自1985年磁刺激被引入以来,重复经颅磁刺激(rTMS)已经被广泛应用于各种神经精神疾病的临床治疗,如帕金森病、抑郁症、精神分裂症及痴呆等。rTMS通过强时变磁场穿过颅骨,产生感生电流,引起刺激局部或远隔部位神经组织产生继发电流,使神经元及轴突去极化,改变神经兴奋性。rTMS具有频率特异性。一般认为,低频rTMS(≤1Hz)能够抑制神经元的放电活动,降低神经细胞的兴奋性;而高频rTMS(5-25Hz)使神经细胞去极化,兴奋性增加。同时,rTMS具有部位特异性。左侧背外侧前额叶(dorsolateral prefrontal cortex,DLPFC)区参与认知与情绪,是改善情绪、认知功能的经典刺激部位已形成共识。大量研究表明,rTMS不仅能够改善上述神经精神疾病的临床症状,而且能够改善患者的认知功能,尤其是执行功能,如言语记忆、联想记忆、词语回忆、选择性注意等。Guse B等综述了近10年来rTMS改善疾病状态人群认知的研究,发现采用高频rTMS(频率5Hz、10Hz、15Hz),强度80-110%运动阈值,10-15个连续序列,刺激左侧DLPFC 1-2周更有可能改善认知功能。高频rTMS改善认知的治疗作用可能维持8周至3个月,对rTMS改善疾病状态下的认知的作用给予了充分的肯定。rTMS治疗作用确切,操作简便,且鲜有副作用出现,是一种很有潜力的改善认知的物理方法。然而,多序列高频rTMS(通常被广泛应用于神经精神疾病的治疗的磁刺激参数)能否在健康人中产生类似的认知改善作用尚知之甚少。就目前文献来看,rTMS对正常人认知功能的影响研究较少且结果仍有矛盾。有研究发现,应用单次10Hz高频rTMS刺激健康青年女性左侧DLPFC,与假刺激相比,高频rTMS后,健康青年女性被试在Stroop任务中能取得更好的成绩。Hwang等进行了类似的研究,被试为健康青年男性,结果发现,高频rTMS后健康青年男性在Conners连续任务测试中错误更少。然而,Rounis E的研究却发现单次左侧DLPFC高频rTMS对健康青年人(男性、女性均包括)注意朝向无任何改善作用。一般认为,更多的rTMS刺激数,更长的rTMS刺激时间,会产生更大的、持续时间更长的治疗效应。近10年来,国内外探讨rTMS影响健康人认知功能文章较少,大部分研究倾向于高频rTMS能够明显提高正常被试延迟回忆等认知任务成绩,明显缩短反应时和事件相关电位P3潜伏期;而有的研究认为高频rTMS损害了分离性注意功能或不影响认知功能。少部分学者认为低频rTMS能够提高被试视觉延迟工作记忆的成绩。因此,目前学术界对不同频率、甚至是同一频率rTMS对认知功能的影响仍争论不休,其机理为何仍是国际神经科学界致力探讨的问题。有关重复经颅磁刺激的机制,rTMS改善神经疾病临床症状及认知功能的内在神经机制非常复杂且尚未完全明确。研究显示,rTMS有促进神经重塑的作用,促进受损周围神经再生和恢复传导功能的作用优于局部电刺激,促进脑缺血大鼠脑细胞增殖,改善神经功能,其机制可能与健侧突触超微结构的改变有关,并调节多巴胺的合成和释放。rTMS能使前额皮质的多巴胺水平降低,而纹状体和海马多巴胺水平增加。我们前期研究应用磁刺激干预对数生长期的PC12细胞,发现细胞突起增多,细胞外液中多巴胺含量增多;在动物模型方面,本课题组发现rTMS能够增加帕金森模型小鼠纹状体生长相关蛋白-43(Growth associated protein-43,GAP-43)、突触素(Synapsin,Syp)及神经营养因子(nerve growth factor,NGF)的表达,提示rTMS有促进神经再生和突触重塑作用。已有研究证实,刺激局部血流和代谢的改变、脑源性神经生长因子上调(brain-derived neurotrophic,BDNF)、突触可塑性的改善、DLPFC-扣带回神经环路活动或兴奋性的改变等可能是rTMS有效的可能机制。但目前为止,应用事件相关电位技术(event-related potential,ERP)及磁共振波谱分析技术(proton magnetic resonance spectroscopy,1H-MRS)来探讨rTMS机制的研究很少。因此,本研究拟在左侧DLPFC神经结构基础上,采用随机对照设计,应用经典的心理学实验范式,明确左侧背外侧前额叶多个序列的高频rTMS能否改善健康青年人的认知功能及其可能的电生理、脑代谢机制。明确(1)左侧背DLPFC多个序列高频rTMS是否能够从行为学角度改善健康人的认知功能;(2)采用事件相关电位技术,明确高频rTMS对认知功能时间进程的影响,进而明确rTMS对认知控制影响的内在电生理机制,为rTMS改善正常脑认知功能提供可能及理论依据。(3)应用磁共振波谱分析技术,明确rTMS对脑局部代谢的影响。第一部分左侧背外侧前额叶高频重复经颅磁刺激对健康青年人认知控制的影响及其电生理机制研究目的:观察多个序列高频rTMS对健康青年人认知控制能力的影响及其可能的神经电生理机制。方法:1研究对象筛选及分组选择年龄24-30岁的健康硕士研究生共50名作为研究对象,男性女性均可;既往无神经、精神疾病及其他健康问题;使用汉密尔顿抑郁量表(HAMD)、汉密尔顿焦虑量表(HAMA)筛查无情绪障碍(两项评分均小于7分);经简易智力量表(MMSE)、蒙卡量表(MOCA)进行认知筛查,初筛无认知功能减退(两项分数均大于27分);无色觉障碍;无rTMS禁忌症。随机分为高频rTMS组、假刺激组,每组25例。磁刺激组平均年龄(26.6±1.15)岁,假刺激组平均年龄(26.9±1.68)岁,每组含12个男性被试及13个女性被试。两组性别、年龄均匹配。2行为实验在对健康青年被试进行首次rTMS或假刺激干预前及末次干预后即刻分别采用视觉Stroop实验范式的来检测被试认知控制功能的情况。被试两次检查时间一致,均在上午或下午进行。Stroop实验范式的刺激材料选用以红、蓝、绿、黄这四种颜色出现的这四个词。任务要求被试只对字的颜色进行判断按键忽略字本身的意思。3 ERP及脑电测试在行为实验同时,使用neuroscan4.5 EEG/ERP系统(放大器类型:Syn Amps 2)、10-20脑电系统64导电极帽(银/氯化银电极)记录被试Stroop实验范式脑电信号。离线数据分析采用Neuro Scan 4.5软件包分析。4 rTMS刺激方法按照磁刺激安全指南来进行磁刺激干预。采用MC-B70 Butterfly"8"字形线圈,磁刺激参数为频率10 Hz,部位为左侧DLFPC,磁场强度为110%静息阈值,1350个脉冲,分为3个序列,连续刺激7天。左侧DLPFC定位为左侧第一皮层运动区前方5cm。5统计学分析所有数据应用SPSS 13.0软件包进行统计学处理,采用重复测量的方差分析(组别×时间×匹配性),以P<0.05为差异有统计学意义。结果:1高频rTMS的安全性及副作用情况所有被试均完成了整个实验流程,总体耐受性良好。磁刺激组有一例被试感觉到轻微头痛,假刺激组有一例被试感到轻度头皮不适感,无癫痫及其他严重并发症。2 Stroop行为实验结果高频rTMS改善了Stroop实验行为学结果,降低了匹配刺激、不匹配刺激的反应时,但对正确率无影响。2.1反应时两组重复测量的方差分析显示,两组反应时无组间主效应[F(1,48)=0.436,P=0.512,ηp2=0.009]。然而,我们发现了明显的时间主效应[F(1,48)=17.340,P<0.001,ηp2=0.265],在T2时间点(磁刺激或假刺激1周后)反应时较T1时间点(磁刺激或假刺激前)明显缩短(665.07ms vs.708.87 ms,p<0.001)。同时,发现了明确的匹配性效应[F(1,48)=134.138,P<0.001,ηp2=0.736],匹配刺激的反应时较不匹配刺激明显缩短(616.4ms vs.756.8 ms,P<0.001)。此外,我们发现了时间×组别的交互效应[F(1,48)=6.022,P=0.018,ηp2=0.211]。进一步简单效应分析发现,磁刺激组T2时间点平均反应时较假刺激组明显缩短(P=0.043),而两者在T1时间点无明显差异(P=0.672)。没有发现匹配性×组别的交互效应[F(1,48)=0.000,P=0.999,ηp2=0.000]或组别×时间×匹配性交互效应[F(1,48)=0.063,P=0.803,ηp2=0.001]。2.2 stroop干扰效应结果:两组stroop干扰效应无组间主效应[F(1,48)=0.094,P=0.760,ηp2=0.002]及组别×时间的交互效应[F(1,48)=0.063,P=0.803,ηp2=0.001]。2.3 Stroop实验正确率结果重复测量方差分析显示,发现明确的匹配性主效应[F(1,48)=103.002,P<0.001,ηp2=0.682],匹配刺激的正确率明显高于不匹配刺激(98.47%vs.94.09%,P<0.001),没有发现其他主效应及交互效应。3 ERP结果高频rTMS增加了匹配刺激及不匹配刺激N2的平均波幅,同时增加了不匹配刺激N450的平均波幅。3.1 N2成分重复测量的方差分析结果发现时间主效应[F(1,48)=76.191,P<0.001,ηp2=0.613],N2的平均波幅在T2时间点较T1时间点更负。同时,结果显示时间×组别交互效应[F(1,48)=22.147,P<0.001,ηp2=0.316]。进一步简单效应分析发现,在T2时间点,磁刺激组N2的平均波幅较假刺激组明显增大(P=0.010),而在T1时间点,两组N2平均波幅无明显差异(p=0.957)。结果没有发现组间主效应[F(1,48)=2.135,P=0.150,ηp2=0.043]、匹配性主效应[F(1,48)=1.245,P=0.270,ηp2=0.025]及其他交互效应。3.2 N450成分重复测量的方差分析结果发现匹配性主效应[F(1,48)=43.300,P<0.001,ηp2=0.474],不匹配刺激N450成分的平均波幅较匹配刺激更负。此外,发现匹配性×组别交互效应[F(1,48)=3.966,P=0.050,ηp2=0.076],进一步简单效应分析发现,不匹配刺激条件下,磁刺激组N450平均波幅较假刺激组更大(P=0.002),而匹配刺激条件下,两组无差异(P=0.965)。同时,结果发现明显的时间主效应[F(1,48)=8.041,P=0.007,ηp2=0.143]及时间×组别交互效应[F(1,48)=4.575,P=0.038,ηp2=0.107]。进一步简单效应分析发现,在T2时间点,磁刺激组N450成分的平均波幅明显大于假刺激组,而T1时间点,两组无明显差异。未再发现其他交互效应。3.3相关分析N2平均波幅与匹配刺激、不匹配刺激的反应时成负相关,与正确率无相关性。N450平均波幅与不匹配刺激的反应时成负相关,rTMS可以增强这种负相关。对于N2成分,在T1及T2时间点,N2成分平均波幅与匹配刺激、不匹配刺激的反应时成负相关(P<0.05),提示N2平均波幅越大,两类刺激的反应时越短。然而,rTMS对这种相关性无影响,既无增强也无减弱作用。在T1及T2时间点,N2平均波幅与匹配刺激、不匹配刺激的正确率均无相关性(P>0.05)。对于N450成分,在T1及T2时间点,N450成分平均波幅与不匹配刺激的反应时成负相关(P<0.05),rTMS可以增强这种负相关(r value:-0.616 vs-0.381),假刺激对这种负相关无影响。N450波幅与匹配刺激反应时及两类刺激正确率均无相关性(P>0.05)。第二部分左侧背外侧前额叶高频重复经颅磁刺激对健康青年人反应抑制的影响及其电生理机制研究目的:观察多个序列高频rTMS对健康青年人反应抑制能力的影响及其可能的神经电生理机制。方法:1研究对象筛选及分组同第一部分。2行为实验在对健康青年被试进行首次rTMS或假刺激干预前及末次干预后即刻采用Go/No Go实验范式的来检测被试的反应抑制功能。被试两次检查时间一致,均在上午或下午进行。Go/No Go实验范式刺激材料选用字母“O”及“X”。呈现Go刺激频率为80%,No Go刺激频率为20%,两种刺激材料在被试间平衡,要求一部分被试看见字母“X”按键,而对字母“O”则不按键,而另一部分被试相反,看见字母“O”按键,而对字母“X”则不按键。先在正式实验开始前进行练习,后进行正式实验,每个被试做2个block,每个block含240个trail,每个block中间休息一次。该范式使用E-Prime软件编程实现。3 ERP及脑电测试在行为实验同时,使用neuroscan4.5 EEG/ERP系统(放大器类型:Syn Amps 2)、10-20脑电系统64导电极帽(银/氯化银电极)记录被试Go/No Go实验范式脑电信号。4 rTMS刺激方法同第一部分。5统计学分析所有数据应用SPSS 13.0软件包进行统计学处理,采用重复测量的方差分析(组别×时间×刺激类型),以P<0.05为差异有统计学意义。结果:1 Go/No Go实验范式行为学结果左侧DLPFC多序列高频重复经颅磁刺激能够降低No Go刺激的误报率,而对Go刺激反应时、正确率均无明显影响。1.1 Go刺激的正确反应(hit)的反应时没有发现组别[F(1,48)=,0.058 P=0.812]及时间主效应[F(1,48)=0.611P=0.441],也没有发现组别与时间的交互效应(F(1,48)=1.860,P=0.183)。1.2 Go刺激反应(hit)的正确率没有发现组别[F(1,48)=0.000,p=1.000]及时间主效应[F(1,48)=0.481,P=0.493],也没有发现组别与时间的交互效应[F(1,48)=1.560,P=0.221]。1.3 No Go刺激的误报率没有发现时间[F(1,48)=0.254 P=0.618]及组别主效应[F(1,48)=0.092,P=0.764]。然而发现组别×时间边缘显著效应[F(1,48)=2.819,P=0.10]。进一步简单效应分析发现,磁刺激组在T2时间点No Go刺激的误报率较T1时间点明显降低(t=2.438,P=0.028),而假刺激组在两个时间点No Go刺激的误报率无明显差异(t=-0.657,P=0.521)。。2 ERP结果No Go-N2波幅较Go-N2波幅明显增大,多序列高频rTMS明显升高No Go-N2的波幅,但对Go-N2无明显影响。rTMS没有影响P3的平均波幅。2.1 N2成分N2平均波幅结果显示时间主效应[F(1,48)=14.756,P=0.001],也就是说,N2平均波幅在T2时间点比T1时间点更负(T1:3.815 uv,T2:2.617 uv)。此外,组别主效应呈边缘显著性[F(1,48)=3.042,P=0.091],磁刺激组N2平均波幅比假刺激组明显增大(磁刺激组:2.619uv,假刺激组:3.812uv)。发现明显刺激类型主效应[F(1,48)=53.899,P<0.001],No Go刺激的N2平均波幅比Go刺激N2平均波幅更负。交互效应方面,发现时间×组别交互效应[F(1,48)=17.533,P<0.001]。进一步简单效应分析显示,磁刺激组N2平均波幅在T2时间点较假刺激组更大(t=-3.219,P=0.003),然而在T1时间点,两组N2平均波幅无显著差异(t=0.156,P=0.877)。此外发现刺激类型×组别交互效应[F(1,48)=4.232,P=0.048]。进一步简单效应分析显示,在No Go条件下,磁刺激组N2平均波幅较假刺激组明显增大(t=-2.290,P=0.029),但在Go刺激条件下两组无显著差异(t=-0.051,P=0.960)。更重要的是,我们发现了时间×刺激类型×组别的交互效应[F(1,48)=10.710,P=0.003]。进一步简单效应分析显示,磁刺激组在No Go条件下T2时间点,N2平均波幅较T1时间点明显增大(t=10.041,P<0.001),但在Go刺激条件下,两个时间点无明显差异(t=0.465,P=0.649)。假刺激组在Go刺激及No Go刺激条件下,两个时间点N2平均波幅均无明显差异(Go刺激:t=-0.100,P=0.921;No Go刺激:t=-0.161,P=0.874)。2.2 P3成分P3平均波幅重复测量方差分析显示,发现明显的刺激类型主效应[F(1,48)=220.860,P<0.001],也就是说No Go刺激P3比Go刺激P3明显增大(14.056uv vs.4.621uv),然而无时间[F(1,48)=0.030 P=0.865]和组别主效应[F(1,48)=0.093,P=0.763]及其他交互效应。第三部分左侧背外侧前额叶高频重复经颅磁刺激对健康青年人脑代谢影响的研究目的:采用磁共振波谱分析技术探讨左侧DLPFC高频rTMS对健康青年人脑代谢影响。方法:1研究对象筛选及分组同第一部分。2 rTMS刺激方法同第一部分。3磁共振波谱分析采用美国GE 1.5T双梯度超导磁共振系统,采用T2WI轴位定位双侧DLPFC,选取正方体感兴趣区(VOI),体素大小为15mm×15mm×15mm选择点解析波谱序列(PRESS)采集波谱,TR/TE=2000/136ms。接收/发射增益调节、体素内匀场、水抑制和无水抑制扫描均由自动扫描程序完成,获得波谱后进行基线校正和相位校正。在T2WI轴位像上的另一侧额叶的对称部位选取同样的VOI,用以上的方法采集波谱。测定双侧双侧背外侧前额叶N-乙酰基天门冬氨酸(NAA)、肌酸复合物(Cr)、含胆碱化合物(Cho)、肌醇(MI)的波峰,用软件测量各峰下面积,计算NAA/Cr、Cho/Cr和MI/Cr比值。4统计学分析所有数据应用SPSS 13.0软件包进行统计学处理,数据以(x±s)表示,采用重复测量方差分析的统计学方法(时间×部位×组别),以P<0.05为差异有统计学意义。结果:1双侧DLPFC的NAA/Cr比值rTMS组和假刺激组双侧DLFPC的NAA/Cr比值在磁刺激或假刺激前后无统计学差异。重复测量方差分析显示,NAA/Cr比值无时间主效应[F(1,48)=0.035,P=0.852,ηp2=0.001]、部位主效应[F(1,48)=3.636,P=0.063,ηp2=0.070]及组间主效应[F(1,48)=0.005,P=0.944,ηp2=0.000]。同时,本研究也没有发现时间×组别交互效应[F(1,48)=0.134,P=0.2716,ηp2=0.003]、部位×组别交互效应[F(1,48)=0.376,P=0.543,ηp2=0.008]及时间×部位×组别交互效应[F(1,48)=0.854,P=0.360,ηp2=0.017]。2双侧DLPFC的Cho/Cr比值rTMS组和假刺激组双侧背外侧前额叶Cho/Cr比值在磁刺激或假刺激前后无统计学差异。重复测量方差分析显示,Cho/Cr值无时间主效应[F(1,48)=0.021,P=0.885,ηp2=0.000]、部位主效应[F(1,48)=3.532,P=0.066,ηp2=0.069]及组间主效应[F(1,48)=0.775,P=0.383,ηp2=0.016]。同时,本研究也没有发现时间×组别交互效应[F(1,48)=0.029,P=0.866,ηp2=0.001]、部位×组别交互效应[F(1,48)=0.663,P=0.420,ηp2=0.014]及时间×部位×组别交互效应[F(1,48)=1.580,P=0.215ηp2=0.032]。3双侧背外侧前额叶MI/Cr比值:多序列高频rTMS刺激降低了左侧DLPFC的MI/Cr比值。重复测量方差分析显示,MI/Cr比值呈现明显的组别主效应[F(1,48)=7.153,P=0.010,ηp2=0.130],而无时间主效应[F(1,48)=0.322,P=0.573,ηp2=0.007]、部位主效应[F(1,48)=0.696,P=0.408,ηp2=0.014]。同时,本研究也没有发现时间×组别交互效应[F(1,48)=0.953,P=0.334,ηp2=0.019]、部位×组别交互效应[F(1,48)=0.049,P=0.826,ηp2=0.001]及时间×部位×组别交互效应[F(1,48)=1.580,P=0.215ηp2=0.032]。进一步简单效应分析显示,左侧背外侧前额叶rTMS后MI/Cr比值较刺激前有所下降(P=0.036),而假刺激组无明显变化。结论:1左侧DLPFC多序列rTMS能够影响健康青年人的认知控制能力。从行为学角度讲,rTMS明显降低了匹配刺激和不匹配刺激的反应时。从神经电生理的角度讲,在T2时间点(磁刺激或假刺激7天后),rTMS明显增大了额中央区N2和N450的平均波幅,而后者仅局限于不匹配刺激条件。N2和N450平均波幅与反应时成负相关,且后者的相关性仅局限于不匹配条件。提示左侧DLPFC高频rTMS不仅能够自前额叶募集更多的认知资源,同时也能够增加认知资源的利用效率来解决认知冲突。2 rTMS能够从行为学角度改善健康青年人的反应抑制功能,降低误报率。从神经电生理的角度,多序列高频rTMS明显升高No Go-N2的波幅,提示No Go-N2的增大可能与DLPFC-ACC神经环路兴奋性增加有关。该结果与高频rTMS的兴奋特性相一致。3多序列高频rTMS降低了左侧DLPFC的MI/Cr比值,而对双侧DLPFC的NAA/Cr、Cho/Cr比值无影响。推测rTMS降低左侧DLPFC的MI/Cr比值,可能是rTMS正性作用的物质基础之一。