节效应相似的神经机制值得进一步研究。正如Neubert等人提出的模型，DLPFC对M1的调节很可能是通过一个复杂的多突触网络介导的。该模型假设前额叶信号可能通过共同的“中继站”（如背侧前运动皮层或基底神经节环路）进行中继。我们的发现为这一机制提供了强有力的电生理学证据，表明来自半球内和半球间通路的信号最终可能在这个多突触网络内汇聚，从而在M1水平产生相似的净兴奋效应。
更重要的是，本研究将上述发现扩展到了脑损伤的背景下。以往的研究主要集中在健康人群。我们的结果表明，在卒中患者的受损M1中，仍然存在由双侧DLPFC介导的、与健康对照组相似的促进效应。这一发现与Fujiyama等人和Verstraelen等人的观察结果一致并得到佐证，他们报告了在复杂的双手任务中，双侧DLPFC可以促进对侧M1。此外，本研究进一步将这种半球间调节的功效扩展到卒中恢复期患者的静息状态。这表明，尽管存在脑损伤，但从双侧DLPFC到受损M1的调节通路，特别是半球间通路，仍保留了一定程度的完整性和功能活性。这为理解损伤后网络重组以及开发针对DLPFC的新型康复策略提供了重要的电生理学证据。
然而，与左侧M1观察到的明确反应形成鲜明对比的是，在针对右侧M1的实验（实验2和4）中，任何组别均未观察到DLPFC的显著调节效应。这一偏侧化的结果发人深省。考虑到本研究招募的所有参与者均为右利手，右侧M1（通常对应非优势手）固有的皮质脊髓束兴奋性水平和网络连接强度可能本质上低于左侧M1（优势半球）。这与先前关于运动皮层兴奋性半球不对称性的报告一致。因此，目前的结果可能反映了DLPFC对M1调节存在“优势半球偏好”，表明其对应对优势手的M1的调节更为敏感和有效。另一种可能的机制在于左右DLPFC本身在运动记忆和力量控制等特定功能中的分工，正如Jin等人的研究所示。这种功能特异性可能导致在调节非优势M1时，需要不同的模式或条件（例如刺激参数）。除了不同的刺激参数，还应考虑不同的脉冲波形，尽管双相脉冲波形是现代许多TMS设备的标准配置，并且也用于先前关于DLPFC-M1连接的关键研究中，这确保了我们的结果与现有文献的直接可比性。然而，双相脉冲在皮层内的电流方向与单相波形不同，这可能导致不同神经元群体和中间神经元环路的差异性激活，从而可能调节成对脉冲连接测量的净结果。未来的研究可以直接比较不同脉冲波形对该通路的影响。
尽管如此，本研究存在一些局限性。例如，所采用的刺激参数相对统一。未来研究中系统性地改变这些参数可以更全面地揭示DLPFC-M1环路的功能特性。此外，目前的结果是在静息状态下获得的；该环路在运动或认知任务中的作用仍有待进一步探索。另外，样本量有限且完全来自右利手人群，在将研究结果推广到更广泛的人群时需要谨慎。展望未来，扩大样本量、结合跨多种行为范式的参数优化设计、招募更多样化的参与者，将能够更深入地阐明DLPFC-M1通路的调节机制及其临床转化潜力。
5 结论
总之，本研究利用双位点成对脉冲TMS技术证实，在静息状态下，双侧背外侧前额叶皮层对左侧初级运动皮层施加显著且效果相似的促进性调节。这种效应不受半球内或半球间通路的限制，很可能通过一个共享的多突触中继网络介导。重要的是，这种调节模式在卒中患者的受损M1中持续存在，表明脑损伤后相关通路具有一定程度的可塑性。这为开发基于DLPFC-M1环路的神经康复策略提供了重要的理论基础。然而，对右侧M1缺乏显著的调节效应表明，其潜在机制可能表现出偏侧化特征。未来的研究应在优化刺激参数、结合行为任务和扩大样本量的基础上，进一步揭示这一环路的完整功能图谱。
