典型发育儿童体感皮层网络的时空动态

研究背景

触觉在我们与外界物体的交互以及手部动作的精细控制中扮演着至关重要的角色。尽管已有大量关于人类皮肤感受信息处理机制的研究，但大脑中参与此过程的脑区之间如何动态交互仍不甚明了。已有的研究在探讨皮肤感受信息流的时间动态时报告了不一致的结果。因此，本研究旨在通过磁源成像和皮层—皮层耦合动态分析探讨典型发育儿童皮肤感受加工的时空动态。

论文来源

本论文由Yanlong Song、Sadra Shahdadian等多位作者共同撰写，作者们分别隶属于Fort Worth的Neuroscience Research Center, Jane and John Justin Institute for Mind Health, Cook Children’s Health Care System，University of Texas at Arlington的Department of Bioengineering，以及University of Texas Southwestern Medical Center的Departments of Physical Medicine and Rehabilitation和Radiology等。该论文于2024年6月4日在《Cerebral Cortex》发表。

研究流程

参与者与分组

研究共包括35名典型发育儿童（TD儿童），无已知神经系统损伤或疾病，且认知功能正常。参与者在进行任何数据收集前签署了知情同意书。研究排除了5名未完成脑磁图（MEG）记录或因数据存在伪迹的参与者，最终共有29名儿童的数据被用于分析。

磁共振成像(MRI)获取

所有参与者进行了T1加权结构性MRI扫描，采用Siemens Skyra 3T MR Scanner和10通道头线圈。

MEG数据获取

参与者坐在1层磁屏蔽室内，使用Neuromag® Triux 306-sensor系统记录MEG信号。记录过程中，研究人员进行了头位移指示器（HPI）线圈位置、头标志和额外头皮点等的数字化，以便进行MEG传感器位置与参与者结构MRI的核心位置配准。每个手指的中指分别接收400次压缩空气刺激，以20Hz的采样率记录数据。

数据处理与分析

初步MEG数据使用Temporal Extension of Signal-Space Separation经过滤，以减少环境噪声并补偿头部运动。之后，对原始数据进行了预处理，并通过Independent Component Analysis（ICA）去除了心跳和眨眼伪迹。每个皮肤感受诱发场（SEFs）的原始数据被切分为事件锁定的700ms的试运行。使用动态统计参数映射（dSPM）方法，根据参与者结构脑MRI生成个体标准表面，并将MEG信号与标准表面共注册。

皮层时空激活分析

对重建的源SEFs进行个体和组水平的分析。采用MATLAB函数envelop确定每个皮质顶点的源SEFs的上、下包络，并使用findpeaks检测个体源SEFs的峰值和谷值。在组水平上，使用成对抽样置换t检验和部分结合分析进行统计分析。

Granger因果关系分析

选择了一些常见的显著激活皮层区域作为Granger因果关系分析的兴趣区。对这些区域进行源波形估计，用于Granger因果关系分析。

研究结果

皮质激活与源位置

在个体层面，源局部化数据展示了触觉刺激后60毫秒内主要在对侧初级体感区（BA3）激活的一致性。这一发现与先前研究结果相一致，显示对侧皮层激活在典型发育儿童中的稳定性。然而，在后续SEFs峰值/谷值的数量、潜伏期和位置上存在显著个体差异。

在组水平上，从左、右中指刺激后的0到400毫秒时间窗内，显著并一致的皮层激活位于对侧初级（S1）和次级体感区域（S2）。此外，还观察到对侧初级运动皮层（M1）、顶叶-颞叶-枕叶交界（PTO）和辅助运动区（SMA）在触觉刺激后的显著激活。然而，双侧初级体感区（IS1）的激活较弱且不一致，仅在少数参与者中观察到显著结果。

发育变化

在发育变化方面，参与者年龄与个体源SEFs第一峰值激活幅度呈显著正相关，暗示5至18岁的儿童期，初级体感区的发育尚未完全成熟。在第二和第三峰值潜伏期与年龄之间的关系未发现显著相关。然而，在最大激活幅度上，第三峰值仅在右手刺激中显示出与年龄的显著正相关，这与体感信息处理的进一步成熟有关。

GS 基因分析验证了早期串行体感处理模型

GS分析结果表明，在气动刺激起始后0至60毫秒，主要信息流从对侧初级体感区（CS1）依次传递到对侧顶叶缘区（CSG）、对侧初级运动区（CM1）和对侧次级体感区（CS2）。这些结果支持早期串行体感加工模型。这一模型认为丘脑体感输入首先到达CS1，然后转发到CS2。对比不同GC方法的计算结果，这些结果与以往基于人类和非人灵长类动物的脑内记录研究（例如，Allison等，1991）的发现一致。

研究结论

本研究通过MEG揭示了典型发育儿童单侧气动刺激诱发的时空皮质激活。在对侧皮质主要体感区S1、次级体感区S2、初级运动皮层M1和顶叶缘区SG中观察到显著和一致的激活。Ipsilateral皮层激活相对较弱且不一致。GC分析揭示了初始的串行信息流动，随后在一致激活的对侧皮质区域之间出现动态的平行信息流。这些发现为未来针对体感障碍的儿童患者设计脑刺激研究和应用提供了参考。

本研究不仅为理解典型发育儿童的体感信息处理机制提供了宝贵的见解，也为解释在早期体感加工过程中对侧皮层的关键作用提供了新的证据。未来的研究可以进一步探讨这一机制在临床应用中的潜力。