腦刺激作為神經調控的重要研究工具，對認識大腦、改善大腦、保護大腦和模擬大腦具有重要意義，在治療人腦疾病和增強腦功能方面有著重要的潛力和應用前景。通過神經電刺激改善和提高人體運動能力的方法受到運動科學領域的廣泛關注。傳統的經顱電刺激可改變大腦神經元興奮性，增強機體的運動能力。但傳統的經顱電刺激屬于泛刺激，無法精準調控負責執行運動控制與調節的大腦特定區域以及深部核團。2017年，以麻省理工學院Boyden為通訊作者的研究團隊在Cell 雜志上提出時域干涉（Temporal interference, TI）腦刺激技術作為一種新型的非侵入性深部腦刺激技術可實現對腦區的靶向精準調控。TI技術是通過兩組高頻且差異較小的正弦交流電場相互作用，由于兩個正弦交流電場存在一定的頻率差，會產生一個疊加電場，形成低頻的包絡波，頻率較低的包絡波足以驅動神經活動，且神經元可以在選定的焦點處被激活，而不會驅動鄰近或覆蓋的區域，這樣就可以實現特定位置的刺激，而不影響其他無關腦區，為大腦的精準調控提供可能。初級運動皮層(M1)是參與人體運動計劃、執行和控制以及人類和動物運動技能鞏固的關鍵腦區，傳統的經顱交流電流刺激(transcranial alternating current stimulation, tACS)可提高運動技能，但TI刺激是否對小鼠運動技能有影響，與tACS相比是否有優勢，以及TI刺激提升小鼠運動技能的作用機制，目前均不清楚。

近期，上海體育大學劉宇、王曉慧團隊在Brain Stimulation雜志上發表題為Temporally interfering electric fields brain stimulation in primary motor cortex of mice promotes motor skill through enhancing neuroplasticity的文章。該研究證實TI可以實現對小鼠M1區的無創刺激，且包絡波頻率為20 Hz的TI刺激每天1次，持續20 min，連續7天可顯著提高小鼠的運動技能，且TI刺激與傳統的tACS相比，能更好地提升小鼠運動技能。進一步研究發現，其作用機制與其調節神經遞質代謝，增加突觸相關蛋白表達，促進神經遞質釋放，增加樹突棘密度，增強突觸囊泡數量和突觸后致密物質厚度，最終增強神經元的興奮性和可塑性有關。這是關于TI刺激促進小鼠運動技能及其機制的首次報道。
 

為評估小鼠的運動技能，作者采用經典單顆粒抓取訓練和測試。使用成功率來評估單顆粒抓取任務的完成情況：成功抓取的次數（抓住食物并將其送到嘴里）與總次數的比率，以百分比表示。當小鼠抓取食物的成功率達到40%時，即認為小鼠已經掌握了任務。結果顯示，連續7天每次20 min給與小鼠左側M1區TI刺激，能顯著提升小鼠完成單粒抓取任務的成功率、成功速度和首選前肢百分比。而作為陽性對照的tACS，給與小鼠M1區20 min的tACS，也能顯著增加小鼠完成單粒抓取任務的成功率，但成功率的增加程度不及TI；此外，tACS對單粒抓取任務的其他指標無顯著影響，提示TI比陽性對照的tACS更能提升小鼠的運動技能。

為了確認刺激調節作用與神經遞質代謝的關系，作者采用代謝組學技術檢測小鼠M1區神經遞質含量的變化，通過各類統計分析及可視化方法探討TI和tACS刺激對神經遞質代謝的影響（圖1，原文表1）。結果發現TI-20 min組與TI-Sham相比，DA、Glu等11種神經遞質含量顯著更高，而tACS-20 min組與tACS-Sham相比，DA、Glu等8種神經遞質含量更高；且提升幅度TI大于tACS，提示TI和tACS刺激均能提高小鼠運動技能的作用與其顯著提升M1區Glu、DA等神經遞質含量有關。
 

圖1. 代謝組學可視化分析結果

通過KEGG代謝途徑圖探究TI和tACS刺激對不同代謝物代謝途徑的影響，發現TI和tACS刺激可提高DA神經遞質含量，調節PKA信號通路，促進CREB和BDNF蛋白表達。TI和tACS刺激可提高Glu等神經遞質含量，調節NMDAR和AMPAR位點，促進CREB、BDNF等突觸可塑性相關蛋白的表達（圖2）。此外，TI和tACS刺激可增加5- HT、其前體和代謝產物等神經遞質含量，還可提高Spd、Spm、His、Hist等神經遞質水平，促進鈣釋放，從而提高神經元興奮性。
 

圖2. TI和tACS刺激M1區域的代謝通路分析

結合代謝組學測試結果選取Glu及DA重要的興奮性神經遞質探針，利用在體多通道光纖記錄系統（采用瑞沃德公司生產的光纖記錄系統）檢測了M1區鈣離子、谷氨酸和多巴胺神經遞質的釋放證實了TI、tACS刺激對神經元興奮性（鈣離子釋放）和神經元興奮性神經遞質DA、Glu釋放的影響，且改變幅度在TI刺激明細高于tACS刺激（圖3），表明TI刺激M1區提升小鼠運動技能的作用與其增加神經元興奮性神經遞質釋放、增強神經元興奮性有關。
 

圖3. 多通道光纖記錄TI和tACS刺激M1區
對鈣離子和神經遞質釋放的影響

為了研究TI和tACS刺激對突觸可塑性的影響，作者采用Western blot方法檢測了突觸可塑性相關的多個蛋白如PSD-95、SYN、NMDAR、AMPAR和BDNF等的表達水平，發現TI刺激和tACS刺激都能增加小鼠M1區的PSD-95、BDNF和CREB蛋白水平、且TI刺激增加幅度更大（圖4）。此外，激光共聚焦成像結果表明，連續7天的TI和tACS刺激顯著增加了M1區突觸囊泡數量和PSD厚度（圖5）。以上結果提示TI和tACS刺激M1區提升小鼠運動技能的作用可能通過增加突觸可塑性相關蛋白水平、提高突觸可塑性實現。
 

圖4. TI和tACS刺激M1區對突觸可塑性相關蛋白的影響
 

圖5. TI和tACS刺激M1區對神經元和突觸結構的影響

綜上，TI刺激能提高小鼠運動技能，且TI刺激提升運動技能的作用比陽性對照tACS刺激更優。TI刺激的該作用與其增強神經元興奮性和突觸可塑性，以及改善突觸微結構有關。

研究方法亮點
這項工作首次證實了連續7天的TI刺激（每天一次、每次10 min、∆f=20Hz）M1區可有效增強小鼠力量、平衡、耐力、協調等運動能力，并發現其作用機制與其增強神經元興奮性和突觸可塑性，以及改善突觸微結構有關。研究用到時域干涉刺激、經顱交流電刺激、多通道光纖記錄系統、代謝組學、蛋白印跡、激光共聚焦、液相色譜-質譜聯用以及動物行為學評估等實驗技術。其中，多通道光纖記錄系統購自瑞沃德生命科技股份有限公司。瑞沃德深耕生命科學研究領域22年，一直致力于為客戶提供可信賴的解決方案和服務。在該研究中，研究人員采用了瑞沃德生產的光纖記錄系統，為實驗的順利開展提供了支持。此外，瑞沃德還可提供該研究所涉及神經環路研究的完整解決方案。截止目前，瑞沃德產品及服務覆蓋海內外100多個國家和地區，客戶涵蓋全球700+醫院，1000+科研院所，6000+高等院校，已助力全球科研人員發表SCI文章14500+，獲得行業廣泛認可。
 

文章原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.brs.2024.02.014