探索和優(yōu)化正極性的經(jīng)顱直流電刺激老年人初級運動皮層的神經(jīng)可塑性效應

1. 研究背景

tDCS調(diào)節(jié)皮質(zhì)可塑性，并顯示出改善健康年輕人的認知/運動功能的潛力。然而，與年齡相關(guān)的大腦結(jié)構(gòu)和功能的改變可能需要tDCS參數(shù)的調(diào)整，以實現(xiàn)老年人的靶向可塑性效應，從年輕人獲得的結(jié)論可能不能直接轉(zhuǎn)移到老年人。因此，我們的研究旨在系統(tǒng)地探討tDCS參數(shù)和誘發(fā)的后效對運動皮層興奮性的影響，以確定老年人的最佳刺激方案，并探討兩種不同年齡組老年人運動皮層可塑性的年齡相關(guān)性差異。

2. 研究方法

2.1 被試

選取32名健康、不吸煙的參與者，并分為兩個年齡組：16名Young-Old組參與者（8名女性，平均年齡59.13歲，SD = 4.47歲）和16名Old-Old組參與者（8名女性，平均年齡73.13歲，SD = 5.04歲）。所有被試都是右利手，無精神、神經(jīng)類疾病，并且沒有無創(chuàng)腦電和磁刺激的經(jīng)歷。采用MMSE測試對認知狀態(tài)進行臨床評價，24名參與者接受了結(jié)構(gòu)MRI檢查，且未發(fā)現(xiàn)異常。有8名參與者拒絕接受結(jié)構(gòu)MRI檢查。

表1. 參與者的人口學特征 

2.2 實驗過程

經(jīng)顱直流電刺激觸及運動皮層

tDCS通過一對鹽水浸泡的表面海綿電極(5× 7cm)，并由一個恒流電池供電的刺激器提供，最大輸出為4mA (neuroConn, Ilmenau, Germany)。經(jīng)顱磁刺激(TMS)識別，目標電極以45°從中線固定在右側(cè)小指外展肌(ADM)的代表區(qū)域上，返回電極對側(cè)放置在右側(cè)眶上區(qū)域上。基于實驗條件，所有參與者接受正極性的tDCS，強度為1、2或3 mA，持續(xù)時間為15、20或30分鐘(刺激開始和結(jié)束時有10秒的上升和下降)。對于假刺激條件，1 mA刺激15 s，以10 s的升降時間，然后保持0 mA刺激15 分鐘。頭皮上電極邊緣之間的距離至少為6 cm。在電極下進行tDCS之前，在頭皮上涂抹表面麻醉乳膏，以減少刺激的不適感覺，并確保參與者對實驗目的的未知。

2.3 數(shù)據(jù)采集和處理

經(jīng)顱磁刺激術(shù)測量運動皮層興奮性

單脈沖TMS以0.25Hz作用于左初級皮層，有PowerMag 磁刺激器（Mag&More, Munich, Germany）的“8”字性磁線圈（一個線圈直徑70mm, 峰值磁場，2T）。線圈以前后方向固定，距正中矢狀面45°，與顱骨切線，手柄指向后。采用腹腱蒙太奇金杯電極記錄右側(cè)ADM肌表肌電。模擬肌電信號在5 kHz采樣，使用微型1401 AD轉(zhuǎn)換器(Cambridge Electronic Design, Cambridge, UK)，在3Hz-3kHz放大(1000)和帶通濾波，使用D440-2 (Digitimer, Welwyn Garden City, UK)。用Signal軟件(Cambridge Electronic Design, version 4.0)記錄和分析肌電測量數(shù)據(jù)，并離線存儲以供進一步分析。

實驗程序

本研究采用隨機、交叉和單盲設計。要求參與者在有頭和扶手的躺椅上以一種放松的姿勢坐著。采用單脈沖經(jīng)顱磁刺激(TMS)在左側(cè)運動皮層識別右側(cè)ADM的表征區(qū)，中等強度經(jīng)顱磁刺激在該區(qū)域誘發(fā)最大且穩(wěn)定的MEP振幅。這個熱點是用防水筆標記的，允許線圈在整個實驗中固定定位?；€TMS強度(最大刺激器輸出百分比，%MSO)被確定為平均MEP振幅約為1mV的峰-峰振幅(SI1mV)，并在整個治療過程中保持恒定。記錄30個MEP作為基線測定。之后，采用三種強度(1、2和3 mA)和持續(xù)時間(15、20和30 min)組合之一的正極性tDCS，包括假tDCS。tDCS后，每5分鐘用SI1mV注射半小時獲得30 MEP，刺激后每30分鐘至2小時，并在當天晚上(same day evening, SE)和第二天早上(next day morning, NM)進行兩次額外測量。所有參與者隨機參加10個單獨的實驗，包括假條件，每個實驗之間至少間隔7天，以避免遺留效應(圖1)。Young-Old組的8名參與者沒有完成最后兩個測量(即，SE和NM測量)，因為他們的工作計劃而未能完成。

圖1. 實驗過程

圖解：32名參與者被隨機分成10組。在每個療程中，首先對左側(cè)M1進行單脈沖TMS，以確定右側(cè)ADM的代表性區(qū)域，在該區(qū)域，給定的TMS強度誘發(fā)最大的MEP振幅。測定基線TMS強度，誘發(fā)MEP波幅約為1mV (SI1mV)。記錄30 MEPs作為基線測定。然后，在三種強度(1、2 & 3 mA)和持續(xù)時間(15, 20 & 30 min)組合，包括假tDCS。每5分鐘監(jiān)測一次后遺癥，持續(xù)至30分鐘，并在隨后的60分鐘、90分鐘、120分鐘、當天晚上(SE)和第二天早上(NM)進行監(jiān)測。

3. 實驗結(jié)果

表2. 基線MEP測量和TMS刺激強度（S1 1mA）

表2解釋：表中每個實驗條件的SI1mV和基線MEPs，作為Young-Old和Old-Old組的平均±SD。SI1mV是指誘發(fā)約1mv峰間平均MEP振幅所需的TMS強度(最大刺激器輸出百分比，%MSO)?；€MEP是指30個基線MEP記錄的平均振幅。方差分析結(jié)果顯示，SI1mV和基線MEP在不同階段和年齡組之間沒有顯著差異。

表3. 方差分析結(jié)果

表3解釋：4因素方差分析，進行探索tDCS強度的特定效應，MEP振幅振幅的持續(xù)時間，表現(xiàn)出顯著的持續(xù)時間的主要影響，epoch和trend-wise效應強度,以及強度的一個重要交互時間,但年齡沒有顯著的影響,以及其它的無交互作用。采用3因素方差分析探討不同tDCS條件對MEP振幅的影響，結(jié)果顯示tDCS條件和Epoch主效應顯著，條件和Epoch交互作用顯著，但年齡組和其他交互作用不顯著。對所有方差分析進行了Mauchly球度檢驗，并進行了Greenhouse-Geisser校正?！?”表示顯著的結(jié)果，d.f.=自由度。

圖2. 在Young-Old (A)和Old-Old (B)組中，正極性tDCS對運動皮層興奮性的早期、晚期和極晚期影響(合并MEP振幅)

圖2解釋：總平均MEP被分成三個時間段：早(0-30分鐘)、晚(60-120分鐘)和極晚(同一天晚上[SE] -次日早晨[NM])。誤差棒表示平均標準誤差。填充符號表明皮質(zhì)興奮性與各自的基線值有顯著差異(配對t檢驗，雙尾檢測，p<0.05)?！?”表示真實刺激與虛假刺激之間存在顯著差異(配對t檢驗，雙尾檢驗，p<0.05），由于Young-Old組的8名參與者沒有完成這些測量，因此非常晚的后遺癥不包括在各自的方差分析中(如虛線所示)。對各自基線值和假tDCS的事后比較表明，所有真正的陽極tDCS條件在刺激后的前30分鐘(早期)均誘導了顯著的皮質(zhì)興奮性增強。假tDCS沒有改變皮質(zhì)興奮性。與他們各自的基線和假tDCS相比，僅在3 mA-20 min和3 mA- 30 min條件下，兩組的極晚期(SE-NM)刺激后運動皮層興奮性顯著增強。事后比較顯示（Student’s Unpaired t檢驗，雙尾檢測，p<0.05）各刺激條件和匯集時間點組間差異均無統(tǒng)計學顯著差異。

圖3. Young-Old組(A1-3)和Old-Old組(B1-3)的運動皮層興奮性改變

圖3解釋：時間序列圖顯示了刺激后標準化MEPs，在tDCS后立即測量，每隔5分鐘至干預后30分鐘，然后每半小時至120分鐘Young-Old (A)和Old-Old (B)組的同日晚(SE)和次日早晨(NM)。圖3根據(jù)刺激強度分組：1 mA (A1, B1)， 2 mA (A2, B2)和3 mA (A3, B3)，每個刺激強度持續(xù)時間為15、20和30分鐘，假tDCS。誤差棒表示平均標準誤差。Young-Old組的8名參與者沒有完成SE和NM測量(用虛線表示)。

表4. 被試感知的tDCS和真實的tDCS強度

表4解釋：在每個階段，要求參與者在每個階段結(jié)束時猜測施加的直流電的強度(0,1,2,3 mA)。表4對比了應用強度和感知強度(列)?？ǚ綑z驗無顯著差異 (= 14.895, P = 0.094)，說明盲測法有效。

表5. 參與者評價副作用的存在和強度

表5解釋：在10種不同的刺激條件下，包括刺激時的視覺現(xiàn)象、瘙癢、刺痛、灼燒和疼痛，以及刺激后24小時內(nèi)的皮膚發(fā)紅、頭痛、疲勞、注意力不集中、緊張和睡眠問題，顯示出來參與者的副作用評級。對副作用的存在和強度進行了從0到5的數(shù)字評分，0代表沒有，5代表非常強烈的感覺。數(shù)據(jù)以平均±SD表示。

4. 結(jié)論

本研究中擴大了陽極tDCS的參數(shù)空間，包括電流強度和刺激時間(高達3 mA和30分鐘)，同時研究了兩個不同年齡組健康老年人運動皮層中正極性tDCS誘導的神經(jīng)可塑性的年齡相關(guān)性差異。

①在兩個年齡組中，所有主動刺激條件都導致了運動皮層興奮性的顯著增強。

②在該研究樣本中，正極性tDCS的促進效應在年齡組之間沒有顯著差異，因此，對陽極tDCS的響應性不受年齡的影響。

③觀察到兩種最高強度的刺激方案(即3 mA-20 min, 3 mA-30 min)的后期可塑性延長。

研究結(jié)果強調(diào)了刺激劑量在健康老年人運動皮層tDCS誘導的神經(jīng)可塑性后遺癥中的作用，并提供了相關(guān)信息，以確定最優(yōu)的刺激方案，潛在地適合恢復正常衰老中的功能衰退和損害。然而，這些結(jié)果從運動區(qū)域轉(zhuǎn)移到其他皮層區(qū)域并不是理所當然的，進一步的系統(tǒng)性探索對于評估正極性tDCS在其它衰老研究領(lǐng)域的有效性將是重要的。研究tDCS在衰老大腦中的作用對未來的臨床應用也具有潛在的重要性，包括腦損傷患者和神經(jīng)退行性疾病患者(如阿爾茨海默病)，而且這些疾病通常發(fā)生在老年期。

5. 文獻名稱及DOI號

Farnad, L. ,  Ghasemian-Shirvan, E. ,  Mosayebi-Samani, M. ,  Kuo, M. F. , &  Nitsche, M. A. . (2021). Exploring and optimizing the neuroplastic effects of anodal transcranial direct current stimulation over the primary motor cortex of older humans. Brain Stimulation(2).

DOI：10.1016/j.brs.2021.03.013