双位点β经颅交流电刺激调节双手协调任务中运动区间功能连接的作用与机制

　　为探索双位点经颅交流电刺激(tACS)对运动网络功能连接(FC)的因果调控作用，研究人员采用高清晰度双位点20 Hz tACS靶向双侧初级运动皮层(M1)，结合同步功能磁共振成像(fMRI)技术，在双手协调任务中发现零相位tACS可显著减弱半球间功能连接，且不同相位条件对运动前区(PM)和辅助运动区(SMA)的连接模式产生差异化调节。该研究为理解tACS对运动网络的非侵入性调控机制提供了重要影像学证据，对神经康复策略开发具有启示意义。

　　

在神经科学领域，大脑网络内部通信依赖于功能连接（Functional Connectivity, FC）的协调运作，这种动态连接不仅支撑着人类复杂的认知行为，更在运动控制中发挥着关键作用。特别是在双手协调任务中——从日常的打字、编织到实验室中的手指敲击任务——双侧运动皮层之间的协同运作至关重要。既往研究表明，运动网络中的β频段（13-30 Hz）功能连接与运动表现密切相关，更强的半球间耦合往往意味着更好的行为绩效。然而，这种相关关系是否具有因果性仍不明确，这限制了我们对运动网络调控机制的深入理解和临床应用开发。

针对这一科学问题，非侵入性脑刺激技术尤其是经颅交流电刺激（transcranial alternating current stimulation, tACS）展现出巨大潜力。tACS通过施加弱交流电于头皮，能够调节特定脑区的神经振荡活动，进而可能影响脑区之间的功能连接。尽管已有研究证实单侧tACS可调节静息态运动网络功能连接，但关于其在任务状态下、特别是针对双侧运动节点的调控效果，以及其与行为表现之间的因果关系，仍存在诸多未知。此外，当前研究多采用较低刺激强度（如2 mA），而较高强度电流可能更有效地引导神经振荡，从而更显著地调节功能连接。

在此背景下，Mareike A. Gann及其合作者在《Brain and Spine》发表了一项创新性研究，他们采用高清晰度双位点tACS靶向双侧初级运动皮层（M1），结合同步功能磁共振成像（fMRI）技术，探究在双手协调任务中不同相位条件的20 Hz tACS对运动网络功能连接及行为表现的影响。研究通过精密设计的实验范式、多模态数据采集和先进分析手段，试图回答以下几个关键问题：双位点tACS是否能有效调制运动网络的功能连接？这种调制是否依赖于任务状态？不同相位条件（如同步相位与随机相位）是否产生不同的神经调控效果？最终，这些神经层面的变化能否转化为行为上的改善？

为开展本研究，研究人员招募了24名健康右利手志愿者（最终纳入17人），采用within-participant重复测量设计，每位参与者接受三种类型的20 Hz tACS刺激：零相位（zero-phase, ZP）、抖动相位（jittered-phase, JP）和伪刺激（sham）。刺激通过高清晰度8电极蒙太奇施加，强度为4 mA峰峰值。在fMRI扫描期间，参与者执行快慢两种速度的双手交替握力任务，同步记录行为表现和脑活动数据。关键实验技术包括：基于个体头模型的电场模拟（SimNIBS）、同步tACS-fMRI技术、心理生理交互（PPI）分析以及线性混合效应模型统计方法。此外，研究还量化了刺激引起的感觉评分，并采用电场强度作为协变量分析其与功能连接的关系。

研究结果丰富而多层，主要发现如下：

3.1. E-field simulations quantified M1 targeting

通过个体化电场模拟，研究证实所使用的tACS蒙太奇能够有效靶向双侧M1区域，灰质中的最大电场强度达到0.45 ± 0.047 V/m，在M1区域为0.432 ± 0.050 V/m，表明刺激方案具有良好的目标特异性。

3.2. 20 Hz tACS to bilateral M1 did not modulate behaviour significantly

行为结果显示，任务速度显著影响双手协调表现，慢速任务下的协调性显著优于快速任务（p < 0.001）。然而，三种tACS条件之间未发现显著的行为差异，即ZP、JP和sham刺激在协调性评分和用力水平上均无统计学差异。电场强度与行为表现之间亦无显著关联。

3.3. tACS did not modulate task-related fMRI activation significantly

fMRI激活分析发现，双手协调任务显著激活了包括双侧M1、运动前区、辅助运动区、纹状体和小脑在内的经典运动网络。快慢任务速度在多个脑区激活水平上存在差异，但不同tACS条件之间的激活模式无显著差异，表明tACS主要影响功能连接而非局部激活。

3.4. General task-related fMRI functional connectivity of the M1 seeds

基于M1种子的心理生理交互分析揭示，在执行不对称双手任务时，双侧M1之间存在负性功能连接，且这种负连接在慢速任务中更强。同时，M1与同侧运动皮层及SMA等区域存在正连接，表明任务期间运动网络内部存在复杂的协调与抑制机制。

3.5. tACS modulated task-related functional connectivity between M1s

关键发现之一是，与sham刺激相比，ZP tACS显著减弱了双侧M1之间的负性功能连接（Cohen's d = 1.03），即ZP刺激使半球间连接趋于"正常化"。这一效应在控制感觉评分差异后仍然存在，表明其并非由刺激引起的感觉差异所驱动。

3.6. tACS modulated task-related functional connectivity between M1s and the rest of the motor network

研究还发现两种活性刺激条件对运动网络连接的差异化调节：JP条件相比ZP条件引起右侧M1与左侧运动前区之间更强的功能连接（Cohen's d = 1.09），以及左侧M1与SMA之间更强的连接（Cohen's d = 1.01）。这些结果表明不同相位条件的tACS可能通过不同的神经机制调节运动网络内部的通信模式。

3.7. Relationship between functional connectivity and individual E-field strengths

有趣的是，电场强度与功能连接之间的关系受到任务需求的调节：仅在慢速ZP刺激条件下，右侧M1区域的电场强度与双侧M1之间的功能连接呈现显著负相关，即较高的电场强度与更强的负性连接相关。这一发现提示tACS效应可能受到任务状态和个体电场分布的共同影响。

在讨论部分，作者深入分析了这些发现的科学意义和潜在机制。ZP tACS对半球间功能连接的减弱效应与最初假设相反，作者提出几种可能解释：固定频率（20 Hz）刺激可能未与个体化β振荡最佳耦合，反而引入了干扰；或者ZP刺激可能增强了半球间抑制（IHI），这与近期TMS研究结果一致。不同活性刺激条件对M1-PM和M1-SMA连接的差异化影响，可能反映了运动网络在面对不同相位刺激时采用的补偿性策略——在JP条件的不预测性刺激下，网络可能需要招募更多高阶运动区域以维持行为表现。

研究的阴性结果同样启人深思：尽管观察到功能连接的显著变化，但这些变化未转化为行为改善，可能表明运动系统具有强大的补偿能力，或者功能连接变化与行为之间并非简单线性关系。此外，刺激参数（固定频率、个体变异）和实验设计（样本量、刺激时长）可能限制了行为效应的检测。电场强度与功能连接之间的关系仅在特定任务状态下显现，突出了状态依赖性调控的重要性。

该研究的创新之处在于首次将高强度双位点tACS与同步fMRI结合，在任务状态下探究相位特异性刺激对运动网络功能连接的因果性调控。方法学上，研究采用高清晰度蒙太奇、个体化电场模拟和敏感的心理生理交互分析，为tACS-fMRI研究设立了新标准。结果层面，发现ZP tACS对半球间连接的减弱效应以及任务状态依赖的电场-功能连接关系，为理解tACS工作机制提供了新视角。

然而，作者也指出了研究的若干局限性：样本量较小可能限制行为效应的检测；固定频率刺激可能未优化个体振荡特性；sham刺激的10秒活性刺激可能引起潜在的神经效应；电场分布虽靶向M1但仍有一定范围扩散。这些因素为未来研究指明了改进方向：采用个体化频率、优化蒙太奇聚焦性、扩大样本量、结合多模态指标（如TMS测得的IHI或MRS测得的GABA水平），以及探索其他相位条件（如π相位）的效应。

总之，这项研究证实了双位点β-tACS在调制运动网络功能连接方面的潜力，揭示了相位特异性刺激对网络通信的差异化影响，强调了状态依赖性和个体差异在神经调控中的重要性。虽然目前未能证实行为水平的显著改善，但为未来开发更为精准、个体化的非侵入性脑刺激策略奠定了重要基础，不仅对运动神经科学有理论意义，更为神经康复（如卒中后运动恢复、帕金森病治疗）提供了新思路。随着技术的不断完善和机制的深入解析，双位点tACS有望成为解析脑网络因果关系、促进脑功能修复的强大工具。