《Cortex》:Using non-invasive brain stimulation to modulate performance in visuomotor rotation adaptation: a scoping review
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這篇綜述聚焦利用非侵入性腦刺激(NIBS)調節視覺運動旋轉(VMR)適應。梳理過往研究發現,范式設計、情境設置等因素影響結果?偨Y了 NIBS 關鍵參數,還提及神經生理學生物標志物及新興技術,為后續研究提供參考。
引言
運動適應指人類在掌握運動技能后,為達成目標,依據內外環境變化對動作做出調整的過程。它體現了人類運動能力穩定性與靈活性間的精妙平衡,對運動障礙疾病康復意義重大。視覺運動適應任務(VAT)是研究視覺與本體感覺不匹配現象的經典范式,視覺運動旋轉(VMR)是其中常用的一種。
在 VMR 任務里,參與者需用手控工具快速擊中目標。經典 VMR 包含三個階段:基線期,參與者接收與真實擊球軌跡一致的視覺反饋;適應期,光標會出現角度偏移,參與者要主動糾正直至誤差減;去適應期,偏移取消,但參與者因沿用之前學到的映射關系,會產生反向誤差。
研究表明,VMR 適應至少涉及兩種由不同學習機制驅動的子成分。顯式適應是參與者通過認知策略糾正誤差,能在早期快速降低誤差;隱式適應則在無意識狀態下改變行為,可能由感覺預測誤差(SPE)驅動,隨適應進程緩慢增強。近期行為學研究還發現,這兩種成分間存在交互關系。
盡管多項研究發現多個皮層和皮層下結構參與 VMR,但要明確其所有神經生理基礎仍頗具挑戰。小腦在其中作用顯著,小腦受損患者在運動適應任務中的表現遠不如健康人。多數理論認為,小腦通過 SPE 持續調整運動指令的前饋模型,主要負責隱式適應。初級運動皮層(M1)在運動記憶和保持方面發揮關鍵作用,它能形成運動地圖,還參與強化學習、使用依賴學習等多種運動學習機制。背外側前額葉皮層(DLPFC)支持執行功能,在適應早期被激活,主要助力顯式適應,尤其是在需要認知資源制定策略時。
鑒于此,研究人員借助非侵入性腦刺激(NIBS)技術探究這些結構在 VMR 中的作用。NIBS 改善腦可塑性的潛力已獲廣泛認可,目前最常用的 NIBS 技術是經顱電刺激(TES)和經顱磁刺激(TMS)。TES 通過陽極和陰極電極施加低強度電流,調節神經元自發放電活動,其中經顱直流電刺激(tDCS)可改變神經元跨膜電位,調節興奮性。TMS 則利用磁線圈在皮層誘導高強度短時電流,使神經元產生閾上激活,與 TES 的閾下激活不同。值得注意的是,TES 和 TMS 不僅在刺激時產生即時神經效應(在線效應),還能通過類似長時程增強(LTP)/ 長時程抑制(LTD)的效應產生持久影響(離線效應)。因此,這些技術被廣泛用于調節健康人的運動學習能力,助力運動障礙康復。由此推測,VMR 過程中神經興奮性的改變可能會影響行為表現。
過去十年,運用 NIBS 調節健康人 VMR 表現的研究激增,多數聚焦于小腦(CB)或 M1。這不僅因為這些區域在 VMR 中的關鍵作用已被闡明,還源于早期一項研究發現它們具有 “分離作用”,即刺激 CB 能加快適應學習速率,刺激 M1 可增強運動記憶保持。然而,隨著研究增多,實驗設置和刺激方案各異,出現了相互矛盾的行為學證據,部分研究甚至未得出結果或得到意外結果。這種不一致阻礙了將該實驗室成果轉化為臨床康復應用。盡管如此,通過 NIBS 提升 VMR 表現仍具潛力,關鍵在于在合理設計的范式中正確運用刺激方案。所以,首次全面梳理現有研究細節很有必要,有助于研究人員了解范式、情境和刺激方案設計的潛在影響,提供參考。鑒于研究設計的高度可變性,本綜述被定義為范圍綜述,并在文獻檢索和納入階段遵循 PRISMA 指南。同時,還介紹了用于解釋 VMR 研究的神經生理學生物標志物,以及引入該領域的其他 NIBS 技術,期望為該領域提供新視角,挖掘 VMR 經典范式在行為和認知神經科學中的更多價值。
納入和排除標準
本研究納入的必須是對健康參與者進行的 VMR 實驗,且利用 NIBS 調節行為結果。使用其他運動適應范式或納入患者的研究予以排除。用于定性分析的已發表論文需滿足以下納入標準:研究設計必須是組隨機對照試驗,對比有 / 無 NIBS 或不同 NIBS 方案下 VMR 的行為結果;研究必須包含測量環節。
綜述
本綜述共涵蓋 21 篇論文及其所有子實驗(不同組間總計 40 個實驗)。這些實驗的詳細信息見表 1,包括應用的 NIBS 類型、刺激的腦區、范式設計、情境設置、分組情況以及觀察到的行為結果。在受刺激腦區方面,16 項研究刺激小腦(CB),10 項刺激初級運動皮層(M1),2 項刺激背外側前額葉皮層(DLPFC),3 項刺激其他區域。
結論和未來方向
本范圍綜述回顧了運用 NIBS 調節健康參與者 VMR 任務表現的現有研究,這些研究結論常相互矛盾。我們全面探究了這些行為實驗的各個方面,包括范式設計、情境設置和常用刺激方案,并總結了現存問題,提出了未來研究方向。
利益沖突聲明
無。
致謝
本研究部分受中國國家自然科學基金(項目編號:81925020、62376190)和天津市科技計劃(項目編號:22JCYBJC01430)資助。衷心感謝所綜述文獻的所有作者的辛勤研究。