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技术前沿 | 研究显示:音乐律动TMS是一种优化神经调控效果的新范式

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经颅磁刺激(TMS)的效应存在明显的个体与次间差异,其核心原因是TMS脉冲发放时间与大脑固有振荡相位不一致。现有相位调控TMS方案需要实时脑电图(EEG)闭环系统,设备昂贵、流程复杂,临床很难普及。

已有研究证实,音乐节拍可以可靠地夹带、同步大脑感觉‑运动脑振荡(听节律音乐时,在节拍到来前约-200ms,感觉-运动mu节律发生去同步,皮层兴奋性最高),被动听音乐就可以诱发可预测的脑相位动态变化。

基于此斯坦福大学团队提出一种低成本替代方案:用音乐节拍的相位带动脑振荡,再把脉冲放在节拍前约200毫秒的高兴奋性窗口,放大TMS诱发的运动诱发电位(MEP)——他们称之为感觉夹带经颅磁刺激(seTMS)。简单理解,也可以称之为音乐律动TMS。


一

实验设计

排除有神经精神疾病、TMS 禁忌症人群,总共纳入33名22-65岁健康成年人。同时区分音乐家(≥1 年音乐训练)与非音乐家,考察音乐经验是否影响效果。

1.EEG+音乐实验(n=27):只听节律声音,记录脑电,验证μ节律在节拍前200毫秒发生去同步;相位对齐程度以试次间相位一致性(ITC,inter-trial coherence)衡量——ITC取值0—1,越接近1表示相位越整齐(同步化),越接近0表示相位越分散(去同步化),因此μ去同步表现为ITC谷值,即兴奋性最高的时间窗;

2.MEP‑TMS实验(n=19):采集第一背侧骨间肌(FDI)的肌电(EMG),对比三种刺激条件下MEP波幅:①单脉冲seTMS,单脉冲TMS设置在节拍事件前‑200ms;②标准单脉冲TMS;③听觉对照:播放完全一致音频,TMS脉冲落在节拍0ms(与节拍同步)。刺激强度统一为120%RMT;每个条件100‑150个试次;TMS脉冲间隔≥3s。不同刺激条件的顺序在受试者间随机。

TMS刺激:基于受试者个体MRI进行神经导航、TMS机械臂,自动维持线圈在FDI运动热点的头部空间位置。

听觉刺激:利用MATLAB 的刺激时序控制程序实现TMS脉冲相对音乐节拍的自动精准触发(即实现音乐律动TMS)。seTMS 所用音乐为 2/4 拍或 4/4拍,速度98-120 BPM;强节拍约每秒1次(1 Hz)。选自Groove音乐库的3段高律动感音乐,每段重复播放5遍,片段长30s,播放顺序随机。 纯 EEG 聆听实验采用120 BPM 节拍器,强弱交替,强音振幅为弱音的10倍;声音为 262 Hz 中央C,时长60ms,升降沿 10 ms。音频通过降噪耳塞耳机播放(降噪NRR 25 dB),再叠加头戴降噪耳罩(NRR 29 dB),最大限度削弱 TMS 线圈“咔哒”噪音。


图1 研究设计与seTMS实现(A)μ去同步出现在节拍前约200毫秒;(B)标准单脉冲与seTMS的脉冲时机对比;(C)以第一背侧骨间肌肌电的MEP峰峰值评估兴奋性

二

结 果

1、EEG实验结果

①受试者聆听刺激时,运动皮层 EEG 表现为:α(mu)相位去同步(ITC 降低),β相位同步升高,提示运动皮层兴奋性提升。

②个体与组水平数据均观察到:每个音乐强节拍事件前,α‑ITC出现谷值(平均‑156.48 ms,SD 40.62 ms);节拍之后出现 α‑ITC 峰值(平均 46.41 ms),和已有文献吻合,与“节拍前约200 ms运动兴奋性最高”的假设兼容。

③27名受试者中26人 ITC 斜率为正(96.30%),即呈现“先去同步、后再同步”模式。

④α‑ITC 谷值(M=0.06)显著低于峰值(M=0.11),t (26)=‑8.34,p=8.12×10⁻⁹。

综上,被动聆听音乐节律的脑电结果证实:听觉节律事件前约200ms,mu节律发生去同步。


图2 听觉节律导致μ节律去同步化(A)单受试者运动皮层α(μ)与β频带相位相干性,最大兴奋性出现在节拍前约200毫秒(C5、C3、C1三通道平均);(B)n=27群体水平的音乐诱发相位相干性;(C)单受试者α-ITC波谷时间与波谷至波峰斜率(n=27);(D)α-ITC波谷显著低于波峰(0.06 vs 0.11,t(26)=−8.34,p=8.12×10⁻⁹)

2、MEP‑TMS实验结果

①seTMS(MEP平均3.08mV)对比标准 TMS(2.44 mV),MEP幅度显著更大,t (18)=3.78,p=0.0014,峰‑峰值平均提升77.1%(中位数 22.2%)。

②seTMS 对比听觉对照组(TMS打在节拍0 ms,MEP均值2.38 mV),seTMS MEP依然更大,t(18)=3.73,p=0.0015,峰‑峰值相对提升平均 36.8%(中位数 26.5%)。

证明seTMS相比标准TMS、听觉对照条件,都可以提升皮质‑运动兴奋性。


图3 seTMS增大MEP波幅(A)平均波形;(B)峰-峰值均值(seTMS vs 标准 vs 听觉对照);(C)个体数据

3、个体差异与音乐经验

个体差异:19人中18人(94.7%)出现MEP增大;增大个体平均提升 81.4%,个体跨度从<1%至>809%。

音乐家、非音乐家之间:α‑ITC谷点时间、ITC斜率均无统计学差异;音乐训练年限和脑电指标无线性相关;MEP增幅在音乐家和非音乐家之间同样无统计学差异。

提示seTMS的效果不依赖既往音乐训练或音乐经验。

三

讨 论

机制上,听节拍时大脑会预判下一拍何时到来,并像准备动作一样预先调动运动皮层——即使身体不动,这种预测性活动也会让皮层兴奋性随节拍起伏,高峰恰好落在节拍前约200毫秒;因此仅凭节拍时间就能推断最佳刺激时机,无需实时EEG。相比EEG触发的相位对齐方案,seTMS部署门槛低。

向临床推进还需回答三个问题:seTMS能否在背外侧前额叶(DLPFC)复现(精神科主要治疗靶区)、重复seTMS能否诱导持续可塑性、音乐选择与刺激时机能否个体化。音乐联合TMS治疗抑郁已不新鲜,但以音乐主动制造兴奋性状态再优化刺激时机尚属首次,即用音乐节律把脑状态调好,再在最佳时刻进行TMS。

依瑞德NS1000设备配备除有单脉冲刺激、常规rTMS模式,还配备独特的音乐律动刺激模式,利用外部音乐和磁刺激对神经活动进行同步化调制,更好的实现兴奋或抑制大脑的目的,尤其适用于对音乐律动TMS感兴趣的研究者。


四

结 论

对比标准TMS与听觉对照条件,seTMS显著增大运动诱发电位MEP,平均提升77%;该效应不受音乐经验影响。通过将 TMS脉冲与音乐诱发的高兴奋脑状态同步对齐,seTMS提供一种低成本、易获取的方案,有望降低TMS应答的个体内、个体间变异。该范式为无创脑刺激优化开辟新路径,对TMS科研和临床应用具备重要意义。

撰文:吴玉莲

审核:尧利书

编辑:马睿琦

参考文献:

Ross JM, Forman L, Gogulski J, et al. Sensory Entrained TMS (seTMS) enhances motor cortex excitability[J]. Human Brain Mapping, 2025, 46(10): e70267.

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