PNAS：大脑区域间耦合的增加和减少会相应增加和减少人类大脑中的振荡活动
PNAS：大脑区域间耦合的增加和减少会相应增加和减少人类大脑中的振荡活动
大脑中振荡活动的起源目前仍有争议，但许多假说都认为它们反映了大脑区域之间的相互作用。本文中，我们通过控制两个人类大脑区域之间的耦合强度来检验这种可能性，这两个区域是腹侧前运动皮层(ventral premotor cortex, PMv)和初级运动皮质(primary motor cortex, M1)，并且检测其对运动系统中可测得(基于脑电图)的振荡活动的影响。我们增加或降低耦合强度，同时保持对通路中每个组分区域的影响不变。这是通过使用两种不同模式的经颅磁刺激PMv和M1成对脉冲刺激来实现的，其中只有一种方式增加了PMv对M1的影响。虽然刺激方案的时间模式不同，但它们由相同数量的M1和PMv脉冲组成。在一项运动任务中，我们测量了参与者做一个事先准备好的动作(Go)或不做(No-Go)时，对α、β和θ波段活动的影响。通过激发PMv - M1通路的同步突触前和突触后活动，增强了PMv和M1之间的皮层连接，分别增强了Go和No-Go试验中的β和θ振荡节律。α节律几乎没有变化。相比之下，在Go和No-Go试验中，PMv对M1影响的减弱分别降低了β和θ振荡节律。这表明PMv-M1通路中的皮质-皮质交流频率可以按照Hebbian棘波时间依赖可塑性被调节。本文发表在PNAS杂志。
1.引言
大脑振荡活动的起源目前是一个积极争论的领域，但许多人普遍认为，它们部分反映了大脑区域之间的互动或交流。在这里，我们通过增加或减少一个皮质区域(腹前运动皮层(ventral premotor cortex, PMv))对另一个皮质区域(初级运动皮层(primary motor cortex, M1))的影响，直接在人脑中测试这种可能性。重要的是，当改变它们之间通路的强度时，我们通过仔细控制对每个组成区域的影响来做到这一点。
PMv-M1通路是检测操纵连接强度效应的理想途径；众所周知，PMv对M1有强大的影响，连通性的变化与运动控制功能相关。此外，该途径可以在人体中检测；通过在刺激M1之前短时间刺激PMv (6-8 ms)，有可能影响M1活动的演变。尽管PMv中的第一个脉冲的影响在空间上是有限的，但它改变了PMv中投射到M1的神经元的活动。当反复这样做时，PMv对M1的影响会增强。这种过程被称为成对联合刺激(paired associative stimulation, PAS)或皮质-皮质PAS (corticocortical PAS, ccPAS)，在后一种情况中，两个受刺激区域是皮质区域。
【诱发效应在本质上被描述为Hebbian。如果对相同的两个区域施加完全相同的刺激量，但时间顺序相反，那么PMv对M1的影响反而会减弱。通过检测ccPAS前后PMv和M1中血氧水平依赖(blood oxygen level–dependent, BOLD)信号耦合的变化，已经证实了这些影响。】
从这些实验中可以清楚地看出，两种类型的ccPAS（皮质-皮质成对联合刺激）导致的刺激区域PMv和M1之间的耦合增加和减少是显著的，但它们也扩展到其他运动相关区域，PMv和M1在额叶和顶叶皮质中与之紧密相连。ccPAS的影响也可以通过测量M1兴奋性来显示，这可以在单脉冲经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)作用于M1时，通过测量手部肌肉中的运动诱发电位(motor-evoked potentials, MEPs)来完成。当在ccPAS前后进行此操作时，在PMv通常对M1产生兴奋性影响的情况下(例如运动产生)，M1的兴奋性增加。然而，这种作用依赖于环境，在PMv抑制M1的其他环境中，ccPAS增强了这种抑制作用。
因此，ccPAS可能是观察操纵两个大脑区域之间耦合的影响的理想工具；如果比较两种不同的ccPAS方案的效果，那么就有可能在保持对每个组成区域的刺激总量不变的情况下，确定两个区域间增加或减少耦合的影响。因此，我们研究了增加或减少PMv-M1耦合对脑电图(electroencephalogram, EEG)振荡活动的影响，在此同时人类参与者在两个组块(block，分别是基线和表达blocks)中执行简单的Go/No-Go运动任务(图1)。在参与者组A中，我们在PMv上应用15分钟的ccPAS，然后是M1(PMv-M1-ccPAS；每个PMv脉冲之后是M1脉冲，脉冲间隔[interpulse interval, IPI]为6 ms或8 ms)。在ccPAS之前和之后，参与者执行了一个Go/No-Go任务，在这个任务中，参与者对“Go”刺激(蓝色方块)做出反应，而对“No-Go”刺激(红色方块)不予反应。此外，我们通过反转ccPAS（皮质-皮质成对联合刺激）刺激顺序(参与者组B，即在M1上施加第一对脉冲，在PMv上施加第二对脉冲)来研究振荡活动的变化是否依赖于ccPAS刺激顺序(图1)。在参与者组A和B中，对PMv和M1施加相同数量的脉冲。
图1 A组和B组的设置以及rM1和rPMv的单个受试者头皮热点(scalp hotspot)。
(上)两个实验组的实验设计和设置。
(下)标准化MNI空间中主要和初步实验的个体受试者头皮热点(填充圆圈)和95%组置信椭圆。
使用Go/No-Go任务使我们能够看到EEG中的一系列振荡效应。在beta范围内的能量增加称为运动后beta反弹，与M1的活动有关，并随着运动完成紧密相连，这应该可以在Go试验中观察到。相比之下，θ波范围内的活动在No-Go试验中应该是突出的，就像在其他需要重新调整行为的情况下一样(如停止一个动作)。β和θ波段的活动发生在内侧和外侧额叶和中央顶叶区域，在动作抑制期间与PMv和相邻的额下皮层相互作用。在EEG中也有可能记录alpha波段的活动，尽管在这种类型的Go/No-Go任务中预期的alpha相关调节较少。考虑到使用EEG记录可靠的gamma频带活动的困难，我们没有尝试研究这个频率的活动。
2.材料和方法
2.1被试。共有36名健康的右利手成年人参与了两个实验组。3名受试者因脑电信号噪声过大而被排除，最后共33人：A组16人(23.75±4.59；10；0.81±0.17)，B组17人(22.64±2.31；5；0.93±0.13) (数字对应平均年龄±标准差；女性参与者人数；灵巧性得分均值±SD，由爱丁堡利手量表测量)。所有参与者都没有个人或家族的神经或精神疾病史，都是右撇子(除了一个参与者的灵巧性得分0.045)，通过安全问卷的方式筛查TMS的不良反应和风险因素，参与者得到了金钱补偿。参与者接受了高分辨率、T1加权结构MRI扫描。样本量的确定基于先前的研究，这些研究包括使用相同的ccPAS方案测量PMv对M1皮质兴奋性的影响，以及使用Go/No-Go范式研究人类行为控制期间振荡反应的研究。所有参与者均给予书面知情同意，所有实验程序均由医学科学跨部门研究伦理委员会批准(牛津，No. R29477/RE004)
2.2实验设计。两个实验组都从Baseline block开始，随后是ccPAS期和Expression block (图1)。在Baseline block和Expression block期间，参与者执行视觉Go/No-Go任务。试验开始时，呈现一个蓝色(Go试验- 70%的试验)或红色(No-Go试验)的正方形(1.8×1.8厘米)，呈现500毫秒。然后在屏幕中央出现一个黄色的固定十字(1.3×1.3 cm)，时间间隔为2-3秒。每个block共有304个试验(Baseline block和Expression block的试验数量相同)，在block中间有一个短暂的休息。blocks总是从连续四次的Go试验开始。当蓝色方块出现在屏幕上时，参与者被要求立即用左手食指按下按钮，当红色方块出现在屏幕上时，他们不做出反应。记录反应时间和准确率。在任务过程中，参与者坐在一个隔音和电屏蔽的隔间里，距离屏幕约50厘米。
在两个实验组中，Baseline block和Expression block之间的ccPAS干预期包括在PMv和M1上以0.1 Hz (90个总刺激配对) 施加ccPAS 15分钟，IPI为6或8 ms。M1和PMv以及相邻区域之间的静息态和任务态交互都以6到8 ms的间隔出现。如果PMv和M1脉冲要对皮质脊髓活动产生一致的影响，那么精确的脉冲间隔时间至关重要。因此，当测试A组和B组的一半参与者时，我们使用8 ms 的IPI，而在每组的另一半参与者中使用6 ms 的IPI。实验操作中这种差异的影响通过重复测量ANOVA进行检验，该分析采用受试者内因子block (Baseline, Expression)和试验类型(Go, No-Go)，受试者间因子ccPAS顺序(PMv-M1-ccPAS, M1-PMv-ccPAS)，IPI (8 ms, 6 ms)作为协变量。6-ms IPI与8-ms IPI的对比没有看到任何影响(蒙特卡洛P值>0.05)，即使是把分析集中在ccPAS对神经振荡具有关键影响的时间窗口和频带上。由于这些分析没有发现2-ms差异的影响，我们不再进一步考虑IPI中的这种差异。在实验组A中，施加在PMv的脉冲总是先于M1上的脉冲，而作为对照组的实验组B则相反。
2.3皮质皮质配对联合刺激。使用两个Magstim 200刺激器（英国Magstim经颅磁刺激仪，中国总代理：北京华泰长润科技发展有限公司：http://www.htcrkj.com ）进行ccPAS（皮质-皮质成对联合刺激），每个刺激器连接到50毫米八字形线圈。M1“头皮热点(scalp hotspot)”是TMS引起左侧FDI MEP振幅最大的头皮部位。使用无框架立体定向神经导航技术(Brainsight; Rogue Research)，将头皮位置投影到每个志愿者大脑的高分辨率T1加权MRIs上。与头皮热点相反，右侧M1“皮层热点(cortical hotspot)”是蒙特利尔神经研究所(Montreal Neurological Institute, MNI)坐标下所有参与者刺激到达大脑皮质的平均位置(X= 41.03±6.59, Y=−16.74±9.35, Z=63.69±8.20，图1)。这些坐标与以前报告的坐标相似。经解剖确定的PMv线圈位置如下。在每个人的MRI上放置一个标记，并根据单个沟的标志物调整到中央前下沟正前方的位置。PMv刺激的平均MNI大脑位置为X=59.66±3.41, Y=17.07±6.28, Z=14.85±8.50 (图1)，位于先前定义为人类PMv的区域(嘴侧部分)和相邻的额下回(后/中部)，更准确地说，在额下回的枕部44d和44v区域，该区域在细胞结构和连接方面与猕猴PMv的部分相似。
如前所述，测定右侧M1的静息运动阈值(Resting motor threshold, RMT)(平均值±SD, 43.13±7.22%刺激输出)。在既往的ccPAS研究中，PMv TMS与RMT-110%成正比(47.76±7.35)。实验时设置M1刺激强度为激发±1 mV的单脉冲MEPs (47.23±7.58%刺激器输出)。TMS线圈与颅骨相切放置，M1线圈与中线相对角度为~ 45°(手柄指向后方)，PMv线圈与中线相对角度为~ 0°(手柄指向前方)。PMv线圈用一个可调节的金属臂固定在适当的位置，并在整个实验过程中监控。M1线圈由实验者固定。采用双极表面Ag-AgCl电极蒙太奇记录左侧FDI肌电活动。响应在10-1000 Hz之间进行带通滤波，外加50 Hz陷波，以5000 Hz进行采样，并使用CED D440-4放大器、CED micro1401 Mk.II A/D转换器和运行Spike2的PC进行记录。所有在Go/No-Go开始和TMS脉冲之间进行肌肉预激活的试验都被取消。
2.4 EEG记录与分析。将64个头皮电极等距离安装在弹性电极帽上(用于多电极TMS的64Ch-Standard-BrainCap；EasyCap)。所有电极参考是右侧乳突，并重新参考平均参考值。使用NuAmps数字放大器(Neuroscan, 1000-Hz采样率)记录连续EEG。
使用FieldTrip进行离线EEG分析。数据下采样到500赫兹，并在1到40赫兹之间进行数字带通滤波。使用基于FieldTrip的样条插值恢复坏的/丢失的通道。接下来，从刺激开始前的1.4 s开始，将数据分成3.5-s的数据段。这是分别对Go和No-Go试验进行的，不正确的试验、反应时间(reaction times, RTs)过慢或过快(±2SD)的试验被排除在分析之外。进行自动伪影剔除，排除了在整个实验过程中方差(z-scores)超过10阈值的试验和通道。这与所有参与者的视觉检查相结合，消除了大型技术和运动相关的伪影。在FieldTrip工具箱中进行独立成分分析(RUNICA, logistic Infomax算法)，对诸如眨眼和扫视等生理伪影进行校正。那些时间和地形与生理伪影特征相似的独立成分(参与者平均7.22；4.8 SD)被移除。在ERP分析中，将所有电极的算术平均值作为信号的参考，并在刺激开始前500 - 100 ms的间隔内对分段数据进行基线校正。
在时频分析中，对每个block (Baseline、Expression)和试验类型(Go、No-Go)的单受试者激活进行平均，并进行复杂的多锥度时频变换，时频变换从4到30 Hz，步长为1 Hz，Hanning窗固定为0.75 s。在刺激开始时使用−1.1到0秒的时间窗进行相对基线标准化。为了估计ccPAS方案对Go/No-Go任务中动作控制的神经反应的影响，在组水平上使用非参数随机化测试控制多重比较，计算锁定刺激开始时间的时频激活。认知和运动控制过程的神经动力学研究强调了动作表现和抑制中低频和高频振荡的功能意义。Theta (4到8赫兹)，alpha (9到12赫兹)和beta (13到30赫兹)都与动作控制有关。因此，在统计分析中，没有先验的频带选择。相反，统计分析是在所有与运动相关的频带(4到30赫兹)和整个时间窗内进行的，在刺激开始后0.2到1.2秒内观察到与运动控制相关的振荡变化。统计分析仅限于分布在额中央和中央顶区的15个电极，
即FC3、FC1、FCZ、FC2、FC4、C3、C1、CZ、C2、C4、CP3、CP1、CPZ、CP2、CP4，与运动控制相关的神经现象通常分布在这些区域。
为了测试ccPAS方案是否影响动作控制的皮层相关因素，以及这种影响是否以一种状态依赖的方式(Go和No Go)发生，我们使用了FieldTrip中实现的基于集群(cluster)的排列方法。由于这种方法只允许比较两种情况，因此我们首先分别计算了Go和No-Go试验的“皮层夹带效应”(通过从Expression block中减去baseline block中记录的每个活动时间点的每个频率来计算)。然后，我们计算了No-Go试验和Go试验的皮质夹带效应的差异。随后，我们通过受试者间非参数聚类排列分析，对比了接受PMv-M1-ccPAS (A组；n=16)和接受逆序M1-PMv-ccPAS (B组；n=17)的受试者记录的“No-Go减去Go的皮层夹带效应”。基于非参数聚类的排列方法是处理多重比较问题的一种有效方法，它可以防止预先选择时间窗或频带时出现的偏差，避免I型错误率的膨胀。此外，我们使用相同的基于聚类的排列方法，通过对比实验组A和实验组B在Baseline和Expression期记录的活动，研究ccPAS对所有试验类型的影响，而不考虑运动状态(即Go和No-Go试验)。
在选定的电极上提取受试者的时频过程，并将其传递给FieldTrip的统计分析程序。对受试者的时频过程进行比较，以确定在时间、频率和空间域上具有统计学意义的聚类(clusters)，基于fieldtrip分析所有时间点和频段，并将重点放在上文所述的额中央和中心顶叶部位。FieldTrip使用非参数方法来解决多重比较问题。将相邻时间点和频率点的P值小于0.05的t值相加聚类，此累积统计量用于聚类水平的推理统计。这个过程，即计算每个时间点的t值，然后对相邻的t值进行聚类，重复5000次，在每次重复之前随机交换和重采样受试者的时频活动。这种蒙特卡罗方法产生一个非参数估计的p值代表的统计显著性识别的聚类。
此外，为了排除ccPAS后振荡活动的变化与刺激呈现的锁相反应相关的可能性，我们计算了每个条件下的跨试验相位相干性(ITLC)。我们测试了ccPAS对ITLC的影响，模拟了所有时间点和频带上时频振荡响应的基于聚类的排列分析，分析重点放在额中心和中心顶区的15个电极，即FC3, FC1, FCZ, FC2, FC4, C3, C1, C2, CZ, C4, CP3, CP1, CPZ, CP2和CP4。
在ERP分析中，计算每个block (Baseline、Expression)和试验类型(Go、No-Go)的单受试者ERP，并用于计算受试者的ERP总平均值。对ERP数据的分析模拟了时频分析。简而言之，锁定刺激开始的ERP激活时间，在组水平上使用非参数随机检验控制多重比较。为了检验ccPAS对与行为控制相关的ERPs的影响，我们首先计算了Go和No-Go试验的ccPAS对ERPs的影响(通过从Expression block减去Baseline block试验的每个时间点)。然后我们计算了No-Go和Go的ccPAS效应的差异。此外，通过受试者间非参数聚类排列分析，发现两组(PMv-M1-ccPAS组与PMv-M1-ccPAS组)之间存在“No-Go减去Go的ccPAS效应”。在N2-P3成分发生的整个时间窗内(即0.2-0.6 s)进行了统计分析，并限制在额中央和中心顶叶区域分布的15个电极。在选定的电极上提取受试者的激活时间序列，并将其传递给FieldTrip的分析程序。在ERP数据的聚类排列分析中，当对比Go或No-Go试验时，没有发现参与者A组和B组在任何电极聚类中皮层夹带效应有任何显著差异(蒙特卡洛P值>0.05)。这些结果表明：
1) ccPAS对PMv-M1回路的影响是频率特异性的，只影响特定于运动控制的频段，即beta和theta频段；
2)慢波theta频段观察到的变化无法解释成ERP成分的变化。然而，两组的Go和No-Go试验之间存在显著差异，证实了动作控制操作是有效的(蒙特卡洛P值=0.001；电极部位C4、C3、CZ、FC1、FC2、CP1、CP2、FCZ、C1、C2、FC3、CP3、CP4、CPZ；在刺激开始后0.20-0.50 s之间)。
2.5 行为分析。行为表现测量包括中位数RTs (不包括RT±2SD平均值的试验，3.9%)和准确率(不包括Go试验中的遗漏误差，5%和No-Go试验中的委托(commission)误差，12%)。我们测试了ccPAS方案对RTs和准确性测量的影响。一个重复测量ANOVA使用受试者内因子block (Baseline, Expression)和试验类型(Go, No-Go)，以及ccPAS顺序的受试者间因子(PMv-M1-ccPAS和M1-PMv-ccPAS)被用来分析组A和B的行为数据。在准确性和反应时间方面没有发现主效应或交互效应 (所有Ps > 0.05)。我们还检查了IPI (IPI 6 ms 和8 ms)的差异是否影响RTs和准确性测量。我们对相同变量使用相同的ANOVA，并添加IPI (6 ms IPI 和8 ms)作为协变量。我们没有发现IPI差异对RTs或准确性的影响(所有Ps>0.05)。此外，我们在A组和B组的两个t检验 (Baseline vs Expression)中测试了ccPAS对所有Go和No-Go试验的总体准确性的影响。同样，ccPAS对总体准确性没有影响(所有Ps>0.05)。
此外，我们探索了EEG调节(分别计算为Go和No-Go试验Baseline和Expression block之间的差异)与受试者基线时的表现(Go试验中的中值RT、Go和No-Go试验中的准确率)之间的联系的可能性。无论是A组还是B组，参与者的中位RT/准确性与Baseline、Expression block之间的EEG变化均无相关性(蒙特卡洛P值>0.05)。我们还测试了ccPAS是否会影响后续Go试验的后效应。我们发现，在随后的Go试验中，A组和B组的Expression期中位数RTs较Baseline期更慢(F(1,31)=7.746, P=0.009, ηp2=0.2)，这可能是疲劳所致。
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3. 结果
在A组(n=16)和B组(n=17)中，我们分别研究了在运动和运动关联区增加或减少耦合是否导致与动作控制相关的快速(短暂)或缓慢(持续)的EEG振荡动力学的调制。我们在一个简单的运动任务中对比了两种ccPAS (分别是PMv后接M1的重复成对刺激[A组]和M1后接PMv的重复成对刺激[B组]) 对时频振荡响应的影响(Go和No-Go试验中分别计算Expression-Baseline block)。
在开始主要实验之前，在对M1兴奋性的初步研究中，我们进行了两项初步研究，以确保TMS方案在当前行为任务下的有效性。首先，我们比较了右侧M1单脉冲TMS (single-pulse TMS, spTMS)和右侧PMv(调节脉冲)-右侧M1双脉冲TMS (paired-pulse TMS, ppTMS)。当参与者在Go/No-Go任务中进行Go试验时，我们记录了来自左侧第一背骨间肌(first dorsal interosseus, FDI)的MEPs。我们证明PMv TMS确实改变了M1脉冲对Go试验的影响，证实了配对脉冲方案能够用于研究PMv-M1通路。其次，我们研究了在ccPAS期间M1活动之前或之后反复诱导PMv活动的影响。同样，我们是通过测量Go试验中M1 TMS单次脉冲的MEPs记录的，但我们是在15分钟的ccPAS之前和之后做的。在这里，我们证明了我们可以操纵通路的连通性；在A组和B组中使用的两种ccPAS方案确实对Go试验产生了明显的影响。虽然在Go实验中，PMv-M1-ccPAS显著增强了M1皮层兴奋性，但在M1-PMv -ccPAS后M1兴奋性保持不变。
接下来，我们研究了ccPAS对A组和B组EEG的影响。我们首先比较了两组参与者，然后更详细地研究了每组发生的变化。我们重点研究运动相关的前部中心和中心顶部电极的θ、α和β (4-30 Hz) 频段，这反映自上而下的运动控制过程可能与Go/No-Go任务中的表现相关。因为ccPAS可以影响同侧和对侧的运动系统，我们研究了一组横跨两个半球的双侧电极。
我们使用基于聚类的非参数置换分析方法来识别时间、频率和空间域中具有统计学意义的聚类。这表明ccPAS对运动相关的β和θ波段有显著影响，但对α波段影响不大。此外，ccPAS效应在Go和No-Go试验中存在显著差异，并且在两个参与者组之间也存在差异。通过基于聚类的置换试验确定ccPAS的显著影响发生在Go和No-Go刺激开始后0.15到1.2秒的β波段范围(19-24 Hz; 蒙特卡罗P值=0.018)和θ波段范围(4至10 Hz; 蒙特卡罗P值= 0.008)。
根据这些结果，我们对比了ccPAS效应，通过从Expression中减去Baseline记录的EEG反应，分别测试了Go和No-Go试验中两组参与者之间的差异，并对比两种类型试验中不同组(A组和B组)之间的差异。在β频带，受试者之间的事后t检验表明，A组中的PMv-M1-ccPAS仅在Go试验Expression相对于Baseline的block中，导致β同步增加(Go刺激开始后0.7到1.2 s，与运动后β反弹[post-movement beta rebound, PMBR]的时间一致))。然而，当B组的ccPAS顺序相反时，在Go试验中发现了相反的效果(蒙特卡罗P值=0.002，图2A左)。请注意，正如我们下面所描述的，这些差异不可能是反应时变化的间接结果，因为反应时的变化并不明显。在受试者之间的t检验分析中，No- go试验的β波段没有观察到显著差异(蒙特卡罗P值>0.05) (图2A右)。此外，我们还分别对比了Go和No Go试验中ccPAS对A组和B组的Baseline相对于Expression block记录的β活性的影响。受试者内t检验分析结果显示，仅在Go试验中，PMv-M1-ccPAS后(相比于刺激前)的β同步增加(Go刺激开始后0.9到1.2 s；蒙特卡洛P值=0.002)。相比之下，当ccPAS顺序相反时，只有在No-Go试验中观察到β功率的变化；β反应首先降低，然后在随后的时间窗内增加(No-Go刺激开始后0.3-1.1 s；蒙特卡洛P值=0.0009)。比较A组(PMv-M1-ccPAS) No-Go试验和B组(M1-PMv-ccPAS) Go试验的Baseline和Expression blocks，β频带无显著差异(蒙特卡洛P值>0.05)。此外，对照分析证实，Go试验中ccPAS操作后的beta变化不是由基线组间差异驱动的。
图2 在Go和No-Go试验中，EEG在额中央部位beta波段的时频响应(n = 33)。
(A和B)额中心部位(C4, CZ, FC2, CP2, FCZ, C1, C2, FC4, CP4, CPz) beta波段(15-30 Hz)的EEG时频响应(TFR)；(A) Expression和Baseline之间的差异，(B) 组A + B在Expression和Baseline block的平均。(C) Expression和Baseline的Go试验中在0.7-1.2 s的时间窗口内的平均beta频率增加(PMv-M1 ccPAS)和减少(M1−PMv ccPAS)。
PMBR（运动后β反弹）可能反映了运动完成后前运动-运动网络的短时去激活或“重置”状态。Go试验中在Expression过程中观察到的PMBR增加可能反映了ccPAS增强了PMv对M1的影响，使得PMv对M1的主动抑制增强。PMv到M1的投射是兴奋性的，但这些投射中有许多是指向M1中抑制性中间神经元的。因此，PMv对M1既有抑制作用也有促进作用，而PMv-M1-ccPAS可增强这两种作用。此外，在Go试验中观察到，当B组反转ccPAS刺激顺序时，对β同步性有相反影响，这与先前的证据一致，表明反向和正向ccPAS对M1皮层兴奋性以及运动网络功能连接的对比作用。
虽然在Go试验中出现了β频率的PMv-M1-ccPAS效应，但在两组的非Go试验中都出现了θ效应。在No-Go试验中，事后t检验分析显示，A组的PMv-M1-ccPAS导致θ功率显著增加，而B组的M1-PMv-ccPAS导致θ功率降低(蒙特卡罗P值=0.002；在刺激开始后的0.15-1.2 s)(图3)。同样，受试者内t检验对比了ccPAS对Baseline block和Expression block之间theta活动的影响，结果显示，A组的PMv-M1-ccPAS导致theta激活的后期增加(在No-Go刺激开始后0.8-1.2 s；蒙特卡罗P值=0.0009)，而在B组的No-Go试验中，逆转ccPAS后观察到相反的早期θ激活效应(在No-Go刺激开始后0.15-0.65 s；蒙特卡洛P值=0.001)。一些研究发现，在反应冲突和运动抑制期间(例如，在一个No-Go命令之后)，额中线区域θ波能量的增加与自上而下的执行控制和动作重编程有关。值得注意的是，θ振荡变化随着反应冲突水平的增加而增加，反映出对运动回路更大的自上而下影响。很明显，特定动作的抑制与内侧额叶皮层区域(如前辅助运动区和PMv)以及可能紧邻的后额叶皮层下组织之间的一系列相互作用有关。因此，在实验A组中观察到，在PMv-M1-ccPAS后，No-Go试验中theta功率增加，表明反应冲突中与自上而下运动控制相关的振荡活动增加。而M1-PMv-ccPAS的逆转表明，实验组B在同样的No-Go试验中相同的振荡活动减弱。在Go试验中没有发现ccPAS对theta功率的影响(蒙特卡罗P值>0.05)(图3)。此外，对照分析证实，在No-Go试验中，ccPAS操作后的theta变化不是由基线组间差异驱动的。
图3在Go和No-Go试验中，EEG在额中央部位theta波段的时频响应(n = 33)。
(A和B)额中心部位(C3, C4, CZ, FC1, FC2, FCZ, C1, C2, FC3, FC4, CP4, CPZ) theta波段(4 ~ 15 Hz)的EEG时频响应；
(A) Expression和Baseline之间的差异，(B) 组A + B在Expression和Baseline block的平均。(C) Expression和Baseline的No-Go试验中在0.15-1.2 s的时间窗口内的平均theta频率增加(PMv-M1 ccPAS)和减少(M1−PMv ccPAS)。
我们进行了额外的分析，以研究ccPAS对非状态依赖性振荡反应的影响(不考虑运动状态)。对比A组PMv-M1-ccPAS与B组逆转的M1-PMv-ccPAS对皮质夹带运动活动的影响(计算为“Expression减去Baseline”的差异)，我们发现ccPAS操作之间缺乏显著差异(蒙特卡罗P值>0.05)。A组和B组之间没有差异，这表明刺激的方向，即PMv到M1和M1到PMv，最终驱动了Go和No-Go试验中观察到的状态依赖效应。此外，我们还研究了PMv-M1 -和逆转M1-PMv-ccPAS对Baseline与Expression block活动记录的绝对影响。分析显示，ccPAS操作对运动相关θ、α和β有显著影响(PMv-M1-ccPAS：刺激开始后0.25-1.2 s；4-15赫兹；蒙特卡罗P值=0.004；M1-PMv-ccPAS：刺激开始后0.25-1.1 s；9.9-14 Hz；蒙特卡罗P值= 0.008；通道：C3、C4、CZ、FC1、FC2、CP1、CP2、FCZ、C1、C2、FC3、FC4、CP3、CP4、CPZ)。这些结果证实了ccPAS操纵对非状态依赖性激活的绝对影响。
振荡信号可以反映短暂的、诱发的活动和持续的、诱发的神经振荡。诱发反应对外界刺激是相位锁定的，而诱发振荡则不是。PMv-M1-ccPAS操作导致长潜伏期振荡变化，反向刺激则导致早发频率变化。因此，在ccPAS后发生的β和θ调节可能反映了一种或另一种神经生理机制的变化，甚至是两种机制的混合。为了了解ccPAS调制的性质，我们进行了一项分析，通过计算每个条件下试验的相位相干性(即试验间线性相干，intertrial linear coherence, ITLC)来识别任何诱发的振荡效应。首先，我们确定不管ccPAS如何，Go/No-Go线索相关活动的哪些部分被激发或持续。我们观察到刺激开始后0.15-1.2 s内所有测试频率的相位相干性(4-30赫兹；蒙特卡洛P值=0.001)，但这在刺激出现后0.3 s左右的早期θ范围尤为明显。与Go试验相比，No-Go试验与θ波段更强、短暂的诱发活性相关，同时伴随着较温和的、持续的α和β活性变化。这一分析表明，一些EEG的变化很可能是被外界刺激锁相的诱发(evoked)反应，即使后来的效应可能反映了诱发(induced)的振荡活动。因此，我们接下来研究了ccPAS的影响，以确定它是否只影响一种活动。我们发现，在No-Go试验(图3A右，红色虚线)的theta波段和Go试验的beta波段(图2A左，红色区域)，它可以调节两个早期诱发成分的振幅以及相应波段振荡的持续变化。然而，无论是在θ或β波段它都没有调制相位一致性(在Go/No-Go试验中，ccPAS前后Baseline和Expression之间的相位相干性比较；蒙特卡洛P值> 0.05)。综上所述，很明显，ccPAS的作用不仅限于对诱发神经活动的影响，还包括对β和θ波段诱发神经振荡的明显影响。同样，ccPAS对事件相关电位(event-related potential, ERP)数据的影响在A组和B组之间没有显著差异。
4.讨论
在将TMS脉冲作用于M1之前，先将TMS脉冲作用于PMv会引起PMv- M1通路中同步的突触前和突触后活动，并改变M1活动的演变方式。此外，重复成对刺激M1和PMv，即PMv-M1-ccPAS会导致后续的状态依赖增强(PMv对动作控制期间M1表达的影响)。然而，在M1-PMv-ccPAS中，即M1先于PMv受到刺激时，并没有观察到同样的效应，相反，这种方案甚至可能导致PMv对M1的影响降低。这些观察结果在当前任务的背景下被复制。这意味着ccPAS可以用来增加两个大脑区域之间的相互作用，以研究连通性变化对运动系统相关的振荡活动的影响。重要的是，控制组的ccPAS过程，即M1-PMv-ccPAS，与PMv-M1-ccPA过程包含相同数量和强度的刺激，因此，它对PMv-M1回路的各部分具有相同的影响，但由于其不同的时间模式，这与PMv对M1的影响没有增加有关。这意味着，M1-PMv-ccPAS和M1-PMv-ccPAS诱发的振荡活动的差异不能归因于PMv或M1的激活，而只能归因于它们之间的连接。
我们的结果表明，静息态下ccPAS刺激会导致动作控制期间β和θ振荡活动的任务相关变化。在Go试验中，PMv-M1-ccPAS导致PMBR的β功率增加。β频率振荡的减少和增加分别与动作的开始和停止有关，而右侧PMv与相邻额下皮层和M1之间的路径与动作的开始和抑制有关。此外，在No-Go试验中，当对运动控制有更大需求时，PMv-M1-ccPAS导致theta功率增加。虽然这些变化主要发生在θ波段，但它们发生在4到10赫兹之间的事实意味着它们延伸到了低α波段。θ频带活动发生在内侧和外侧额叶区域，在动作抑制期间与PMv和相邻的额下皮层相互作用。这些区域包括背侧额内侧皮层的前辅助运动区、PMv、额下皮层的紧邻皮层和M1。越来越清楚的是，与手部运动控制有关的神经元不仅存在于PMv本身，而且存在于PMv前额下皮层，而且PMv从前额皮质的许多部分(包括额下区域)接收到强烈的单突触投射。
相反，B组在M1-PMv反向刺激后出现相反的β和θ模式。反向M1-PMv刺激方案不太可能导致PMv-M1通路同时发生突触前和突触后活动；因此，通路中的连接性要么保持不变，要么更有可能减少。同时，A组和B组的结果表明，通过重复刺激特定运动回路中的定向投射，有可能使动作控制的皮层振荡动力学受到影响。他们也表明PMv和M1之间因果影响的传递与调谐到特定频率的状态依赖性通道有关，具体来说，Go试验中beta节律与运动开始和停止有关，No-Go试验中theta节律与运动抑制有关。在β和θ范围内的不同皮质节律与运动控制和抑制的不同功能角色相关。
【根据Hebbian棘波时间依赖性可塑性原理，突触前细胞在突触后细胞之前激活会导致长时程增强，而突触后活动在突触前活动之前激活通常会导致长时程抑制。】
PMv-M1-ccPAS选择性调节运动完成时诱发的β振荡活动(没有证据表明刺激锁定诱发的β反应)。这表明PMv对M1施加影响，与β范围内的共振活动有关。相反，反向M1-PMv-ccPAS导致PMBR适度降低。虽然PMv到M1有很强的投射，但M1到PMv也有很强的投射。因此，M1-PMv-ccPAS后PMBR的适度下降可能不仅反映了PMv对M1的影响减弱，而且反映了相反方向的投射变化。有趣的是，ccPAS的β波段效应在动作完成时的同步性增强时最为明显，而不是在运动开始时失同步时最为明显。与M1中的神经元相似，PMv中的神经元也直接投射到脊髓。因此，运动完成时同步性的增加不仅反映了运动皮层的可塑性变化，也反映了脊髓下行投射的变化。未来的研究应该关注ccPAS操作后这些PMBR的潜在运动前起源。除了诱发β范围内的神经振荡，ccPAS还可能影响仅在运动开始时的单一试验中可见的短暂持续的β爆发活动。未来的进一步研究可能是ccPAS对试验间动作控制动力学的影响。
θ波段功率的增加被认为是自上而下执行控制的频谱指纹。在这里，我们观察到，在PMv-M1-ccPAS后的No-Go试验中theta振荡增加，表明在反应冲突中，由于PMv-M1连接的夹带，有更强的自上而下的运动控制。在反向M1-PMv-ccPAS后观察到对theta振荡的相反影响，表明对运动输出的执行控制下降。值得注意的是，虽然ccPAS可能引起早期诱发和后期诱发θ波活动的一些变化(图3)，但这些变化不能用锁相响应或ERP成分的变化来解释。相反，ccPAS似乎影响与反应抑制相关的振荡活动的幅度。这一结果也与先前的研究一致，这些研究强调在整合机制中θ波的振荡活动，该振荡活动作为决策和行动控制中前额叶和运动区之间信息传递的中介。
鉴于ccPAS对动作表现和抑制过程中β和θ振荡的明显影响，因此，任务表现的变化也可能是预期的。ccPAS后，视觉和运动系统的任务表现都有变化。尽管进行了一些分析(行为学分析)，但在当前的研究中，我们未能找到此类变化的有力证据。选择该任务是因为它的简单性，并且有可能ccPAS引起的任务表现变化可能只在先前报告的要求更高的任务中出现。另一个可能性是，ccPAS对行为的影响可能不是在刺激后即刻最明显。未来的进一步研究应该调查ccPAS对速度或准确率的长期影响的可能性。然而，就目前的情况来看，ccPAS在当前环境下引起的振荡变化可以被解释为ccPAS的直接结果，而不是ccPAS引起的任务表现变化的次级结果。目前的发现补充了之前的证据，即ccPAS后静息时的振荡变化和PMv-M1网络外的功能特异性通路的选择性增强。
值得注意的是，ccPAS程序诱导了一系列的变化，这些变化在Go和No-Go提示后的几个不同时间点都很明显。在Go和No-Go刺激后700 ms和150 ms, ccPAS对β振荡活动和θ振荡的调节作用明显，大约在我们的研究中基线状态下β和θ振荡最强烈的同一时期(图2和3)。在Go线索后125 ms对M1施加spTMS, ccPAS也会产生MEPs的变化。我们检测了125毫秒的时间点，因为它与PMv影响M1的时间点很接近，但如果我们测试Go提示后的其他时间点，可能还会观察到额外的影响。
综上所述，人类PMv-M1通路中的皮质-皮质通信频率可以被操纵，从而导致动作控制过程中状态依赖性的变化。不同类型的ccPAS在Go和No-Go试验中发现的振荡活动变化的频率特异性模式反映了自上而下PMv对M1影响增强与减弱的频谱指纹。这些模式与Hebbian样棘波时间依赖性长时程增强、抑制以及分层动作控制模型相一致，在这种模型中，自上而下的运动控制与beta和theta频率范围内具有特定共振特性的振荡相一致。
总结：
振荡活动在大脑中很突出，一种假设是，振荡的部分原因是大脑区域之间耦合或交互模式的性质。本文通过在两个方向(增加或减少)操纵两个大脑区域(腹前运动皮层ventral premotor cortex，PMv和运动皮层motor cortex，M1)之间的耦合强度来验证这一假设，同时仔细控制每个操作对每个区域活动的影响。本文研究了PMv-M1的联系，因为它是前额叶皮层影响、抑制M1中动作相关活动的主要皮层途径。根据Hebbian样峰时依赖性可塑性操纵PMv-M1耦合，导致与动作控制相关的beta和theta频率的变化。