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有研究者認為，與年齡相關(guān)的GABA能系統(tǒng)的神經(jīng)化學(xué)和神經(jīng)生理學(xué)特性的改變可能是老年人反應(yīng)時間(RT)增加的原因。然而，在快速運動反應(yīng)的加工階段，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(yīng)時間的個體差異，目前還不完全清楚。
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(cè)SMC的GABA+水平和任務(wù)相關(guān)的皮質(zhì)脊髓興奮性(CSE)、初級運動皮層(M1)-M1和背側(cè)前運動皮層(PMd)-M1的IHi。在延遲選擇RT任務(wù)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)，均為健康成年人。
本研究結(jié)果表明，無論IHi的方向如何，與年輕人相比，老年人在準備階段表現(xiàn)出雙側(cè)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。重要的是，老年人的雙側(cè)SMC中的GABA+水平部分解釋了任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)生理調(diào)節(jié)以及RT中的個體差異。相反，在年輕人中，無論是與任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)生理調(diào)節(jié)，還是RT中的個體差異，都與SMC GABA+水平無關(guān)。
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(luò)動力學(xué)、GABA+水平和反應(yīng)時間之間的相互影響；
2.老年人雙側(cè)SMC GABA+水平降低；
3.老年人表現(xiàn)出與任務(wù)相關(guān)的GABAB受體介導(dǎo)的缺陷；
4.老年人(前)運動-運動網(wǎng)絡(luò)動態(tài)改變和反應(yīng)時間減慢至少部分是由較低的SMC GABA+水平解釋的。
這篇研究有助于全面初步了解與年齡相關(guān)的神經(jīng)化學(xué)性質(zhì)和神經(jīng)生理學(xué)過程的差異與RT增加之間的關(guān)系。
背景
健康衰老的特征是對外界刺激反應(yīng)的意志性動作的逐漸減慢。當環(huán)境中不可預(yù)測的變化需要快速的適應(yīng)性行為時，例如在多種交通情況下，對外部信號快速反應(yīng)能力的降低可能會對日常生活產(chǎn)生嚴重的影響。因此，揭示與年齡相關(guān)的反應(yīng)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(zhì)量具有重要意義。
通常使用視覺線索選擇反應(yīng)時（RT）任務(wù)來評估與年齡相關(guān)的反應(yīng)速度。選擇RT范式包括中央加工的不同階段，包括刺激識別、動作選擇和反應(yīng)過程。經(jīng)顱磁刺激（TMS）的相關(guān)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。這些過程在精確響應(yīng)啟動時間、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(wù)與初級運動皮層(M1)單脈沖TMS相結(jié)合，可以在中央運動反應(yīng)過程的不同階段探索皮質(zhì)脊髓興奮性(CSE)的調(diào)節(jié)。更具體地說，CSE的大小反映在運動誘發(fā)電位(MEP)的振幅上，該振幅由對側(cè)靶肌肉的肌電圖(EMG)電極記錄。在預(yù)線索選擇RT任務(wù)的延遲期內(nèi)，在選擇的和未選擇的效應(yīng)器運動表征中都觀察到了CSE抑制。此外，我們以前的研究表明，老年人中 的CSE抑制沒有年輕人明顯，這與老年人較長的RTs有關(guān)。確實有爭論說，與年齡相關(guān)的運動功能下降，例如RT的增加，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。然而，與衰老過程中運動抑制功能失調(diào)相關(guān)的確切神經(jīng)生理機制和神經(jīng)化學(xué)性質(zhì)，以及它們在RTs增加中的作用，目前還不完全清楚。
介導(dǎo)皮層運動抑制的主要神經(jīng)遞質(zhì)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，每一種受體的皮質(zhì)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。一些研究發(fā)現(xiàn)，在老年人中，調(diào)節(jié)突觸GABAA受體介導(dǎo)的皮質(zhì)內(nèi)抑制能力與單手go/no-go任務(wù)或選擇RT任務(wù)存在關(guān)聯(lián)。除了皮質(zhì)內(nèi)機制，半球間相互作用(IHi)的調(diào)節(jié)對于快速的單手反應(yīng)準備以及避免另一只不移動的手的鏡像動作也至關(guān)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(cè)半球運動相關(guān)腦區(qū)的條件刺激（CS）。更具體地說，相對于單脈沖TMS中的平均MEP振幅（僅TS），IHi通過雙位點TMS（例如CS+ TS）的平均MEP波幅來量化。
值>1表示促進性IHi，值<1表示抑制性IHi。在靜息狀態(tài)下，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，然而，在特定的任務(wù)相關(guān)條件下，IHi可能會變成促進性。使用閾上CS的IHi通常可以使用短潛伏期(s-IHi；isi≈8-10ms)或長潛伏期(l-IHi；isi≈40ms)進行評估，后者被認為是由單獨的神經(jīng)通路介導(dǎo)的。關(guān)于受體水平的機制，神經(jīng)生理學(xué)(TMS)研究表明，s-IHi和l-IHi都是由突觸后GABAB受體活性介導(dǎo)的。雖然藥理學(xué)研究強烈支持GABAB受體參與l-IHi的證據(jù)，也有證據(jù)表明GABAA和GABAB受體都參與了l-IHi，s-IHi的結(jié)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，而對于l-IHi來說，這些通路可能是間接的(例如，多突觸)。
特別是在需要雙手間動作選擇的選擇RT任務(wù)中，IHi的調(diào)節(jié)有望發(fā)揮關(guān)鍵作用。因為M1和背側(cè)前運動皮層(PMd)被認為是運動準備過程中的關(guān)鍵腦區(qū)，在雙手間選擇RT的任務(wù)下，研究同源M1s(M1-M1)和PMd-M1之間的任務(wù)相關(guān)IHi調(diào)節(jié)是特別有趣的。一項研究報告說，在一項簡單的單手RT任務(wù)中，衰老對調(diào)節(jié)M1-M1s-IHi和l-IHi的能力沒有影響，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。此外，老年人中PMd-M1 IHi的更大調(diào)制預(yù)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(guān)的RTs減慢有關(guān)。值得注意的是，到目前為止，雙手選擇RT任務(wù)中的(前)運動-運動IHi調(diào)節(jié)只在年輕人中進行了研究。到目前為止，還沒有研究使用在選擇RT任務(wù)中評估M1-M1和PMd-M1 s-IHi和l-IHi調(diào)節(jié)方向的設(shè)計。
雖然TMS確定相位突觸GABA受體介導(dǎo)的活性，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，由共同編輯的大分子貢獻的GABA)濃度。到目前為止，旨在確定與年齡相關(guān)的GABA+水平變化的研究結(jié)果尚不一致。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，其他研究未能得到這一結(jié)果。此外，運動相關(guān)區(qū)域的GABA+水平與行為之間的關(guān)聯(lián)也被證實。然而，局部的GABA+水平和任務(wù)相關(guān)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(zhì)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，并報告兩者之間的相關(guān)性很低或者沒有相關(guān)關(guān)系。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(guān)系，但沒有報道相關(guān)關(guān)系。值得注意的是，IHi被認為是由興奮性谷氨酸能投射介導(dǎo)的，這些谷氨酸能投射穿過胼胝體和突觸，與對側(cè)靶區(qū)M1中的局部GABA能中間的神經(jīng)元相連。然而，到目前為止，“任務(wù)相關(guān)”的IHi調(diào)節(jié)和靶SMC中GABA+水平之間的聯(lián)系尚未被研究。總而言之，在運動任務(wù)的計劃/執(zhí)行過程中，結(jié)合MRS和TMS衍生的IHi測量的雙模態(tài)方法應(yīng)該能夠補充和更全面地理解這些神經(jīng)化學(xué)特性和神經(jīng)生理過程是如何預(yù)測人類運動行為的。
方法和材料
參與者
25例健康青年[年齡18~33歲，22.08±4.40；12名男性]和28例健康老年人[年齡60~74歲，67.29±4.16；12名男性]。所有參與者都是右利手[偏側(cè)系數(shù)：91.16±12.39]，無神經(jīng)、精神、心血管或神經(jīng)肌肉疾病的病史，沒有使用精神活性(例如，抗抑郁藥、精神病藥物、癲癇藥、鎮(zhèn)靜劑等)藥物，視力正常或矯正視力正常。所有參與者接受了TMS和磁共振成像禁忌癥的篩查。
實驗設(shè)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))，四分位數(shù)范圍為4至11天。在MRS期間，獲得每個參與者的T1加權(quán)結(jié)構(gòu)圖像，并使用GABA編輯的MRS測量雙側(cè)SMC中的GABA+水平。在隨后的兩個階段中，選擇RT任務(wù)與dsTMS程序相結(jié)合，評估M1-M1和PMd-M1 IHi中與任務(wù)相關(guān)的調(diào)節(jié)。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)。兩次TMS分兩天進行，中間間隔至少48小時，參與者之間的順序是平衡的。
磁共振波譜(MRS)
在飛利浦3T Achieva MR掃描儀上進行掃描，帶有32通道磁頭線圈接收器。T1加權(quán)結(jié)構(gòu)圖像(TR=9.6ms；TE=4.6ms；體素大小=0.98×0.98×1.20mm3；視野=256×256mm2；矢狀切面160mm2；翻轉(zhuǎn)角度=8°)。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(guān)閉)ppm的14ms編輯脈沖；TR=2000ms；TE=68ms；320個平均值；2048點；2 kHz頻譜寬度；MOIST水信號抑制。對于每個體素，自動采集16個水信號未抑制的平均值。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，與前后軸平行。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。Cuypers和Verstraelen等人詳細描述了處理步驟和參數(shù)選擇。使用SPM12獲得每個SMC體素的組織部分(灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液)。這些組織部分被用來確定每個體素的組織校正GABA+水平。來自Harris等人的Alpha校正被用來解釋這樣一個事實，即灰質(zhì)中的GABA含量大約是白質(zhì)中的兩倍。此外，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。
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、M1-M1 s-IHi、M1-M1 l-IHi、PMd-M1 s-IHi和PMd-M1 l-IHi。在選擇RT任務(wù)的三個不同的時間點對這些測量進行了評估(有關(guān)這些時間點的詳細描述，請參見圖1A和“實驗方法”部分)。使用單脈沖TMS(僅TS)在兩個半球的M1上評估CSE。對于M1-M1IHI和PMd-M1?IHi的評估，使用了dsTMS程序，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)、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，連接到Magstim BiStim2刺激器。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)；非優(yōu)勢PMd至優(yōu)勢M1(PMdND-M1DIHi)；或優(yōu)勢PMd至非優(yōu)勢M1(PMdD-M1NDIHi)；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，參考解剖學(xué)頭部標志(即左右外耳道、鼻根、枕骨隆突和頭頂)。然后將熱點定義為連續(xù)5次刺激在對側(cè)松弛的第一骨間背側(cè)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。TS的刺激強度被設(shè)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(zhuǎn)45°，手柄指向后方(圖1B)，在M1處誘發(fā)前后電流。M1上的CS是在M1熱點上傳遞的，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，PMd位于同側(cè)M1熱點前方8%的鼻根-枕骨隆突距離處。對于M1或PMd上方的CS，線圈的方向垂直于中線，手柄指向外側(cè)，以在大腦中誘發(fā)側(cè)向內(nèi)側(cè)電流(圖1B)。對于所有dsTMS條件，CS強度被設(shè)置為個體靜息運動閾值(rMT)的110%。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，在靜息FDI肌肉中誘導(dǎo)幅值大于50μV的MEP所需的最低刺激強度。表2匯總了兩次TMS半球和年齡組的平均rMT。
為了能夠?qū)Υ碳^(qū)域進行精確的在線監(jiān)測，將從MRI中的每個參與者的T1加權(quán)解剖圖像輸入神經(jīng)導(dǎo)航系統(tǒng)以指導(dǎo)TMS。與頭皮上的刺激部位相對應(yīng)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。為了進一步確保放松手部肌肉組織，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）、濾波（帶通4-1500Hz），消除50/60Hz噪聲，將5000 Hz的頻率數(shù)字化，并存儲在實驗室計算機上以供離線分析。
選擇RT任務(wù)
使用預(yù)先線索的雙手選擇RT任務(wù)。參與者坐在椅子上，前臂內(nèi)旋在平臺上，由兩對接觸開關(guān)組成：即兩對主按鈕開關(guān)和兩個目標開關(guān)。如圖1A所示，在參與者前方1米處放置了一個信號裝置，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。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(yīng)、非優(yōu)勢(左)食指反應(yīng)、雙側(cè)食指反應(yīng)或無反應(yīng)的命令信號(IS)。
參與者的食指放在各自的主頁按鈕開關(guān)上。在每次試次開始時，WS顯示500ms(“準備期”)。然后，關(guān)閉WS并立即呈現(xiàn)IS，持續(xù)1000ms。根據(jù)顯示的信息系統(tǒng)，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(guān)來盡可能快地做出反應(yīng)。每次試次結(jié)束后，參與者都會被指示將手指重新放置在主頁按鈕上。在“無反應(yīng)”試次中，在WS之后沒有任何綠燈，提示參與者不要移動食指。RT被定義為起始和釋放HOME按鈕開關(guān)之間的時間。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。
實驗方法
TMS部分的過程如圖1C所示。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)，其中72個試次用TMS進行。在使用TMS的試次期間，TS傳遞的時間點是在WS開始時，在IS開始時，或者是在響應(yīng)的FDI肌肉中自發(fā)的EMG發(fā)作的預(yù)期時間的75%（稱為時間點75%EMG）；見圖1A。第一時間點（WS）用作基線測量。選擇第二個時間點（IS）是因為CSE抑制預(yù)期在IS預(yù)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)，是因為預(yù)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，無論是在非目標FDI的單一響應(yīng)期間還是在沒有響應(yīng)期間)將在該時間點左右達到峰值。具體地說，使用TMS的72個試次包括在時間點WS提供的12個TMS試次；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。在時間點WS的12個TMS試次，每個試次包括4個(總是由一個優(yōu)勢手、非優(yōu)勢手、雙手和無反應(yīng)試次組成)僅TS試次；4個CS+TS試次，用于s-IHI評估；以及4個CS+TS試次，用于l-IHi評估。在75%肌電圖時間點的48次試次中，包括16次單純TS試次(包括4次優(yōu)勢手試次、4次非優(yōu)勢手試次、4次雙手試次和4次無反應(yīng)試次)、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，每個實驗區(qū)的其余6個試次(即2個優(yōu)勢手試次、2個非優(yōu)勢手試次和2個雙手反應(yīng)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，因為已經(jīng)表明在自發(fā)運動開始之前進行TMS會影響RT。
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，因為他們的RMT>80%。因此，RT數(shù)據(jù)來自26名老年人[60~74歲，67.42±4.29；11名男性]。RT是從沒有進行TMS的試次中計算出來的，因為TMS脈沖會影響RT。有錯誤或反應(yīng)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%。
對于TMS分析，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。因此，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；11名男性]。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(yīng)選擇RT任務(wù)；(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；(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），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。總體而言，在年輕人MEP有8.67±10.98%被排除，在老年人中有13.72±8.64%被排除（p=0.004，Wilcoxon秩和檢驗）。(詳細數(shù)據(jù)處理過程見原文，公眾號后臺回復(fù)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(yīng)
使用線性混合效應(yīng)模型（nlme軟件包，版本3.1131）分析年齡效應(yīng)。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(yīng)。顯著性水平設(shè)定為α < 0.05。
選擇RT性能
RT采用2[年齡：年輕人vs.老年人]x3[反應(yīng)：非優(yōu)勢手vs.優(yōu)勢手vs.雙手]線性混合模型進行分析，年齡和反應(yīng)為固定效應(yīng)。
與任務(wù)相關(guān)的TMS測量
為了分析CSE、M1-M1和PMd-M1 IHi中的任務(wù)相關(guān)調(diào)節(jié)，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”)，被定義為進行TS的半球。對于CSE，兩個TMS過程之間與任務(wù)相關(guān)的MEP大小沒有差異(p>0.42)。因此，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。
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），其中年齡和目標半球為固定效應(yīng)。為了分析M1-M1 IHiNORM（prep）和PMd-M1 IHiNORM（prep），我們另外添加了固定效應(yīng)IHi類型（2個級別：s-IHi與l-IHi）以區(qū)分兩種類型的IHi評估。
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(cè)SMC的GABA+水平，年齡和體素作為固定效應(yīng)。
SMC GABA+水平與任務(wù)相關(guān)TMS測量的關(guān)系
探索性相關(guān)分析被用來研究與任務(wù)相關(guān)的TMS測量與目標SMC中GABA+水平之間的相關(guān)性。如果數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布假設(shè)(Shapiro-Wilk檢驗)，則計算皮爾遜相關(guān)系數(shù)。否則，采用Spearman相關(guān)分析。
RT的預(yù)測
建立多元線性回歸模型，分別用于預(yù)測年輕人和老年人的單手優(yōu)勢手和非優(yōu)勢手反應(yīng)的RT。使用逐步選擇程序，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，計算方差膨脹系數(shù)（VIF）得分，如果>10，則認為存在問題。對于優(yōu)勢手RT模型，包括的預(yù)測可能是TMS衍生的CSENORM（prep），D，M1ND-M1Ds-IHiNORM（prep），M1ND-M1Dl-IHiNORM（prep），準備期間的PMdND-M1DsIHiNORM（prep）和PMdND-M1Dl-IHiNORM（prep）；CSENORM（prem），D，M1ND-M1Ds-IHiNORM（prem），M1ND-M1Dl-IHiNORM（prem），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+。對于非優(yōu)勢手RT預(yù)測，分別為CSENORM（prep），ND，M1D-M1NDs-IHiNORM（prep），M1D-M1NDl-IHiNORM（prep），PMdD-M1NDs-IHiNORM（prep）和準備期間的PMdD-M1NDl-IHiNORM（prep）；CSENORM（prem），ND，M1D-M1NDs IHiNORM（prem），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；SMCNDGABA+和SMCDGABA+。
結(jié)果
年齡效應(yīng)
選擇RT性能
圖2顯示了年齡組和反應(yīng)條件上的表現(xiàn)。年齡×反應(yīng)的交互效應(yīng)顯著，表明反應(yīng)對RT的影響在年齡組之間存在差異。事后Tukey對比顯示，在所有反應(yīng)條件下，老年人比年輕人慢。僅在老年人中，雙手反應(yīng)的RTs比非優(yōu)勢手反應(yīng)的RTs快。一個年齡組內(nèi)反應(yīng)條件之間的所有其他成對比較均無顯著差異。
任務(wù)相關(guān)TMS測量
CSE調(diào)節(jié)
準備期和運動前階段的CSENORM結(jié)果如圖3A所示。
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。年齡有顯著的主效應(yīng)，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，年齡的主效應(yīng)主要是由非優(yōu)勢半球的CSENORM年齡差異驅(qū)動的，而不是優(yōu)勢半球（見圖3A）。目標半球的主效應(yīng)不顯著。
運動前期CSE調(diào)節(jié)模型僅產(chǎn)生手部動作的主效應(yīng)。當目標FDI在單手操作或雙手反應(yīng)期間被選擇移動時，與在單手操作（“非選擇手動反應(yīng)”）中要求目標FDI不移動時相比，事后Tukey檢驗對比產(chǎn)生了顯著更高的CSENORM（prem），或“無反應(yīng)”狀態(tài)，不考慮年齡組和目標半球。其余兩個對照組無顯著差異。所有其他主效應(yīng)和交互效應(yīng)均不顯著。
研究結(jié)果表明，與年輕人相比，老年人在準備期的雙側(cè)CSE抑制減少。在運動前期，預(yù)期單手（選擇）或雙手反應(yīng)的易化CSE調(diào)節(jié)在年齡組和大腦半球之間沒有差異。?
M1-M1 IHi調(diào)制
圖3B顯示了預(yù)備期和運動前期間的M1-M1 IHiNORM結(jié)果。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(yīng)。年齡的主效應(yīng)顯著表明，無論目標半球和IHi類型如何，年輕人的IHiNORM（prep）高于老年人。另一項探索性分析顯示，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(yīng)顯示l-IHi組的IHiNORM值高于s-IHi組。目標半球的主效應(yīng)和交互效應(yīng)均不顯著。
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。年齡×手部動作交互作用顯著。然而，經(jīng)過Tukey校正后的比較結(jié)果表明，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(yīng)的事后檢驗表明，當選擇目標FDI進行單手運動時，s-IHi的IHiNORM（prem）值高于l-IHi。類似地，在雙手反應(yīng)期間觀察到s-IHi比l-IHi的IHiNORM（prem）值更高。所有其他交互作用和目標半球的主效應(yīng)均不顯著。
總之，在準備階段，與s-IHi相比，l-IHi的雙向去抑制M1-M1 IHi調(diào)節(jié)更為顯著。在老年人中，這種去抑制調(diào)節(jié)的幅度低于年輕人。相比之下，無論年齡大小，當需要單手（選擇）或雙手反應(yīng)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。?
PMd-M1 IHi調(diào)節(jié)
圖3C說明了在準備和運動前期與任務(wù)相關(guān)的PMd-M1 IHi調(diào)節(jié)。對于準備期的PMd-M1 IHi調(diào)制，IHi類型的主效應(yīng)顯示，無論年齡和目標半球如何，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。事后檢驗表明，無論IHi類型如何，年輕人PMdD-M1NDIHiNORM（prep）均高于老年人，但該結(jié)果并未達到顯著性。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(qū)動（見圖3C）。所有其他交互作用均不顯著。
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(yīng)。Tukey校正的事后檢驗表明，老年人PMdD-M1和s-IHi的IHiNORM（prem）值顯著高于年輕人。在老年人中，PMdD-M1ND的s-IHi的IHiNORM（prem）顯著大于PMdND-M1D，PMdD-M1ND?s-IHi的IHiNORM（prem）顯著大于PMdD-M1NDl-IHi。有趣的是，這種模式與手的動作無關(guān)。其余交互作用和手部動作的主效應(yīng)均不顯著。
總之，對于準備期間的M1-M1 IHi調(diào)制，與s-IHi相比，l-IHi的雙向去抑制PMd-M1 IHi調(diào)節(jié)更為顯著。在老年人中，去抑制PMdD-M1NDIHi調(diào)節(jié)的幅度往往低于年輕人。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)，而與即將出現(xiàn)的反應(yīng)無關(guān)。
?GABA水平
圖4說明了年齡和體素的個體GABA+范圍、示例性體素位置和GABA+水平。線性混合模型的年齡主效應(yīng)顯著，這表明無論體素如何，年輕成人的GABA+平均水平顯著高于老年人。體素的主效應(yīng)和年齡×體素交互效應(yīng)不顯著。
?SMC GABA+水平與任務(wù)相關(guān)TMS測量之間的關(guān)聯(lián)
當優(yōu)勢手FDI在非優(yōu)勢手FDI的單手反應(yīng)中被要求不移動時，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，F(xiàn)DR校正p=0.02，圖5）。
圖5
?RT的預(yù)測
在年輕人中，優(yōu)勢手FDI RT模型的建立導(dǎo)致了一個顯著的預(yù)測因子，即在優(yōu)勢手FDI反應(yīng)的運動前期內(nèi)M1ND-M1D?s-IHi調(diào)制表明，更多的去抑制M1ND-M1D?s-IHi調(diào)節(jié)與更長的RTs相關(guān)。對于非優(yōu)勢手FDI的RT，年輕人中的預(yù)測候選指標均不顯著。
在老年人中，優(yōu)勢手FDI的RT模型構(gòu)建產(chǎn)生了三個顯著的預(yù)測因子。該模型表明，優(yōu)勢手FDI的RTs越長，優(yōu)勢半球的SMC GABA+水平越高，非優(yōu)勢半球SMC GABA+水平較低，并且在準備期內(nèi)有更多的去抑制性M1ND-M1Dl-IHi調(diào)節(jié)。最高VIF得分為1.53。非優(yōu)勢手FDI RT預(yù)測模型也產(chǎn)生了三個顯著預(yù)測因子。更具體地說，在準備期內(nèi)，更長的RTs與更多的去抑制性M1D-M1NDl-IHi調(diào)節(jié)有關(guān)和更少的去抑制PMdD-M1NDl-IHi調(diào)節(jié)。在運動前階段，更多的CSEND便利化預(yù)測非優(yōu)勢手FDI響應(yīng)的RTs更快。
討論
本研究得出了三個主要結(jié)果。首先，TMS衍生的神經(jīng)生理學(xué)調(diào)節(jié)指標以及初級運動區(qū)GABA+水平均存在年齡效應(yīng)。更具體地說，與年輕人相比，老年人在準備期表現(xiàn)出雙側(cè)CSE抑制減少，雙向長潛伏期半球間（前）運動去抑制程度降低。此外，與年輕人相比，老年人雙側(cè)SMC中的GABA+水平降低。其次，僅在老年人中，探索性相關(guān)分析表明SMC GABA+水平與任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)生理學(xué)調(diào)節(jié)之間存在多重關(guān)聯(lián)。第三，根據(jù)回歸分析，老年人組（較慢）的RTs至少可以部分由SMC GABA+水平和任務(wù)相關(guān)神經(jīng)生理學(xué)解釋。值得注意的是，在年輕人中，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(guān)的神經(jīng)生理調(diào)節(jié)差異導(dǎo)致反應(yīng)時間增加和SMC GABA+水平的作用
準備期間
與運動前期相比，準備期的神經(jīng)生理學(xué)年齡相關(guān)差異最為顯著。根據(jù)先前研究的結(jié)果，本研究結(jié)果表明，在準備期內(nèi)CSE受到抑制。重要的是，與年輕人相比，老年人的CSE抑制降低。
關(guān)于非信息提示后延遲期內(nèi)雙側(cè)CSE抑制的作用，提出了兩個并非互斥的假設(shè)。首先，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。從這個角度來看，年齡相關(guān)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，大腦去分化是指老年人在各種認知和運動任務(wù)中大腦區(qū)域的特異性降低和激活增加。有趣的是，Cassady等人的研究結(jié)果表明，年齡相關(guān)的大腦去分化可能是SMC GABA+水平降低的直接結(jié)果。但在本研究中的組水平上，與年輕人相比，老年人雙側(cè)SMC中GABA+水平較低。此外，根據(jù)去分化假說，非優(yōu)勢SMC中較低的GABA水平（可能意味著噪音增加）預(yù)示著老年人組中優(yōu)勢手的RTs較慢。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(guān)性，但該結(jié)果未達到顯著性水平。第二，潛在選定效應(yīng)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。因此，脈沖控制允許皮層興奮性準備過程展開，而不會導(dǎo)致實際運動的過早釋放。與這一假設(shè)一致，本實驗數(shù)據(jù)表明，在兩個年齡組中總體是去抑制，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。值得注意的是，對于PMd-M1和M1-M1相互作用，老年人的l-IHi去抑制調(diào)節(jié)（抑制釋放減少）明顯減少，這顯然是由于基線抑制張力降低。有趣的是，靜息狀態(tài)下皮質(zhì)內(nèi)抑制的年齡相關(guān)性降低被認為可以預(yù)測運動任務(wù)期間調(diào)節(jié)抑制過程的能力降低，這與運動功能下降有關(guān)。然而，本實驗沒有在休息時探索基線測量，而是在每次試次開始時，控制與任務(wù)驅(qū)動的注意力增加相關(guān)的過程。未來研究的一個有趣假設(shè)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(guān)系在多大程度上是由基線測量的抑制狀態(tài)驅(qū)動的。總的來說，由于靜息狀態(tài)下的l-IHi似乎不受衰老的影響，目前的研究結(jié)果表明GABAB受體介導(dǎo)的神經(jīng)元回路的任務(wù)相關(guān)調(diào)節(jié)能力存在年齡相關(guān)差異。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(guān)減少，以及在手足協(xié)調(diào)任務(wù)期間對側(cè)靜息期的調(diào)節(jié)減少，表明運動任務(wù)條件下GABAB受體活性的改變。
比較有趣的結(jié)果是，在老年人的準備期中間，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(guān)系。更具體地說，在老年人中，較強的長潛伏期M1-M1去抑制與較慢的RTs相關(guān)，而較強的長潛伏期PMdD-M1ND去抑制與較快的RTs相關(guān)。前者的結(jié)果讓人出乎意料，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。因此，可以推測，老年人在準備期的M1-M1去抑制反應(yīng)了功能失調(diào)的激活擴散。這得到了額外的事后分析的支持，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(guān)聯(lián)（見圖A.6)。具體而言，結(jié)果表明，只有年輕人的M1-M1去抑制潛伏期越長，CSE抑制程度越高，而老年人則沒有觀察到明顯的相關(guān)性。
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(jié)合，表明目標M1中老年人的信噪比較低。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。由于各自的PMdD-M1NDl-IHi調(diào)節(jié)僅與老年人的RT顯著相關(guān)，而與年輕人無關(guān)，目前的研究結(jié)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。
運動前期
與年輕人相比，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。更具體地說，在準備階段的雙側(cè)CSE抑制之后，在（選定的）單手或雙手反應(yīng)期間，CSE促進運動前期的肌電發(fā)作（另見圖A.1)。這一觀察結(jié)果證實了早期報道的CSE動力學(xué)，包括在簡單的和選擇RT任務(wù)。有人認為，選定和非選定響應(yīng)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。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。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(wù)的優(yōu)勢半球FDI RT之間的類似關(guān)聯(lián)，但在年輕人中沒有。
至于CSE調(diào)節(jié)，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(yù)線索RT任務(wù)的結(jié)果一致。引人注目的是，在年輕人中，更大的短潛伏期M1ND-M1D去抑制可以預(yù)測優(yōu)勢手FDI的RTs較慢。在另一項事后分析中，結(jié)果表明，在運動前期，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(guān)（見圖A.7)。綜上所述，這些發(fā)現(xiàn)表明，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。根據(jù)這些思路，最近的一項研究報告，通過MEP恢復(fù)曲線，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(fù)更多皮質(zhì)脊髓通路的能力與激活局部抑制回路的能力有關(guān)。有趣的是，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，觀察到的M1-M1 IHi調(diào)節(jié)與RT或CSE之間的關(guān)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，通過CSE調(diào)制有助于易化興奮過程的增加。
關(guān)于老年人PMd-M1 IHi調(diào)節(jié)，本研究得出兩個顯著結(jié)果。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(guān)，而較低的GABA+水平與對去抑制甚至促進的調(diào)節(jié)有關(guān)。在未來的研究中要檢驗的一個尚不確定的假設(shè)是，更具抑制性的PMdM1 l-IHi調(diào)節(jié)有助于降低錯誤率。第二，PMdD-M1NDs-IHi調(diào)節(jié)在老年人中具有去抑制/促進作用，但在年輕人中沒有（見圖A.5）。與此結(jié)果一致，Impend等人報告，僅在老年人中存在IS發(fā)作和反應(yīng)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(guān)增加的最合理解釋可能是，它反映了老年人運動前區(qū)的激活增加。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，因為在當前的數(shù)據(jù)中，與RT沒有明顯的關(guān)系。Impend等人的研究結(jié)果表明，在老年人中，準備期早期更多的PMd-M1去抑制與更快的RTs有關(guān)，而運動前后期更多的PMd-M1去抑制與較慢的RTs有關(guān)。這表明早期PMd-M1去抑制是有益的，而相反，晚期PMd-M1去抑制對快速運動反應(yīng)是不利的。因此，額外的事后分析結(jié)果表明，在兩個年齡組中，PMdD-M1D和s-IHi去抑制作用越多，運動前期CSEND易化作用越少（見圖A.8）。由于在老年人中，CSEND易化程度較低是RTs速度較慢的預(yù)測因素，因此該附加分析間接支持了以下假設(shè)，即預(yù)期運動反應(yīng)時PMd-M1去抑制的年齡相關(guān)增加是有害的，而不是有益于快速RTs。
?年齡相關(guān)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(wù)相關(guān)的生理調(diào)節(jié)以及RT。因此，可以推測，當GABA水平低于臨界限值時，老年人可能出現(xiàn)這種情況，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(guān)鍵因素。另一方面，如果GABA水平達到臨界限值以上，GABA水平的進一步增加不會影響生理動力學(xué)和運動行為。同樣，這也解釋了為什么SMC GABA水平既不能預(yù)測年輕人的RT，也不能預(yù)測任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)生理學(xué)動力學(xué)。然而，需要注意的是，不要過度簡化GABA水平與其功能之間的相互作用。例如，關(guān)于老年人中優(yōu)勢手FDI的RT，目前的研究結(jié)果表明，更快的RTs與更多的SMCND-GABA相關(guān)，但與更少的SMCD-GABA相關(guān)。如果不考慮GABA能系統(tǒng)的其他特性，例如受體利用率，很難解釋這種差異，未來的多模式研究需要進一步闡明這種復(fù)雜性。綜上所述，這些數(shù)據(jù)強調(diào)了與任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)生理學(xué)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(xué)動力學(xué)和運動行為之間存在/不存在關(guān)系時，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，與神經(jīng)化學(xué)GABA測量類似，在年輕成人中，運動準備期間的神經(jīng)生理學(xué)（前）運動調(diào)節(jié)總體上不能預(yù)測RT表現(xiàn)。這表明，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(xué)的副產(chǎn)品，而不是RT運動行為的因果。
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，在一個單一的實驗設(shè)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。無論年齡大小，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，與M1相比，運動規(guī)劃期間的PMd功能更偏側(cè)化。總體而言，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，而同源M1s之間的相互作用更加平衡。
結(jié)論
這是一項在預(yù)先線索的雙手選擇RT任務(wù)中，對短潛伏期和長潛伏期的雙側(cè)CSE和半球間（前）運動動力學(xué)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(xué)動力學(xué)與SMC中靜態(tài)MRS GABA+水平之間的關(guān)聯(lián)，及其對健康年輕人和老年人RT的影響。結(jié)果表明，老年人在準備期表現(xiàn)出雙側(cè)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，表明GABAB受體介導(dǎo)的神經(jīng)遞質(zhì)缺乏。老年人的任務(wù)相關(guān)（前）運動調(diào)節(jié)和較慢的RTs至少可以部分解釋為雙側(cè)感覺運動皮質(zhì)GABA水平較低。相比之下，生理（前）運動調(diào)節(jié)和RTs均不依賴于年輕人的SMC GABA+水平。
