文献速递 | taVNS最新脑机接口研究：增强运动序列学习

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/ 2024.06.14

1.Low-Invasive, Wide-Field, and Cellular Resolution Two-Photon Imaging of Neural Population Activity In Brainstem and Nucleus Tractus Solitarii

脑干和孤束核神经群活动的低创、宽场和细胞分辨率双光子成像

doi: https://doi.org/10.1101/2024.05.31.596631

2.Add-On Deep Brain Stimulation versus Continued Vagus Nerve Stimulation for Childhood Epilepsy (ADVANCE): A Partially Randomized Patient Preference Trial

附加深部脑刺激与持续迷走神经刺激治疗儿童癫痫 （ADVANCE）：一项部分随机患者偏好试验

https://doi.org/10.1002/ana.26956

3.Vagus Nerve Stimulation Paired With Upper Extremity Rehabilitation for Chronic Ischemic Stroke: Contribution of Dosage Parameters

迷走神经刺激与慢性缺血性中风的上肢康复相结合：剂量参数的贡献

https://doi.org/10.1177/15459683241258769

4.Transcutaneous Auricular Vagus Nerve Stimulation in Erosive Hand Osteoarthritis: Results of The Multicenter Randomized Sham-Controlled  Trial Estival

经皮耳迷走神经刺激治疗糜烂性手骨关节炎：多中心随机假对照试验的结果

https://doi.org/10.1136/annrheumdis-2024-eular.2200

5.Transcutaneous Vagal Nerve Stimulation during Lower Body negative pressure

下半身负压期间经皮迷走神经刺激

https://doi.org/10.1016/j.autneu.2024.103192

运动学习在人类生活中起着至关重要的作用，各种神经调节方法已经被用来加强或改善它。经皮耳迷走神经刺激术（ Transcutaneous Auricular Vagus Nerve Stimulation，taVNS）因其无创性、可负担和易实施而受到越来越多的关注。虽然taVNS在调节运动学习方面有潜力，但其实际调节作用尚未得到充分探索。脑电图（Electroencephalogram，EEG）分析提供了对运动学习中认知过程的深入了解，为运动学习的调节提供了方法论支持。为了探讨taVNS对运动学习的影响，本研究招募了22名健康受试者参与单盲、假对照和受试者内系列反应时间任务（serial reaction time task，SRTT）实验。每个受试者至少间隔一周，并在每个疗程中接受20分钟的主动/假taVNS。提取并分析了任务状态下的行为指标和EEG特征。结果显示，与假手术组相比主动手术组的学习能力更高。此外，EEG结果显示，在taVNS后，与运动相关的皮层电位振幅和alpha-gamma调制指数显著降低，基于部分定向相干的功能连通性增强。这些发现表明， taVNS可以改善运动学习，主要是通过增强认知和记忆功能，而不是简单的运动学习。本研究证实了taVNS对运动学习的积极调节作用，这是特别有希望，因为它为提高运动技能和促进康复提供了潜在的途径。

图1 . 实验程序和实验设备的图示。(a) TaVNS装置和两种刺激的电极位置。(b)：实验期间的一张照片。在SRTT期间，受试者应将手指放在相应的按键上。(c) 一个区块的过程。正确或不正确的反馈只存在于自适应训练期。(d)整个实验的过程。

图2 . 四种情况下刺激后的功能连通性有显著差异。箭头表示方向，颜色表示显著的变化趋势（红色：增强；蓝色：减弱）

结果表明，taVNS改善了经过处理后的视觉信息向额叶皮层的传递。由于额叶皮层与认知和判断相关，改善信息传递可能导致更好的判断和决策。迷走神经的左耳分支从脑干穿过脑岛叶和海马体，最终到达初级运动皮层和前额叶皮层。这些脑区域与认知、记忆和运动执行相关。前额叶皮层在知觉学习中起着至关重要的作用，知觉学习是SRTT过程中的一种学习类型，涉及到序列的学习。另一种类型是学习行动本身， 其神经神经活动分布在基底神经节、小脑和运动皮层。在我们的研究中有三种脑电图特征：MRCP、PAC和PDC。其中，MRCP反应主要分布在前额叶皮层和辅助运动皮层。PAC结果显示，在主动固定条件下，额叶皮质和顶叶皮质心肌梗死显著降低。两种序列的心肌梗死差异在活动后主要分布在额叶皮层，而在假活动后主要分布在右侧初级运动皮层。此外，PDC结果反映了在活动-固定条件下，对前额叶皮层的连接增强。因此，我们的研究结果表明，额叶皮层在调节运动学习中发挥了重要作用，而taVNS可能主要是调节知觉学习，而不是动作学习。同时，taVNS的作用机制主要涉及NTS-LC系统的激活和GABA分泌的增加。LC活动通过调节信息处理[78]的局部和功能网络级模式，有助于优先级记忆表征，这有助于选择性记忆。此外，GABA在序列的记忆中起着重要作用，taVNS诱导的序列的升高有助于运动皮层激活。GABA增强竞争反应选项抑制的机制有助于抑制不正确的选择和选择其他选项的趋势。因此，taVNS所带来的神经生理变化促进了神经反应，从而导致行为增强。

综上所述，研究结果显示，taVNS可以改善左手的运动学习。而且这种改善直接反映在行为中学习表现的提高上。同时，对MRCP、alpha-PAC和PDC的分析表明，taVNS分别增强了对额叶的认知资源、序列编码和功能连接的分配。这项研究表明， 有可能有助于基于taVNS的辅助或康复设备的开发。