文章來源于微信公眾號(茗創(chuàng)科技),歡迎有興趣的朋友搜索關注烁落。
有研究者認為熄云,與年齡相關的GABA能系統(tǒng)的神經(jīng)化學和神經(jīng)生理學特性的改變可能是老年人反應時間(RT)增加的原因。然而诉稍,在快速運動反應的加工階段蝠嘉,感覺運動皮層(SMC)中GABA水平在調(diào)節(jié)大腦半球間相互作用(IHi)中的作用,以及這兩種特性如何解釋反應時間的個體差異均唉,目前還不完全清楚是晨。
本研究采用磁共振波譜分析(MRS)聯(lián)和雙位點經(jīng)顱磁刺激(dsTMS)的方法,分別檢測雙側SMC的GABA+水平和任務相關的皮質脊髓興奮性(CSE)舔箭、初級運動皮層(M1)-M1和背側前運動皮層(PMd)-M1的IHi罩缴。在延遲選擇RT任務的準備階段和運動前階段對CSE和IHi進行評估。數(shù)據(jù)來自25名年輕人(年齡18-33歲)和28名老年(60-74歲)层扶,均為健康成年人箫章。
本研究結果表明,無論IHi的方向如何镜会,與年輕人相比檬寂,老年人在準備階段表現(xiàn)出雙側CSE抑制的減少,以及長潛伏期M1-M1和PMd-M1去抑制的幅度減少戳表。重要的是桶至,老年人的雙側SMC中的GABA+水平部分解釋了任務相關的神經(jīng)生理調(diào)節(jié)以及RT中的個體差異。相反匾旭,在年輕人中镣屹,無論是與任務相關的神經(jīng)生理調(diào)節(jié),還是RT中的個體差異价涝,都與SMC GABA+水平無關女蜈。
總的說來,本研究的研究要點如下:
1.研究了年輕人和老年人中運動前-運動網(wǎng)絡動力學、GABA+水平和反應時間之間的相互影響伪窖;
2.老年人雙側SMC GABA+水平降低逸寓;
3.老年人表現(xiàn)出與任務相關的GABAB受體介導的缺陷;
4.老年人(前)運動-運動網(wǎng)絡動態(tài)改變和反應時間減慢至少部分是由較低的SMC GABA+水平解釋的覆山。
這篇研究有助于全面初步了解與年齡相關的神經(jīng)化學性質和神經(jīng)生理學過程的差異與RT增加之間的關系竹伸。
背景
健康衰老的特征是對外界刺激反應的意志性動作的逐漸減慢。當環(huán)境中不可預測的變化需要快速的適應性行為時汹买,例如在多種交通情況下佩伤,對外部信號快速反應能力的降低可能會對日常生活產(chǎn)生嚴重的影響。因此晦毙,揭示與年齡相關的反應速度下降的神經(jīng)機制對于促進老年人的功能性獨立和生活質量具有重要意義生巡。
通常使用視覺線索選擇反應時(RT)任務來評估與年齡相關的反應速度。選擇RT范式包括中央加工的不同階段见妒,包括刺激識別孤荣、動作選擇和反應過程。經(jīng)顱磁刺激(TMS)的相關研究已經(jīng)證明快速動作準備依賴于并行的多個抑制過程须揣。這些過程在精確響應啟動時間盐股、競爭過程輔助行動選擇以及調(diào)節(jié)背景噪聲以提高信噪比方面發(fā)揮作用。
通過將選擇性RT任務與初級運動皮層(M1)單脈沖TMS相結合耻卡,可以在中央運動反應過程的不同階段探索皮質脊髓興奮性(CSE)的調(diào)節(jié)疯汁。更具體地說,CSE的大小反映在運動誘發(fā)電位(MEP)的振幅上卵酪,該振幅由對側靶肌肉的肌電圖(EMG)電極記錄幌蚊。在預線索選擇RT任務的延遲期內(nèi),在選擇的和未選擇的效應器運動表征中都觀察到了CSE抑制溃卡。此外溢豆,我們以前的研究表明,老年人中 的CSE抑制沒有年輕人明顯瘸羡,這與老年人較長的RTs有關漩仙。確實有爭論說,與年齡相關的運動功能下降犹赖,例如RT的增加队他,至少可以部分解釋為隨著年齡的增長,對抑制性運動過程的調(diào)節(jié)變差峻村。然而麸折,與衰老過程中運動抑制功能失調(diào)相關的確切神經(jīng)生理機制和神經(jīng)化學性質,以及它們在RTs增加中的作用雀哨,目前還不完全清楚。
介導皮層運動抑制的主要神經(jīng)遞質是伽馬氨基丁酸(GABA)。GABA與兩種受體亞型(GABAA和GABAB)有明顯的親和力雾棺,每一種受體的皮質內(nèi)活性都可以通過M1上特定的成對脈沖TMS范式進行評估膊夹。一些研究發(fā)現(xiàn),在老年人中捌浩,調(diào)節(jié)突觸GABAA受體介導的皮質內(nèi)抑制能力與單手go/no-go任務或選擇RT任務存在關聯(lián)右犹。除了皮質內(nèi)機制教寂,半球間相互作用(IHi)的調(diào)節(jié)對于快速的單手反應準備以及避免另一只不移動的手的鏡像動作也至關重要。IHi可使用雙位點TMS(dsTMS)范式進行評估,其中M1的測試刺激(TS)先于對側半球運動相關腦區(qū)的條件刺激(CS)引镊。更具體地說,相對于單脈沖TMS中的平均MEP振幅(僅TS)院溺,IHi通過雙位點TMS(例如CS+ TS)的平均MEP波幅來量化诞丽。
值>1表示促進性IHi,值<1表示抑制性IHi迹栓。在靜息狀態(tài)下掉分,使用閾下CS可以在特定條件下引起促進性IHi。使用閾值以上的CS可以引起抑制性IHi克伊,然而酥郭,在特定的任務相關條件下,IHi可能會變成促進性愿吹。使用閾上CS的IHi通巢淮樱可以使用短潛伏期(s-IHi;isi≈8-10ms)或長潛伏期(l-IHi犁跪;isi≈40ms)進行評估椿息,后者被認為是由單獨的神經(jīng)通路介導的。關于受體水平的機制耘拇,神經(jīng)生理學(TMS)研究表明撵颊,s-IHi和l-IHi都是由突觸后GABAB受體活性介導的。雖然藥理學研究強烈支持GABAB受體參與l-IHi的證據(jù)惫叛,也有證據(jù)表明GABAA和GABAB受體都參與了l-IHi倡勇,s-IHi的結果仍然不確定。有研究認為s-IHi和l-IHi主要通過胼胝體通路嘉涌,而對于l-IHi來說妻熊,這些通路可能是間接的(例如,多突觸)仑最。
特別是在需要雙手間動作選擇的選擇RT任務中扔役,IHi的調(diào)節(jié)有望發(fā)揮關鍵作用。因為M1和背側前運動皮層(PMd)被認為是運動準備過程中的關鍵腦區(qū)警医,在雙手間選擇RT的任務下亿胸,研究同源M1s(M1-M1)和PMd-M1之間的任務相關IHi調(diào)節(jié)是特別有趣的坯钦。一項研究報告說,在一項簡單的單手RT任務中侈玄,衰老對調(diào)節(jié)M1-M1s-IHi和l-IHi的能力沒有影響婉刀,而老年人表現(xiàn)出比年輕人更大的PMd-M1 l-IHi的調(diào)節(jié),而PMd-M1 s-IHi的調(diào)節(jié)程度較小序仙。此外突颊,老年人中PMd-M1 IHi的更大調(diào)制預示著RTs更快,這表明衰老可能與更多地依賴PMd來補償與年齡相關的RTs減慢有關潘悼。值得注意的是律秃,到目前為止,雙手選擇RT任務中的(前)運動-運動IHi調(diào)節(jié)只在年輕人中進行了研究治唤。到目前為止棒动,還沒有研究使用在選擇RT任務中評估M1-M1和PMd-M1 s-IHi和l-IHi調(diào)節(jié)方向的設計。
雖然TMS確定相位突觸GABA受體介導的活性肝劲,而磁共振波譜(MRS)可以可靠地量化體內(nèi)特定腦區(qū)的總GABA+(即迁客,由共同編輯的大分子貢獻的GABA)濃度。到目前為止辞槐,旨在確定與年齡相關的GABA+水平變化的研究結果尚不一致掷漱。一些研究表明,多個大腦區(qū)域的GABA+水平隨著年齡的增長而降低榄檬,其他研究未能得到這一結果卜范。此外,運動相關區(qū)域的GABA+水平與行為之間的關聯(lián)也被證實鹿榜。然而海雪,局部的GABA+水平和任務相關的相位神經(jīng)傳遞是否以及如何相互作用仍然知之甚少。過去的研究主要集中在TMS衍生的皮質內(nèi)突觸GABA傳遞的測量和MRS衍生的SMC內(nèi)總GABA+水平之間的聯(lián)系舱殿,并報告兩者之間的相關性很低或者沒有相關關系奥裸。只有赫曼斯和其同事研究了靜息狀態(tài)M1-M1?IHi和起始SMC中GABA+水平之間的關系,但沒有報道相關關系沪袭。值得注意的是湾宙,IHi被認為是由興奮性谷氨酸能投射介導的,這些谷氨酸能投射穿過胼胝體和突觸冈绊,與對側靶區(qū)M1中的局部GABA能中間的神經(jīng)元相連侠鳄。然而,到目前為止死宣,“任務相關”的IHi調(diào)節(jié)和靶SMC中GABA+水平之間的聯(lián)系尚未被研究伟恶。總而言之毅该,在運動任務的計劃/執(zhí)行過程中博秫,結合MRS和TMS衍生的IHi測量的雙模態(tài)方法應該能夠補充和更全面地理解這些神經(jīng)化學特性和神經(jīng)生理過程是如何預測人類運動行為的潦牛。
方法和材料
參與者
25例健康青年[年齡18~33歲,22.08±4.40挡育;12名男性]和28例健康老年人[年齡60~74歲罢绽,67.29±4.16;12名男性]静盅。所有參與者都是右利手[偏側系數(shù):91.16±12.39],無神經(jīng)寝殴、精神蒿叠、心血管或神經(jīng)肌肉疾病的病史,沒有使用精神活性(例如蚣常,抗抑郁藥市咽、精神病藥物、癲癇藥抵蚊、鎮(zhèn)靜劑等)藥物施绎,視力正常或矯正視力正常贞绳。所有參與者接受了TMS和磁共振成像禁忌癥的篩查谷醉。
實驗設計
本研究包括一次MRS掃描階段和隨后的兩次TMS階段。兩次TMS治療之間的時間間隔為7天(中位數(shù))冈闭,四分位數(shù)范圍為4至11天俱尼。在MRS期間,獲得每個參與者的T1加權結構圖像萎攒,并使用GABA編輯的MRS測量雙側SMC中的GABA+水平遇八。在隨后的兩個階段中,選擇RT任務與dsTMS程序相結合耍休,評估M1-M1和PMd-M1 IHi中與任務相關的調(diào)節(jié)刃永。在一次TMS過程中,從左到右和從右到左半球都檢測到M1-M1或PMd-M1的IHi調(diào)節(jié)羊精。兩次TMS分兩天進行斯够,中間間隔至少48小時,參與者之間的順序是平衡的园匹。
磁共振波譜(MRS)
在飛利浦3T Achieva MR掃描儀上進行掃描雳刺,帶有32通道磁頭線圈接收器。T1加權結構圖像(TR=9.6ms裸违;TE=4.6ms掖桦;體素大小=0.98×0.98×1.20mm3;視野=256×256mm2供汛;矢狀切面160mm2枪汪;翻轉角度=8°)涌穆。使用MEGAPRESS光譜編輯方法獲取GABA編輯的MRS數(shù)據(jù):以1.9(編輯開啟)和7.46(編輯關閉)ppm的14ms編輯脈沖;TR=2000ms雀久;TE=68ms宿稀;320個平均值;2048點赖捌;2 kHz頻譜寬度祝沸;MOIST水信號抑制。對于每個體素越庇,自動采集16個水信號未抑制的平均值罩锐。水信號被用作內(nèi)部濃度參考。將左右SMC體素(30×30×30 mm3)放置在把手區(qū)域上卤唉,與前后軸平行涩惑。基于matlab的(R2019b)Gannet(3.1.5版)軟件工具包用于離線數(shù)據(jù)處理和GABA+量化桑驱。Cuypers和Verstraelen等人詳細描述了處理步驟和參數(shù)選擇竭恬。使用SPM12獲得每個SMC體素的組織部分(灰質、白質和腦脊液)熬的。這些組織部分被用來確定每個體素的組織校正GABA+水平痊硕。來自Harris等人的Alpha校正被用來解釋這樣一個事實,即灰質中的GABA含量大約是白質中的兩倍押框。此外寿桨,α校正的GABA+水平被歸一化為每個年齡組的平均體素的組織成分。年輕人和老年人的SMC體素的組織成分的組平均值和擬合的GABA+模型的擬合誤差如表1所示强戴。
經(jīng)顱磁刺激(TMS)和肌電圖(EMG)記錄
TMS條件
有5種不同的TMS測量方法:CSE亭螟、M1-M1 s-IHi、M1-M1 l-IHi骑歹、PMd-M1 s-IHi和PMd-M1 l-IHi预烙。在選擇RT任務的三個不同的時間點對這些測量進行了評估(有關這些時間點的詳細描述,請參見圖1A和“實驗方法”部分)道媚。使用單脈沖TMS(僅TS)在兩個半球的M1上評估CSE扁掸。對于M1-M1IHI和PMd-M1?IHi的評估,使用了dsTMS程序最域,其中起始半球M1或PMd上的CS先于目標半球M1上的TS在三個不同的ISIs處:10ms(M1-M1s-IHi)谴分、8ms(PMd-M1?s-IHi)和40ms(M1-M1 l-IHi和PMd-M1 l-IHi)。CS和TS由兩個8字線圈(內(nèi)徑50 mm)提供镀脂,連接到Magstim BiStim2刺激器牺蹄。從兩個方向檢查了IHi:非優(yōu)勢M1至優(yōu)勢M1(M1ND-M1DIHi);優(yōu)勢M1至非優(yōu)勢M1(M1D-M1NDIHi)薄翅;非優(yōu)勢PMd至優(yōu)勢M1(PMdND-M1DIHi)沙兰;或優(yōu)勢PMd至非優(yōu)勢M1(PMdD-M1NDIHi)氓奈;參見圖1B。
為每個參與者定義TS傳遞的M1“熱點”,在游泳帽上標出一個正方的1×1cm2坐標網(wǎng)格斋射,參考解剖學頭部標志(即左右外耳道育勺、鼻根、枕骨隆突和頭頂)罗岖。然后將熱點定義為連續(xù)5次刺激在對側松弛的第一骨間背側肌(FDI)產(chǎn)生最高和最一致的平均運動誘發(fā)電位(MEP)的頭皮位置怀大。TS的刺激強度被設置為在靜息的FDI肌肉中喚起~1 mV峰-峰MEP所需的刺激器輸出。線圈從中線向外旋轉45°呀闻,手柄指向后方(圖1B),在M1處誘發(fā)前后電流潜慎。M1上的CS是在M1熱點上傳遞的捡多,而PMd本地化是基于與B?umer等人使用的方法定義的。具體地說铐炫,PMd位于同側M1熱點前方8%的鼻根-枕骨隆突距離處垒手。對于M1或PMd上方的CS,線圈的方向垂直于中線倒信,手柄指向外側科贬,以在大腦中誘發(fā)側向內(nèi)側電流(圖1B)。對于所有dsTMS條件鳖悠,CS強度被設置為個體靜息運動閾值(rMT)的110%榜掌。rMT被定義為在刺激熱點時,10個連續(xù)試次中至少5個試次乘综,在靜息FDI肌肉中誘導幅值大于50μV的MEP所需的最低刺激強度憎账。表2匯總了兩次TMS半球和年齡組的平均rMT。
為了能夠對刺激區(qū)域進行精確的在線監(jiān)測卡辰,將從MRI中的每個參與者的T1加權解剖圖像輸入神經(jīng)導航系統(tǒng)以指導TMS胞皱。與頭皮上的刺激部位相對應的平均MNI坐標匯總在表3中。
肌電圖記錄
使用EMG連續(xù)監(jiān)測來自左右FDI肌肉的EMG信號九妈。為了進一步確保放松手部肌肉組織反砌,同時監(jiān)測雙手小拇指外展肌。對原始肌電信號進行放大(增益1000)萌朱、濾波(帶通4-1500Hz)宴树,消除50/60Hz噪聲,將5000 Hz的頻率數(shù)字化晶疼,并存儲在實驗室計算機上以供離線分析森渐。
選擇RT任務
使用預先線索的雙手選擇RT任務做入。參與者坐在椅子上,前臂內(nèi)旋在平臺上同衣,由兩對接觸開關組成:即兩對主按鈕開關和兩個目標開關竟块。如圖1A所示,在參與者前方1米處放置了一個信號裝置耐齐,該裝置由位于頂部中央的紅色發(fā)光二極管(LED)和位于右下角和左下角的兩個綠色LED組成浪秘。紅色LED用于顯示中性警告信號(WS),而左右綠色LED用于顯示優(yōu)勢(右)食指反應埠况、非優(yōu)勢(左)食指反應耸携、雙側食指反應或無反應的命令信號(IS)。
參與者的食指放在各自的主頁按鈕開關上辕翰。在每次試次開始時夺衍,WS顯示500ms(“準備期”)。然后喜命,關閉WS并立即呈現(xiàn)IS沟沙,持續(xù)1000ms。根據(jù)顯示的信息系統(tǒng)壁榕,參與者被指示通過將他們的優(yōu)勢和/或非優(yōu)勢食指朝向他們各自的目標開關來盡可能快地做出反應矛紫。每次試次結束后,參與者都會被指示將手指重新放置在主頁按鈕上牌里。在“無反應”試次中颊咬,在WS之后沒有任何綠燈,提示參與者不要移動食指牡辽。RT被定義為起始和釋放HOME按鈕開關之間的時間喳篇。這一時期被稱為“運動前期”。試次間間隔(即兩個WS之間的時間)在4到6秒之間隨機變化态辛。
實驗方法
TMS部分的過程如圖1C所示杭隙。每個實驗組塊由78個選擇RT試次組成,這些試次以隨機順序呈現(xiàn)因妙,其中72個試次用TMS進行痰憎。在使用TMS的試次期間,TS傳遞的時間點是在WS開始時攀涵,在IS開始時铣耘,或者是在響應的FDI肌肉中自發(fā)的EMG發(fā)作的預期時間的75%(稱為時間點75%EMG);見圖1A以故。第一時間點(WS)用作基線測量蜗细。選擇第二個時間點(IS)是因為CSE抑制預期在IS預期中變得最為突出。最后,之所以選擇第三個時間點(75%肌電圖)炉媒,是因為預計CSE促進(如果FDI被選擇用于單向或雙向移動)或抑制(如果目標FDI沒有被選擇用于移動踪区,無論是在非目標FDI的單一響應期間還是在沒有響應期間)將在該時間點左右達到峰值。具體地說吊骤,使用TMS的72個試次包括在時間點WS提供的12個TMS試次缎岗;在時間點IS提供的12個TMS試次;以及在時間點75%EMG的48個試次白粉。在時間點WS的12個TMS試次传泊,每個試次包括4個(總是由一個優(yōu)勢手、非優(yōu)勢手鸭巴、雙手和無反應試次組成)僅TS試次眷细;4個CS+TS試次,用于s-IHI評估鹃祖;以及4個CS+TS試次溪椎,用于l-IHi評估。在75%肌電圖時間點的48次試次中恬口,包括16次單純TS試次(包括4次優(yōu)勢手試次校读、4次非優(yōu)勢手試次、4次雙手試次和4次無反應試次)楷兽、16次CS+TS試次(用于s-IHi評估)和16次CS+TS試次(用于l-IHi評估)。最后华临,每個實驗區(qū)的其余6個試次(即2個優(yōu)勢手試次芯杀、2個非優(yōu)勢手試次和2個雙手反應試次)在不使用TMS的情況下進行。納入沒有TMS的試次是為了獲得對RT的準確測量雅潭,因為已經(jīng)表明在自發(fā)運動開始之前進行TMS會影響RT揭厚。
數(shù)據(jù)處理
在這項研究的28名老年人中,有兩名老年人沒有進行TMS扶供,因為他們的RMT>80%筛圆。因此,RT數(shù)據(jù)來自26名老年人[60~74歲椿浓,67.42±4.29太援;11名男性]。RT是從沒有進行TMS的試次中計算出來的扳碍,因為TMS脈沖會影響RT提岔。有錯誤或反應過早的試次和RTS超過1400ms的試次被刪除。這些標準使年輕人和老年人RT數(shù)據(jù)的無效率分別為6.72±11.37%和10.56±8.43%笋敞。
對于TMS分析碱蒙,在超過80%的選擇性RT試次中,一名老年人在TS分娩前表現(xiàn)出過度的肌肉活動,因此被排除在TMS數(shù)據(jù)分析之外赛惩。因此哀墓,TMS數(shù)據(jù)分析的老年人樣本包括25名參與者[年齡60-74歲,67.48±4.37喷兼;11名男性]篮绰。在以下情況下,MEP被排除在分析之外:(1)過早或不正確地響應選擇RT任務褒搔;(2)如果它們發(fā)生在FDI或ADM肌肉中的自愿EMG活動開始之后阶牍;(3)如果它們沒有出現(xiàn)在TMS開始后10-50ms的窗口中;(4) 如果在緊接TS發(fā)作之前的50 ms期間(即高背景EMG)星瘾,四個被監(jiān)視肌肉中至少一個肌肉中EMG信號的均方根超過20μV走孽。總體而言琳状,在年輕人MEP有8.67±10.98%被排除磕瓷,在老年人中有13.72±8.64%被排除(p=0.004,Wilcoxon秩和檢驗)念逞。(詳細數(shù)據(jù)處理過程見原文困食,公眾號后臺回復獲取原文)
數(shù)據(jù)分析
使用統(tǒng)計軟件RStudio(1.3.959版)進行所有統(tǒng)計分析。
年齡效應
使用線性混合效應模型(nlme軟件包翎承,版本3.1131)分析年齡效應硕盹。使用Tukey HSD事后成對比較進一步探索最終模型中的顯著交互作用和主效應。顯著性水平設定為α < 0.05叨咖。
選擇RT性能
RT采用2[年齡:年輕人vs.老年人]x3[反應:非優(yōu)勢手vs.優(yōu)勢手vs.雙手]線性混合模型進行分析瘩例,年齡和反應為固定效應。
與任務相關的TMS測量
為了分析CSE甸各、M1-M1和PMd-M1 IHi中的任務相關調(diào)節(jié)垛贤,增加了目標半球因素。目標半球有兩個級別(“優(yōu)勢”和“非優(yōu)勢”)趣倾,被定義為進行TS的半球聘惦。對于CSE,兩個TMS過程之間與任務相關的MEP大小沒有差異(p>0.42)儒恋。因此善绎,兩階段的CSE數(shù)據(jù)都被壓縮,以增加進一步分析的統(tǒng)計能力诫尽。
通過2[年齡:年輕人vs.老年人]×2[目標半球:優(yōu)勢與非優(yōu)勢]線性混合模型分析CSENORM(prep)涂邀,其中年齡和目標半球為固定效應。為了分析M1-M1 IHiNORM(prep)和PMd-M1 IHiNORM(prep)箱锐,我們另外添加了固定效應IHi類型(2個級別:s-IHi與l-IHi)以區(qū)分兩種類型的IHi評估比勉。
GABA+水平
采用2[年齡:年輕人與老年人]×2[體素:SMCD與SMCND]線性混合模型分析雙側SMC的GABA+水平,年齡和體素作為固定效應。
SMC GABA+水平與任務相關TMS測量的關系
探索性相關分析被用來研究與任務相關的TMS測量與目標SMC中GABA+水平之間的相關性浩聋。如果數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布假設(Shapiro-Wilk檢驗)观蜗,則計算皮爾遜相關系數(shù)。否則衣洁,采用Spearman相關分析墓捻。
RT的預測
建立多元線性回歸模型,分別用于預測年輕人和老年人的單手優(yōu)勢手和非優(yōu)勢手反應的RT坊夫。使用逐步選擇程序砖第,采用基于向前-向后F檢驗的組合選擇標準。為了控制多重共線性环凿,計算方差膨脹系數(shù)(VIF)得分梧兼,如果>10,則認為存在問題智听。對于優(yōu)勢手RT模型羽杰,包括的預測可能是TMS衍生的CSENORM(prep),D到推,M1ND-M1Ds-IHiNORM(prep)考赛,M1ND-M1Dl-IHiNORM(prep),準備期間的PMdND-M1DsIHiNORM(prep)和PMdND-M1Dl-IHiNORM(prep)莉测;CSENORM(prem)颜骤,D,M1ND-M1Ds-IHiNORM(prem)捣卤,M1ND-M1Dl-IHiNORM(prem)忍抽,PMdND-M1Ds-IHiNORM(prem)和PMdND-M1Dl-IHiNORM(prem)在前運動期間進行單一選擇優(yōu)勢手FDI;和MRS衍生的SMCDGABA+和SMCNDGABA+腌零。對于非優(yōu)勢手RT預測梯找,分別為CSENORM(prep)唆阿,ND益涧,M1D-M1NDs-IHiNORM(prep),M1D-M1NDl-IHiNORM(prep)驯鳖,PMdD-M1NDs-IHiNORM(prep)和準備期間的PMdD-M1NDl-IHiNORM(prep)闲询;CSENORM(prem),ND浅辙,M1D-M1NDs IHiNORM(prem)扭弧,M1D-M1NDl-IHiNORM(prem),PMdD-M1NDs-IHiNORM(prem)和PMdD-M1NDlIHiNORM(prem)在試驗期間進行單一選擇非優(yōu)勢手FDI记舆;SMCNDGABA+和SMCDGABA+鸽捻。
結果
年齡效應
選擇RT性能
圖2顯示了年齡組和反應條件上的表現(xiàn)。年齡×反應的交互效應顯著,表明反應對RT的影響在年齡組之間存在差異御蒲。事后Tukey對比顯示衣赶,在所有反應條件下,老年人比年輕人慢厚满。僅在老年人中府瞄,雙手反應的RTs比非優(yōu)勢手反應的RTs快。一個年齡組內(nèi)反應條件之間的所有其他成對比較均無顯著差異碘箍。
任務相關TMS測量
CSE調(diào)節(jié)
準備期和運動前階段的CSENORM結果如圖3A所示遵馆。
對于準備期的CSE調(diào)節(jié),年齡×目標半球相互作用沒有達到顯著性丰榴。年齡有顯著的主效應货邓,年輕人的CSENORM(prep)顯著低于老年人。對年齡×目標半球交互作用因子的探索性事后檢驗表明多艇,年齡的主效應主要是由非優(yōu)勢半球的CSENORM年齡差異驅動的逻恐,而不是優(yōu)勢半球(見圖3A)。目標半球的主效應不顯著峻黍。
運動前期CSE調(diào)節(jié)模型僅產(chǎn)生手部動作的主效應复隆。當目標FDI在單手操作或雙手反應期間被選擇移動時,與在單手操作(“非選擇手動反應”)中要求目標FDI不移動時相比姆涩,事后Tukey檢驗對比產(chǎn)生了顯著更高的CSENORM(prem)挽拂,或“無反應”狀態(tài),不考慮年齡組和目標半球骨饿。其余兩個對照組無顯著差異亏栈。所有其他主效應和交互效應均不顯著。
研究結果表明宏赘,與年輕人相比绒北,老年人在準備期的雙側CSE抑制減少。在運動前期,預期單手(選擇)或雙手反應的易化CSE調(diào)節(jié)在年齡組和大腦半球之間沒有差異沿彭。?
M1-M1 IHi調(diào)制
圖3B顯示了預備期和運動前期間的M1-M1 IHiNORM結果殉了。準備期間M1-M1 IHi調(diào)節(jié)的模型產(chǎn)生了兩個顯著的主效應。年齡的主效應顯著表明脐往,無論目標半球和IHi類型如何,年輕人的IHiNORM(prep)高于老年人扳埂。另一項探索性分析顯示业簿,M1-M1 IHiNORM的年齡差異在M1ND-M1Dl-IHi中最大(見圖3B)。IHi類型的主效應顯示l-IHi組的IHiNORM值高于s-IHi組阳懂。目標半球的主效應和交互效應均不顯著梅尤。
運動前期M1-M1 IHi調(diào)制模型產(chǎn)生了兩個顯著的交互作用柜思。年齡×手部動作交互作用顯著。然而巷燥,經(jīng)過Tukey校正后的比較結果表明酝蜒,兩組(年齡×手部動作)之間沒有進一步的差異。顯著的手部動作×IHi型交互作用效應的事后檢驗表明矾湃,當選擇目標FDI進行單手運動時亡脑,s-IHi的IHiNORM(prem)值高于l-IHi。類似地邀跃,在雙手反應期間觀察到s-IHi比l-IHi的IHiNORM(prem)值更高霉咨。所有其他交互作用和目標半球的主效應均不顯著。
總之拍屑,在準備階段途戒,與s-IHi相比,l-IHi的雙向去抑制M1-M1 IHi調(diào)節(jié)更為顯著僵驰。在老年人中喷斋,這種去抑制調(diào)節(jié)的幅度低于年輕人。相比之下蒜茴,無論年齡大小星爪,當需要單手(選擇)或雙手反應時,s-IHi在運動前期的雙向去抑制性IHi調(diào)制比l-IHi更顯著粉私。?
PMd-M1 IHi調(diào)節(jié)
圖3C說明了在準備和運動前期與任務相關的PMd-M1 IHi調(diào)節(jié)顽腾。對于準備期的PMd-M1 IHi調(diào)制,IHi類型的主效應顯示诺核,無論年齡和目標半球如何抄肖,l-IHi的IHiNORM(prep)值顯著高于s-IHi。PMd-M1 IHiNORM(prep)的年齡差異顯著依賴于M1的目標半球窖杀。事后檢驗表明漓摩,無論IHi類型如何,年輕人PMdD-M1NDIHiNORM(prep)均高于老年人入客,但該結果并未達到顯著性管毙。另一項探索性分析顯示,年齡×目標半球交互作用主要由PMdD-M1NDl-IHiNORM的年齡差異驅動(見圖3C)痊项。所有其他交互作用均不顯著锅风。
運動前期PMd-M1 IHi調(diào)節(jié)模型產(chǎn)生了顯著的年齡×目標半球× IHi型交互效應酥诽。Tukey校正的事后檢驗表明鞍泉,老年人PMdD-M1和s-IHi的IHiNORM(prem)值顯著高于年輕人。在老年人中肮帐,PMdD-M1ND的s-IHi的IHiNORM(prem)顯著大于PMdND-M1D咖驮,PMdD-M1ND?s-IHi的IHiNORM(prem)顯著大于PMdD-M1NDl-IHi边器。有趣的是,這種模式與手的動作無關托修。其余交互作用和手部動作的主效應均不顯著忘巧。
總之,對于準備期間的M1-M1 IHi調(diào)制睦刃,與s-IHi相比砚嘴,l-IHi的雙向去抑制PMd-M1 IHi調(diào)節(jié)更為顯著。在老年人中涩拙,去抑制PMdD-M1NDIHi調(diào)節(jié)的幅度往往低于年輕人际长。在運動前期,老年人表現(xiàn)出比年輕人更大的去抑制PMdD-M1NDs-IHi調(diào)節(jié)兴泥,而與即將出現(xiàn)的反應無關工育。
?GABA水平
圖4說明了年齡和體素的個體GABA+范圍如绸、示例性體素位置和GABA+水平。線性混合模型的年齡主效應顯著旭贬,這表明無論體素如何怔接,年輕成人的GABA+平均水平顯著高于老年人。體素的主效應和年齡×體素交互效應不顯著稀轨。
?SMC GABA+水平與任務相關TMS測量之間的關聯(lián)
當優(yōu)勢手FDI在非優(yōu)勢手FDI的單手反應中被要求不移動時靶端,目標SMC GABA+水平較高的老年人PMdND-M1Dl-IHi的IHiNORM(prem)值顯著較低(皮爾遜r=-0.62谎势,F(xiàn)DR校正p=0.02,圖5)杨名。
圖5
?RT的預測
在年輕人中脏榆,優(yōu)勢手FDI RT模型的建立導致了一個顯著的預測因子,即在優(yōu)勢手FDI反應的運動前期內(nèi)M1ND-M1D?s-IHi調(diào)制表明台谍,更多的去抑制M1ND-M1D?s-IHi調(diào)節(jié)與更長的RTs相關须喂。對于非優(yōu)勢手FDI的RT,年輕人中的預測候選指標均不顯著趁蕊。
在老年人中坞生,優(yōu)勢手FDI的RT模型構建產(chǎn)生了三個顯著的預測因子。該模型表明掷伙,優(yōu)勢手FDI的RTs越長是己,優(yōu)勢半球的SMC GABA+水平越高,非優(yōu)勢半球SMC GABA+水平較低任柜,并且在準備期內(nèi)有更多的去抑制性M1ND-M1Dl-IHi調(diào)節(jié)卒废。最高VIF得分為1.53沛厨。非優(yōu)勢手FDI RT預測模型也產(chǎn)生了三個顯著預測因子。更具體地說摔认,在準備期內(nèi)逆皮,更長的RTs與更多的去抑制性M1D-M1NDl-IHi調(diào)節(jié)有關和更少的去抑制PMdD-M1NDl-IHi調(diào)節(jié)。在運動前階段参袱,更多的CSEND便利化預測非優(yōu)勢手FDI響應的RTs更快电谣。
討論
本研究得出了三個主要結果。首先抹蚀,TMS衍生的神經(jīng)生理學調(diào)節(jié)指標以及初級運動區(qū)GABA+水平均存在年齡效應辰企。更具體地說,與年輕人相比况鸣,老年人在準備期表現(xiàn)出雙側CSE抑制減少牢贸,雙向長潛伏期半球間(前)運動去抑制程度降低。此外镐捧,與年輕人相比潜索,老年人雙側SMC中的GABA+水平降低。其次懂酱,僅在老年人中竹习,探索性相關分析表明SMC GABA+水平與任務相關的神經(jīng)生理學調(diào)節(jié)之間存在多重關聯(lián)。第三列牺,根據(jù)回歸分析整陌,老年人組(較慢)的RTs至少可以部分由SMC GABA+水平和任務相關神經(jīng)生理學解釋。值得注意的是瞎领,在年輕人中泌辫,生理性(前)運動調(diào)節(jié)和RTs均不依賴于SMC GABA+水平。
年齡相關的神經(jīng)生理調(diào)節(jié)差異導致反應時間增加和SMC GABA+水平的作用
準備期間
與運動前期相比九默,準備期的神經(jīng)生理學年齡相關差異最為顯著震放。根據(jù)先前研究的結果,本研究結果表明驼修,在準備期內(nèi)CSE受到抑制殿遂。重要的是,與年輕人相比乙各,老年人的CSE抑制降低墨礁。
關于非信息提示后延遲期內(nèi)雙側CSE抑制的作用,提出了兩個并非互斥的假設耳峦。首先恩静,抑制CSE可能有助于降低運動準備過程中的噪聲,以幫助在更安靜的背景下獲得興奮性輸入妇萄。從這個角度來看蜕企,年齡相關的CSE抑制下降可能反映了背景噪聲降低的效果較差。更具體地說冠句,大腦去分化是指老年人在各種認知和運動任務中大腦區(qū)域的特異性降低和激活增加轻掩。有趣的是,Cassady等人的研究結果表明懦底,年齡相關的大腦去分化可能是SMC GABA+水平降低的直接結果唇牧。但在本研究中的組水平上,與年輕人相比聚唐,老年人雙側SMC中GABA+水平較低丐重。此外,根據(jù)去分化假說杆查,非優(yōu)勢SMC中較低的GABA水平(可能意味著噪音增加)預示著老年人組中優(yōu)勢手的RTs較慢扮惦。非優(yōu)勢手SMC GABA水平與優(yōu)勢手的RTs之間存在相同的相關性,但該結果未達到顯著性水平亲桦。第二崖蜜,潛在選定效應器的CSE抑制可能代表“脈沖控制”機制,這需要一個通過暫時抑制脊髓水平的興奮性進行操作的過程客峭。因此豫领,脈沖控制允許皮層興奮性準備過程展開,而不會導致實際運動的過早釋放舔琅。與這一假設一致等恐,本實驗數(shù)據(jù)表明,在兩個年齡組中總體是去抑制备蚓,長潛伏期M1-M1和PMd-M1 IHi的發(fā)生與目標M1的CSE抑制同時發(fā)生课蔬。值得注意的是,對于PMd-M1和M1-M1相互作用郊尝,老年人的l-IHi去抑制調(diào)節(jié)(抑制釋放減少)明顯減少购笆,這顯然是由于基線抑制張力降低。有趣的是虚循,靜息狀態(tài)下皮質內(nèi)抑制的年齡相關性降低被認為可以預測運動任務期間調(diào)節(jié)抑制過程的能力降低同欠,這與運動功能下降有關。然而横缔,本實驗沒有在休息時探索基線測量铺遂,而是在每次試次開始時,控制與任務驅動的注意力增加相關的過程茎刚。未來研究的一個有趣假設是調(diào)查觀察到的運動表現(xiàn)和(去)抑制性額-運動調(diào)節(jié)之間的關系在多大程度上是由基線測量的抑制狀態(tài)驅動的襟锐。總的來說膛锭,由于靜息狀態(tài)下的l-IHi似乎不受衰老的影響粮坞,目前的研究結果表明GABAB受體介導的神經(jīng)元回路的任務相關調(diào)節(jié)能力存在年齡相關差異蚊荣。因此,早期研究報告了在非靶向同源肌肉自發(fā)收縮期間M1-M1 l-IHi調(diào)節(jié)的年齡相關減少莫杈,以及在手足協(xié)調(diào)任務期間對側靜息期的調(diào)節(jié)減少互例,表明運動任務條件下GABAB受體活性的改變。
比較有趣的結果是筝闹,在老年人的準備期中間媳叨,雙向M1-M1 l-IHi和PMdD-M1NDl-IHi的調(diào)節(jié)之間的差異及其與RT表現(xiàn)的關系。更具體地說关顷,在老年人中糊秆,較強的長潛伏期M1-M1去抑制與較慢的RTs相關,而較強的長潛伏期PMdD-M1ND去抑制與較快的RTs相關议双。前者的結果讓人出乎意料痘番,因為年輕人表現(xiàn)出比老年人更高的長潛伏期M1-M1去抑制,但RTs更快平痰。因此夫偶,可以推測,老年人在準備期的M1-M1去抑制反應了功能失調(diào)的激活擴散觉增。這得到了額外的事后分析的支持兵拢,該分析將準備期M1-M1 l-IHi調(diào)節(jié)與準備期CSE調(diào)節(jié)相關聯(lián)(見圖A.6)。具體而言逾礁,結果表明说铃,只有年輕人的M1-M1去抑制潛伏期越長,CSE抑制程度越高嘹履,而老年人則沒有觀察到明顯的相關性腻扇。
由于整個準備期CSE抑制可能有助于M1區(qū)域的背景更安靜,因此CSE抑制的降低與長潛伏期PMd-M1去抑制的降低相結合砾嫉,表明目標M1中老年人的信噪比較低幼苛。PMdD-M1ND去抑制作用更強的老年人表現(xiàn)出更快的RTs,這一發(fā)現(xiàn)支持了這一點焕刮。由于各自的PMdD-M1NDl-IHi調(diào)節(jié)僅與老年人的RT顯著相關舶沿,而與年輕人無關,目前的研究結果與老年人在準備期間對運動前區(qū)的總體依賴性增加一致配并。
運動前期
與年輕人相比括荡,老年人在準備期的CSE抑制減少,但兩個年齡組在運動前期對EMG發(fā)作的CSE促進作用相當溉旋。更具體地說畸冲,在準備階段的雙側CSE抑制之后,在(選定的)單手或雙手反應期間,CSE促進運動前期的肌電發(fā)作(另見圖A.1)邑闲。這一觀察結果證實了早期報道的CSE動力學算行,包括在簡單的和選擇RT任務。有人認為苫耸,選定和非選定響應選項之間的CSE調(diào)節(jié)差異反映了一個有助于行動選擇的競爭過程州邢。但只有在老年人中,非優(yōu)勢半球更多的CSE促進更為快速的非優(yōu)勢FDI RTs鲸阔。Fujiyama及其同事報告了運動前后期優(yōu)勢半球的CSE易化與在老年人中使用簡單的go/no-go任務的優(yōu)勢半球FDI RT之間的類似關聯(lián)偷霉,但在年輕人中沒有迄委。
至于CSE調(diào)節(jié)褐筛,M1-M1 IHi調(diào)制在運動前期不受老化的影響,這與Impend等人使用簡單預線索RT任務的結果一致叙身。引人注目的是渔扎,在年輕人中,更大的短潛伏期M1ND-M1D去抑制可以預測優(yōu)勢手FDI的RTs較慢信轿。在另一項事后分析中晃痴,結果表明,在運動前期财忽,短潛伏期M1ND-M1D去抑制與年輕成人優(yōu)勢手M1的CSE易化性調(diào)節(jié)較少有關(見圖A.7)倘核。綜上所述,這些發(fā)現(xiàn)表明即彪,調(diào)節(jié)M1并沒有直接通過目標M1 CSE的促進作用來促進隨后的運動啟動紧唱。根據(jù)這些思路,最近的一項研究報告隶校,通過MEP恢復曲線漏益,具有更多靜息狀態(tài)M1-M1短潛伏期和長潛伏期半球間抑制的年輕成年人在目標M1中表現(xiàn)出更高的靜息狀態(tài)CSE,表明在目標M1內(nèi)恢復更多皮質脊髓通路的能力與激活局部抑制回路的能力有關深胳。有趣的是绰疤,一些研究表明M1-M1 IHi調(diào)節(jié)參與維持對運動開始的持續(xù)內(nèi)在抑制狀態(tài)。在這一觀點中舞终,觀察到的M1-M1 IHi調(diào)節(jié)與RT或CSE之間的關系可以解釋為調(diào)節(jié)M1在將目標M1中的背景噪聲控制到最佳水平方面的作用轻庆,通過CSE調(diào)制有助于易化興奮過程的增加。
關于老年人PMd-M1 IHi調(diào)節(jié)敛劝,本研究得出兩個顯著結果榨了。首先,優(yōu)勢SMC中較高的GABA+水平與PMdND-M1Dl-IHi對更多抑制的調(diào)節(jié)有關攘蔽,而較低的GABA+水平與對去抑制甚至促進的調(diào)節(jié)有關龙屉。在未來的研究中要檢驗的一個尚不確定的假設是,更具抑制性的PMdM1 l-IHi調(diào)節(jié)有助于降低錯誤率。第二转捕,PMdD-M1NDs-IHi調(diào)節(jié)在老年人中具有去抑制/促進作用作岖,但在年輕人中沒有(見圖A.5)。與此結果一致五芝,Impend等人報告痘儡,僅在老年人中存在IS發(fā)作和反應開始之間存在PMdD-M1ND去抑制調(diào)節(jié)。運動前期去抑制性PMdD?M1和s-IHi調(diào)制的年齡相關增加的最合理解釋可能是枢步,它反映了老年人運動前區(qū)的激活增加沉删。然而,這種PMd的激活增加是代償性的還是功能失調(diào)的很難確定醉途,因為在當前的數(shù)據(jù)中矾瑰,與RT沒有明顯的關系。Impend等人的研究結果表明隘擎,在老年人中殴穴,準備期早期更多的PMd-M1去抑制與更快的RTs有關,而運動前后期更多的PMd-M1去抑制與較慢的RTs有關货葬。這表明早期PMd-M1去抑制是有益的采幌,而相反,晚期PMd-M1去抑制對快速運動反應是不利的震桶。因此休傍,額外的事后分析結果表明,在兩個年齡組中蹲姐,PMdD-M1D和s-IHi去抑制作用越多磨取,運動前期CSEND易化作用越少(見圖A.8)。由于在老年人中淤堵,CSEND易化程度較低是RTs速度較慢的預測因素寝衫,因此該附加分析間接支持了以下假設,即預期運動反應時PMd-M1去抑制的年齡相關增加是有害的拐邪,而不是有益于快速RTs慰毅。
?年齡相關的SMC GABA+水平作用差異
與年輕人相比,老年人的SMC GABA+水平至少部分解釋了與任務相關的生理調(diào)節(jié)以及RT扎阶。因此汹胃,可以推測,當GABA水平低于臨界限值時东臀,老年人可能出現(xiàn)這種情況着饥,較低的信噪比成為(前)運動調(diào)節(jié)能力和運動行為輸出有效性的關鍵因素。另一方面惰赋,如果GABA水平達到臨界限值以上宰掉,GABA水平的進一步增加不會影響生理動力學和運動行為呵哨。同樣,這也解釋了為什么SMC GABA水平既不能預測年輕人的RT轨奄,也不能預測任務相關的神經(jīng)生理學動力學孟害。然而,需要注意的是挪拟,不要過度簡化GABA水平與其功能之間的相互作用挨务。例如,關于老年人中優(yōu)勢手FDI的RT玉组,目前的研究結果表明谎柄,更快的RTs與更多的SMCND-GABA相關,但與更少的SMCD-GABA相關惯雳。如果不考慮GABA能系統(tǒng)的其他特性朝巫,例如受體利用率,很難解釋這種差異吨凑,未來的多模式研究需要進一步闡明這種復雜性捍歪。綜上所述户辱,這些數(shù)據(jù)強調(diào)了與任務相關的神經(jīng)生理學調(diào)節(jié)可能只是反映了冰山一角:當考慮到神經(jīng)生理學動力學和運動行為之間存在/不存在關系時鸵钝,這最好是根據(jù)GABA水平和GABA受體利用率的基于特征的個體間差異來解釋。事實上庐镐,與神經(jīng)化學GABA測量類似恩商,在年輕成人中,運動準備期間的神經(jīng)生理學(前)運動調(diào)節(jié)總體上不能預測RT表現(xiàn)必逆。這表明怠堪,在這組人的運動準備過程中觀察到的顯著調(diào)節(jié)可能是大腦生理學的副產(chǎn)品,而不是RT運動行為的因果名眉。
M1-M1和PMd-M1相互作用的半球(不)對稱性
本研究中一個重要的新方面是粟矿,在一個單一的實驗設計中,對源自PMd或M1的兩個IHi方向以及優(yōu)勢和非優(yōu)勢半球的CSE進行了探索损拢。無論年齡大小陌粹,只有PMd-M1 IHi調(diào)制(而不是M1-M1 IHi調(diào)制)取決于測量的方向。這表明福压,與M1相比掏秩,運動規(guī)劃期間的PMd功能更偏側化【D罚總體而言蒙幻,無論選擇哪只手,這些發(fā)現(xiàn)表明PMdD-M1D相互作用比PMdND-M1D相互作用在右利手參與者中更具優(yōu)勢胆筒,而同源M1s之間的相互作用更加平衡邮破。
結論
這是一項在預先線索的雙手選擇RT任務中,對短潛伏期和長潛伏期的雙側CSE和半球間(前)運動動力學進行的比較全面的研究。本研究還探討了這些神經(jīng)生理學動力學與SMC中靜態(tài)MRS GABA+水平之間的關聯(lián)抒和,及其對健康年輕人和老年人RT的影響队询。結果表明,老年人在準備期表現(xiàn)出雙側CSE抑制減少以及雙向長潛伏期半球間(前)運動去抑制程度降低构诚,表明GABAB受體介導的神經(jīng)遞質缺乏蚌斩。老年人的任務相關(前)運動調(diào)節(jié)和較慢的RTs至少可以部分解釋為雙側感覺運動皮質GABA水平較低。相比之下范嘱,生理(前)運動調(diào)節(jié)和RTs均不依賴于年輕人的SMC GABA+水平送膳。