与“Yank”现象相关的人体皮质脊髓募集增强的变化

《Brain Research》：Yank-related changes in corticospinal recruitment gain in humans

肌肉力量生成中皮质脊髓募集增益与yank的关系研究。通过经颅磁刺激记录20名健康受试者的动态握力任务中肌肉电信号，发现yank显著增强运动诱发电位（MET）幅度，尤其在低用力水平（<50% MVC）时效果最明显，且该增强效应随用力水平升高呈指数衰减，归因于运动单位募集能力的有限性。该现象表明动态任务更有效评估最大肌肉输出能力。

　　

阿卜杜勒凯里姆·达伦德利（Abdulkerim Darendeli）| 马修·雅罗西（Mathew Yarossi）| 斯宾塞·莱克·雅各布斯-斯科利克（Spencer Lake Jakobs-Skolik）| 纳撒尼尔·平克斯（Nathaniel Pinkes）| 瓦伊什纳维·夏尔玛（Vaishnavi Sharma）| 埃里卡·凯默林（Erica Kemmerling）| 尤金·图尼克（Eugene Tunik）| 奥斯卡·索托（Oscar Soto）

美国马萨诸塞州波士顿东北大学（Northeastern University）物理治疗、运动与康复科学系（Department of Physical Therapy, Movement and Rehabilitation Science）

摘要

肌肉力量的产生是运动的关键组成部分。力量是通过增加运动单位（motor units, MU）的数量和放电频率来产生的，但关于皮质脊髓（corticospinal, CS）在力量大小和放电频率范围内的募集增益（yank）的信息有限。为了评估力量大小和放电频率对运动输出的影响，我们在20名健康受试者进行近等长手抓握任务时，记录了他们在经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS）下的力量（运动诱发的抽搐，METs）和肌电图（motor evoked potentials, MEPs）。在自愿力量大小和放电频率不同的情况下，对运动皮层进行了TMS刺激。放电频率显著促进了METs的产生，在最低的自愿力量水平下效果最为明显，但当力量超过最大自愿收缩（MVC）的50%时，这种促进作用趋于饱和。在每个力量水平上，自愿力量的放电频率与MET幅度之间存在线性关系。这种关系的斜率代表了CS募集增益，随着力量大小的增加而呈指数衰减。与力量大小和放电频率相关的CS募集增益变化，用METs来解释比用MEPs来解释更为合适。正的放电频率在0%的力量下会导致比静态收缩时更大的估计最大MET值。这些结果表明，METs能够捕捉到与放电频率相关的CS募集增益的显著增加，而在高力量水平下，由于运动单位可用性的限制，这种增加作用被减弱了。我们发现，在需要高放电频率来产生力量的任务中，可以最准确地估计最大运动输出。

引言

肌肉力量的产生和分级可以说是哺乳动物运动系统的主要功能。力量的一阶导数，也称为力量发展率或“放电频率”（yank）（Lin等人，2019年），描述了通过两种运动单位激活机制实现的肌肉力量随时间的变化（动态力量）：增加放电的运动单位数量（群体编码或募集）和增加它们的放电频率（速率编码）（Adrian和Bronk，1929年）。虽然肌肉力量是通过超过阈值的运动单位的放电模式来编码的（Baldissera和Campadelli，1977年），但现有的关于上升收缩期间运动单位激活的数据表明，它们的放电频率与输出力量之间没有线性关系，并且募集与速率编码的相对重要性在力量范围内是不同的（Milner-Brown等人，1973b；Tanji和Kato，1973年；Büdingen和Freund，1976年；Enoka和Duchateau，2017年）。实际上，募集和放电频率的调节都代表了部分运动单位的输出响应，运动指令同时对运动神经元池产生广泛的亚阈值突触效应。这些亚阈值突触效应有助于运动单位在额外兴奋性输入下的激活（即增加运动单位的募集增益）（Kernell和Hultborn，1990年）。据认为，运动单位募集增益的调节是自愿控制的基本特性（Nielsen等人，2019年）。尽管对运动单位活动的研究提供了由多种兴奋性输入引起的净运动单位激活的详细图谱，但它们没有研究在整个皮质脊髓（CS）轴上力量产生过程中发生的增益变化。

在运动执行过程中，经颅磁刺激（TMS）引起的运动诱发电位（MEP）或抽搐（MET）的增强反映了参与任务的神经元的募集增益增加，这在这里被称为CS募集增益（Devanne等人，1997年；Sekiguchi等人，2003年）。展示CS募集增益增加的实验范式通常使用静态收缩，在这种收缩过程中保持恒定的亚最大力量（Mazzocchio等人，1994年；Kiers等人，1995年；Devanne等人，1997年；Di Lazzaro等人，1998年；Todd等人，2003年）。然而，当需要改变运动参数时，CS对自愿运动的贡献最大，而不是在静态任务中（Shalit等人，2012年；Zinger等人，2013年）。因此，在静态收缩期间进行测试可能更有利于阐明解剖学连接性，而不是与力量变化相关的CS募集增益的变化。事实上，有限的数据表明，在动态任务中获得的METs与获得它们的自愿力量大小关系不大（Latash等人，2003年），根据收缩类型的不同而有所差异（Sekiguchi等人，2003年），并且METs显著大于在静态任务中获得的METs（Cros等人，2007年），并且放电频率在输出中得到了选择性复制（Soto和Cros，2011年）。

在这里，我们系统地研究了自愿力量大小和放电频率对TMS作用下手抓握任务运动输出的影响，旨在描述人类的输入-输出关系。这种关系描述了与力量产生相关的皮质和脊髓兴奋变化（CS募集增益），并取决于可用于募集的运动单位数量。我们发现，自愿力量大小、放电频率及其相互作用解释了输出中的大部分变异。值得注意的是，在低力量大小时，MET幅度与放电频率呈正相关。然而，随着力量大小的增加，放电频率的影响减弱。我们通过建模实验数据来探讨这种相互作用。

伦理批准

所有协议均获得了塔夫茨医学中心（Tufts Medical Center）机构审查委员会的批准（研究编号STUDY 13277），所有研究均遵循赫尔辛基宣言（Declarations of Helsinki）确立的标准进行。共有20名参与者（平均年龄25.8岁，10.2岁，11名男性和9名女性）在提供书面知情同意后参与了这项研究。所有受试者均自报为右利手，且没有可能干扰实验的神经系统或骨科疾病。

自愿力量的类型和大小对MET幅度有显著影响

与先前的观察结果一致（Cros等人，2007年），我们的数据证实，与静态收缩相比，动态收缩对METs有显著的促进作用（p < 0.0001）（图3，图4），并且在两种类型的主动收缩期间对METs的促进作用也显著（图4）。对于静态和动态条件，MET幅度随着TMS施加时的自愿力量大小而变化（图5）。

讨论

本研究的主要发现是MET的大小依赖于放电频率，且这种关系受到自愿力量水平的调节。由于运动单位可用性的限制，这种依赖于放电频率的输出调节作用是有限的。在放电频率较高的收缩过程中，可以最准确地估计运动系统的最大力量输出，而与放电频率相关的MET促进作用和弹道收缩的神经基础是相似的。

资金来源

该项目得到了CTSI-UL1TR002544（OS,EK）、NSF-CBET-1804550（ET）和NIH-NINDS-R21NS130936（ET,OS）的支持。

数据可用性

数据将在合理请求时提供。

未引用的参考文献

Babault等人，1985年；Klass和Baudry，1985年；Todd和Taylor，1985年。

作者贡献声明

阿卜杜勒凯里姆·达伦德利（Abdulkerim Darendeli）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、软件使用、方法学设计、数据分析、数据管理。马修·雅罗西（Mathew Yarossi）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、方法学设计、调查、数据分析、概念构建。斯宾塞·莱克·雅各布斯-斯科利克（Spencer Lake Jakobs-Skolik）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。