光纖記錄系統(tǒng)在研究TI刺激促進(jìn)小鼠運(yùn)動(dòng)技能提升及其機(jī)制中的應(yīng)用

腦刺激作為神經(jīng)調(diào)控的重要研究工具，對(duì)認(rèn)識(shí)大腦、改善大腦、保護(hù)大腦和模擬大腦具有重要意義，在治療人腦疾病和增強(qiáng)腦功能方面有著重要的潛力和應(yīng)用前景。通過神經(jīng)電刺激改善和提高人體運(yùn)動(dòng)能力的方法受到運(yùn)動(dòng)科學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的經(jīng)顱電刺激可改變大腦神經(jīng)元興奮性，增強(qiáng)機(jī)體的運(yùn)動(dòng)能力。但傳統(tǒng)的經(jīng)顱電刺激屬于泛刺激，無法精準(zhǔn)調(diào)控負(fù)責(zé)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制與調(diào)節(jié)的大腦特定區(qū)域以及深部核團(tuán)。2017年，以麻省理工學(xué)院Boyden為通訊作者的研究團(tuán)隊(duì)在Cell 雜志上提出時(shí)域干涉（Temporal interference, TI）腦刺激技術(shù)作為一種新型的非侵入性深部腦刺激技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)腦區(qū)的靶向精準(zhǔn)調(diào)控。TI技術(shù)是通過兩組高頻且差異較小的正弦交流電場(chǎng)相互作用，由于兩個(gè)正弦交流電場(chǎng)存在一定的頻率差，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)疊加電場(chǎng)，形成低頻的包絡(luò)波，頻率較低的包絡(luò)波足以驅(qū)動(dòng)神經(jīng)活動(dòng)，且神經(jīng)元可以在選定的焦點(diǎn)處被激活，而不會(huì)驅(qū)動(dòng)鄰近或覆蓋的區(qū)域，這樣就可以實(shí)現(xiàn)特定位置的刺激，而不影響其他無關(guān)腦區(qū)，為大腦的精準(zhǔn)調(diào)控提供可能。初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層(M1)是參與人體運(yùn)動(dòng)計(jì)劃、執(zhí)行和控制以及人類和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)技能鞏固的關(guān)鍵腦區(qū)，傳統(tǒng)的經(jīng)顱交流電流刺激(transcranial alternating current stimulation, tACS)可提高運(yùn)動(dòng)技能，但TI刺激是否對(duì)小鼠運(yùn)動(dòng)技能有影響，與tACS相比是否有優(yōu)勢(shì)，以及TI刺激提升小鼠運(yùn)動(dòng)技能的作用機(jī)制，目前均不清楚。

近期，上海體育大學(xué)劉宇、王曉慧團(tuán)隊(duì)在Brain Stimulation雜志上發(fā)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(shí)TI可以實(shí)現(xiàn)對(duì)小鼠M1區(qū)的無創(chuàng)刺激，且包絡(luò)波頻率為20 Hz的TI刺激每天1次，持續(xù)20 min，連續(xù)7天可顯著提高小鼠的運(yùn)動(dòng)技能，且TI刺激與傳統(tǒng)的tACS相比，能更好地提升小鼠運(yùn)動(dòng)技能。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，其作用機(jī)制與其調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)代謝，增加突觸相關(guān)蛋白表達(dá)，促進(jìn)神經(jīng)遞質(zhì)釋放，增加樹突棘密度，增強(qiáng)突觸囊泡數(shù)量和突觸后致密物質(zhì)厚度，最終增強(qiáng)神經(jīng)元的興奮性和可塑性有關(guān)。這是關(guān)于TI刺激促進(jìn)小鼠運(yùn)動(dòng)技能及其機(jī)制的首次報(bào)道。
 

為評(píng)估小鼠的運(yùn)動(dòng)技能，作者采用經(jīng)典單顆粒抓取訓(xùn)練和測(cè)試。使用成功率來評(píng)估單顆粒抓取任務(wù)的完成情況：成功抓取的次數(shù)（抓住食物并將其送到嘴里）與總次數(shù)的比率，以百分比表示。當(dāng)小鼠抓取食物的成功率達(dá)到40%時(shí)，即認(rèn)為小鼠已經(jīng)掌握了任務(wù)。結(jié)果顯示，連續(xù)7天每次20 min給與小鼠左側(cè)M1區(qū)TI刺激，能顯著提升小鼠完成單粒抓取任務(wù)的成功率、成功速度和首選前肢百分比。而作為陽(yáng)性對(duì)照的tACS，給與小鼠M1區(qū)20 min的tACS，也能顯著增加小鼠完成單粒抓取任務(wù)的成功率，但成功率的增加程度不及TI；此外，tACS對(duì)單粒抓取任務(wù)的其他指標(biāo)無顯著影響，提示TI比陽(yáng)性對(duì)照的tACS更能提升小鼠的運(yùn)動(dòng)技能。

為了確認(rèn)刺激調(diào)節(jié)作用與神經(jīng)遞質(zhì)代謝的關(guān)系，作者采用代謝組學(xué)技術(shù)檢測(cè)小鼠M1區(qū)神經(jīng)遞質(zhì)含量的變化，通過各類統(tǒng)計(jì)分析及可視化方法探討TI和tACS刺激對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)代謝的影響（圖1，原文表1）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)TI-20 min組與TI-Sham相比，DA、Glu等11種神經(jīng)遞質(zhì)含量顯著更高，而tACS-20 min組與tACS-Sham相比，DA、Glu等8種神經(jīng)遞質(zhì)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(yùn)動(dòng)技能的作用與其顯著提升M1區(qū)Glu、DA等神經(jīng)遞質(zhì)含量有關(guān)。
 

圖1. 代謝組學(xué)可視化分析結(jié)果

通過KEGG代謝途徑圖探究TI和tACS刺激對(duì)不同代謝物代謝途徑的影響，發(fā)現(xiàn)TI和tACS刺激可提高DA神經(jīng)遞質(zhì)含量，調(diào)節(jié)PKA信號(hào)通路，促進(jìn)CREB和BDNF蛋白表達(dá)。TI和tACS刺激可提高Glu等神經(jīng)遞質(zhì)含量，調(diào)節(jié)NMDAR和AMPAR位點(diǎn)，促進(jìn)CREB、BDNF等突觸可塑性相關(guān)蛋白的表達(dá)（圖2）。此外，TI和tACS刺激可增加5- HT、其前體和代謝產(chǎn)物等神經(jīng)遞質(zhì)含量，還可提高Spd、Spm、His、Hist等神經(jīng)遞質(zhì)水平，促進(jìn)鈣釋放，從而提高神經(jīng)元興奮性。
 

圖2. TI和tACS刺激M1區(qū)域的代謝通路分析

結(jié)合代謝組學(xué)測(cè)試結(jié)果選取Glu及DA重要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)探針，利用在體多通道光纖記錄系統(tǒng)（采用瑞沃德公司生產(chǎn)的光纖記錄系統(tǒng)）檢測(cè)了M1區(qū)鈣離子、谷氨酸和多巴胺神經(jīng)遞質(zhì)的釋放證實(shí)了TI、tACS刺激對(duì)神經(jīng)元興奮性（鈣離子釋放）和神經(jīng)元興奮性神經(jīng)遞質(zhì)DA、Glu釋放的影響，且改變幅度在TI刺激明細(xì)高于tACS刺激（圖3），表明TI刺激M1區(qū)提升小鼠運(yùn)動(dòng)技能的作用與其增加神經(jīng)元興奮性神經(jīng)遞質(zhì)釋放、增強(qiáng)神經(jīng)元興奮性有關(guān)。
 

圖3. 多通道光纖記錄TI和tACS刺激M1區(qū)
對(duì)鈣離子和神經(jīng)遞質(zhì)釋放的影響

為了研究TI和tACS刺激對(duì)突觸可塑性的影響，作者采用Western blot方法檢測(cè)了突觸可塑性相關(guān)的多個(gè)蛋白如PSD-95、SYN、NMDAR、AMPAR和BDNF等的表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)TI刺激和tACS刺激都能增加小鼠M1區(qū)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(jié)果表明，連續(xù)7天的TI和tACS刺激顯著增加了M1區(qū)突觸囊泡數(shù)量和PSD厚度（圖5）。以上結(jié)果提示TI和tACS刺激M1區(qū)提升小鼠運(yùn)動(dòng)技能的作用可能通過增加突觸可塑性相關(guān)蛋白水平、提高突觸可塑性實(shí)現(xiàn)。
 

圖4. TI和tACS刺激M1區(qū)對(duì)突觸可塑性相關(guān)蛋白的影響
 

圖5. TI和tACS刺激M1區(qū)對(duì)神經(jīng)元和突觸結(jié)構(gòu)的影響

綜上，TI刺激能提高小鼠運(yùn)動(dòng)技能，且TI刺激提升運(yùn)動(dòng)技能的作用比陽(yáng)性對(duì)照tACS刺激更優(yōu)。TI刺激的該作用與其增強(qiáng)神經(jīng)元興奮性和突觸可塑性，以及改善突觸微結(jié)構(gòu)有關(guān)。

研究方法亮點(diǎn)
這項(xiàng)工作首次證實(shí)了連續(xù)7天的TI刺激（每天一次、每次10 min、∆f=20Hz）M1區(qū)可有效增強(qiáng)小鼠力量、平衡、耐力、協(xié)調(diào)等運(yùn)動(dòng)能力，并發(fā)現(xiàn)其作用機(jī)制與其增強(qiáng)神經(jīng)元興奮性和突觸可塑性，以及改善突觸微結(jié)構(gòu)有關(guān)。研究用到時(shí)域干涉刺激、經(jīng)顱交流電刺激、多通道光纖記錄系統(tǒng)、代謝組學(xué)、蛋白印跡、激光共聚焦、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用以及動(dòng)物行為學(xué)評(píng)估等實(shí)驗(yàn)技術(shù)。其中，多通道光纖記錄系統(tǒng)購(gòu)自瑞沃德生命科技股份有限公司。瑞沃德深耕生命科學(xué)研究領(lǐng)域22年，一直致力于為客戶提供可信賴的解決方案和服務(wù)。在該研究中，研究人員采用了瑞沃德生產(chǎn)的光纖記錄系統(tǒng)，為實(shí)驗(yàn)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(jīng)環(huán)路研究的完整解決方案。截止目前，瑞沃德產(chǎn)品及服務(wù)覆蓋海內(nèi)外100多個(gè)國(guó)家和地區(qū)，客戶涵蓋全球700+醫(yī)院，1000+科研院所，6000+高等院校，已助力全球科研人員發(fā)表SCI文章14500+，獲得行業(yè)廣泛認(rèn)可。
 

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