Existing non-invasive stimulation protocols can generate plasticity in the motor cortex and its corticospinal projections; techniques for inducing plasticity in subcortical circuits and alternative descending pathways such as the reticulospinal tract (RST) are less well developed. One possible approach developed by this laboratory pairs electrical muscle stimulation with auditory clicks, using a wearable device to deliver stimuli during normal daily activities. In this study, we applied a variety of electrophysiological assessments to male and female healthy human volunteers during a morning and evening laboratory visit. In the intervening time (~6 h), subjects wore the stimulation device, receiving three different protocols, in which clicks and stimulation of the biceps muscle were paired at either low or high rate, or delivered at random. Paired stimulation: (1) increased the extent of reaction time shortening by a loud sound (the StartReact effect); (2) decreased the suppression of responses to transcranial magnetic brain stimulation (TMS) following a loud sound; (3) enhanced muscle responses elicited by a TMS coil oriented to induce anterior-posterior (AP) current, but not posterior-anterior (PA) current, in the brain. These measurements have all been suggested to be sensitive to subcortical, possibly reticulospinal, activity. Changes were similar for either of the two paired stimulus rates tested, but absent after unpaired (control) stimulation. Taken together, these results suggest that pairing clicks and muscle stimulation for long periods does indeed induce plasticity in subcortical systems such as the RST.

SIGNIFICANCE STATEMENT Subcortical systems such as the reticulospinal tract (RST) are important motor pathways, which can make a significant contribution to functional recovery after cortical damage such as stroke. Here, we measure changes produced after a novel non-invasive stimulation protocol, which uses a wearable device to stimulate for extended periods. We observed changes in electrophysiological measurements consistent with the induction of subcortical plasticity. This protocol may prove an important tool for enhancing motor rehabilitation, in situations where insufficient cortical tissue survives to be a plausible substrate for recovery of function.

现有的非侵入性刺激方案可以在运动皮层及其皮质脊髓投射中产生可塑性；在皮质下回路和替代下行通路（如网状脊髓束 (RST)）中诱导可塑性的技术还不太发达。该实验室开发的一种可能方法将电肌肉刺激与听觉咔嗒声配对，使用可穿戴设备在正常的日常活动中提供刺激。在这项研究中，我们在早上和晚上的实验室访问期间对男性和女性健康人类志愿者应用了各种电生理学评估。在干预时间（约 6 小时）内，受试者佩戴刺激装置，接受三种不同的方案，其中二头肌的点击和刺激以低速或高速配对，或随机传递。成对刺激：(1) 增加了响亮的声音缩短反应时间的程度（StartReact 效应）；(2) 减少大声响后对经颅脑磁刺激 (TMS) 反应的抑制；(3) 增强的肌肉反应由 TMS 线圈引起，该线圈定向为在大脑中诱导前后 (AP) 电流，而不是后前 (PA) 电流。这些测量都被认为对皮层下（可能是网状脊髓）活动敏感。测试的两个配对刺激率中的任何一个的变化都相似，但在未配对（控制）刺激后不存在。综上所述，这些结果表明配对的咔嗒声和长时间的肌肉刺激确实会诱导 RST 等皮层下系统的可塑性。(1) 增加了通过响亮的声音缩短反应时间的程度（StartReact 效果）；(2) 减少大声响后对经颅脑磁刺激 (TMS) 反应的抑制；(3) 增强的肌肉反应由 TMS 线圈引起，该线圈定向为在大脑中诱导前后 (AP) 电流，而不是后前 (PA) 电流。这些测量都被认为对皮层下（可能是网状脊髓）活动敏感。测试的两个配对刺激率中的任何一个的变化都相似，但在未配对（控制）刺激后不存在。综上所述，这些结果表明配对的咔嗒声和长时间的肌肉刺激确实会诱导 RST 等皮层下系统的可塑性。(1) 增加了通过响亮的声音缩短反应时间的程度（StartReact 效果）；(2) 减少大声响后对经颅脑磁刺激 (TMS) 反应的抑制；(3) 增强的肌肉反应由 TMS 线圈引起，该线圈定向为在大脑中诱导前后 (AP) 电流，而不是后前 (PA) 电流。这些测量都被认为对皮层下（可能是网状脊髓）活动敏感。测试的两个配对刺激率中的任何一个的变化都相似，但在未配对（控制）刺激后不存在。综上所述，这些结果表明配对的咔嗒声和长时间的肌肉刺激确实会诱导 RST 等皮层下系统的可塑性。(2) 减少大声响后对经颅脑磁刺激 (TMS) 反应的抑制；(3) 增强的肌肉反应由 TMS 线圈引起，该线圈定向为在大脑中诱导前后 (AP) 电流，而不是后前 (PA) 电流。这些测量都被认为对皮层下（可能是网状脊髓）活动敏感。测试的两个配对刺激率中的任何一个的变化都相似，但在未配对（控制）刺激后不存在。综上所述，这些结果表明配对的咔嗒声和长时间的肌肉刺激确实会诱导 RST 等皮层下系统的可塑性。(2) 减少大声响后对经颅脑磁刺激 (TMS) 反应的抑制；(3) 增强的肌肉反应由 TMS 线圈引起，该线圈定向为在大脑中诱导前后 (AP) 电流，而不是后前 (PA) 电流。这些测量都被认为对皮层下（可能是网状脊髓）活动敏感。测试的两个配对刺激率中的任何一个的变化都相似，但在未配对（控制）刺激后不存在。综上所述，这些结果表明配对的咔嗒声和长时间的肌肉刺激确实会诱导 RST 等皮层下系统的可塑性。但不是大脑中的后前 (PA) 电流。这些测量都被认为对皮层下（可能是网状脊髓）活动敏感。测试的两个配对刺激率中的任何一个的变化都相似，但在未配对（控制）刺激后不存在。综上所述，这些结果表明配对的咔嗒声和长时间的肌肉刺激确实会诱导 RST 等皮层下系统的可塑性。但不是大脑中的后前 (PA) 电流。这些测量都被认为对皮层下（可能是网状脊髓）活动敏感。测试的两个配对刺激率中的任何一个的变化都相似，但在未配对（控制）刺激后不存在。综上所述，这些结果表明配对的咔嗒声和长时间的肌肉刺激确实会诱导 RST 等皮层下系统的可塑性。

意义声明皮质下系统，如网状脊髓束 (RST) 是重要的运动通路，可对中风等皮质损伤后的功能恢复做出重大贡献。在这里，我们测量了一种新型非侵入性刺激方案后产生的变化，该方案使用可穿戴设备进行长时间刺激。我们观察到与皮质下可塑性的诱导一致的电生理测量变化。在皮层组织存活不足成为功能恢复的合理基质的情况下，该协议可能被证明是增强运动康复的重要工具。