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Behavior

使用基于fMRI的靶向方法对抑郁症进行个体化的rTMS治疗

Published: August 2, 2021 doi: 10.3791/62687
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1
1Affiliated Brain Hospital of Guangzhou Medical University

Summary

本方案描述了重复经颅磁刺激（rTMS）的应用，其中背外侧前额叶皮层（DLPFC）的一个子区域与亚属前扣带皮层（sgACC）具有最强的功能反相关，位于基于fMRI的神经导航系统的辅助下作为刺激靶标。

Abstract

为了获得更大的临床疗效，重度抑郁症（MDD）的治疗革命备受期待。重复性经颅磁刺激（rTMS）是一种非侵入性和安全的神经调节技术，可立即改变大脑活动。尽管在MDD的治疗中应用广泛，但治疗反应在个体之间仍然不同，这可能是由于刺激靶点的定位不准确。我们的研究旨在研究功能性磁共振成像（fMRI）辅助定位是否能提高rTMS治疗抑郁症的疗效。我们打算鉴定和刺激MDD中背外侧前额叶皮层（DLPFC）的分区域，该分区域与亚属前扣带皮层（sgACC）具有最强的抗相关性，并对这种新方法和传统的5-cm规则进行比较研究。为了实现更精确的刺激，在神经导航系统的指导下应用了这两种方法。我们预计，基于静息状态功能连接的个体化定位TMS治疗可能比5-cm方法显示出更好的临床疗效。

Introduction

重性抑郁障碍（MDD）的特征是显着和持续的抑郁症，在更严重的情况下，患者可能会遇到幻觉和/或妄想1，2。与一般人群相比，MDD患者的自杀风险高出约20倍3。虽然药物是目前最常用的MDD治疗方法，但30%-50%的患者缺乏对抗抑郁药的充分反应4。对于应答者来说，症状改善往往在相对较长的潜伏期后出现，并伴有副作用。心理治疗虽然对某些患者有效，但成本高昂且耗时。因此，迫切需要更安全、更有效的MDD治疗。

重复经颅磁刺激（rTMS）是一种非侵入性和安全的技术，已被批准用于治疗各种精神障碍5，6，7。尽管其治疗机制尚不清楚，但据推测，rTMS通过调节受刺激大脑区域的活动和神经可塑性8，9，10起作用，从而使特定的功能网络10，11，12正常化。rTMS还引起网络效应，其通过连接途径唤起远程大脑区域的变化，导致放大的治疗效果13。虽然rTMS可以立即而有力地改变大脑活动，但其在MDD治疗中的反应率仅为18%左右14。主要原因可能是刺激目标15的位置不准确。

亚属前扣带皮层（sgACC）主要负责情绪处理，并在调节对压力事件的反应，对内部和外部刺激的情绪反应以及情绪表达中发挥作用16，17，18。ACC的这个次区域与大脑皮层和边缘系统共享大量的结构和功能连接19，20。有趣的是，研究表明，该区域的刺激后活动与TMS的临床疗效密切相关。例如，在针对右背外侧前额叶皮层（DLPFC）的TMS疗程后，sgACC的血流量减少，这与缓解抑郁症状有关21。Vink等人发现靶 向DLPFC的刺激被传播到sgACC，并提出sgACC活性可以是TMS治疗反应的生物标志物。根据之前的研究，Fox及其同事22提出，靶向DLPFC的一个次区域，该次区域与sgACC（MNI坐标：6，16，-10）显示出最强的功能抗连通性，可以增强抗抑郁作用。在这里，我们展示了一个旨在检验这一假设的研究方案。

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Protocol

告知所有参与者有关研究的信息，并要求他们在研究开始前签署知情同意书。本方案经广州医科大学附属脑医院研究伦理委员会批准。

注意：在这项双盲研究中，抑郁症患者被随机分为两组。在实验组中，刺激目标通过基于DLPFC-sgACC的个性化定位方法定位（详见3.3）。对照组的目标通过平均5-cm方法获得（即（-41，16，54））22。

1. 参与者的选择

  1. 招募经专业精神科医生确认的 MDD 诊断患者。
    注意：通过标准化的MINI国际神经精神访谈（M.I.N.I.）确认诊断23 .蒙哥马利-阿斯伯格抑郁评分量表（MADRS）24 的总分应不低于22。
  2. 排除符合排除标准的患者：（1）恶性肿瘤、急性心力衰竭、多器官衰竭等严重身体疾病，或包括但不限于癫痫、中风、脑炎、脑外伤等严重神经系统疾病;（2）其他精神疾病的合并症，或物质使用障碍史;（3）有金属植入物，特别是在大脑或心脏中;（4）怀孕或哺乳期的妇女;（五）近半年内有自杀行为或者企图自杀的;（6）双相抑郁或精神病性抑郁症的诊断。
    注意：每组至少招募36名受试者，以确保统计能力。建议在两组之间保持平衡的人口概况。

2. 磁共振成像（MRI）和TMS的制备

  1. 在执行TMS之前，通过3T MRI扫描仪获取fMRI图像。
    1. 在MRI扫描前再次确认患者没有禁忌症。指示患者在扫描过程中尽量静卧，什么都不想。
    2. 使用以下参数的 FFE-EPI 序列进行静息状态 fMRI （rs-fMRI） 扫描：TR/TE = 2000/30 ms，FA = 90°，视场 = 220 x 220 x 256 mm3，矩阵 = 64 x 64，体素大小 = 3.44 x 3.44 x 4 mm3，间隙 = 0.6 mm，信号平均值数 = 1，体积 = 240，切片数 = 33。
    3. 使用以下参数使用矢状 T1 加权 3D 涡轮磁场回波 （T1W 3D TFE） 序列进行结构 MRI 扫描：视场 = 256 x 256 mm2，TR/TE = 8.2/3.8 ms，视图矩阵 = 256 x 256，切片厚度 = 1 mm。
  2. 设置交易记录仪参数。
    注意：在我们的研究中，TMS的方案是间歇性θ爆发刺激（iTBS）。每日治疗包括 60 个周期的 10 次 3 个脉冲脉冲，在 2 秒的序列中以 100% RMT 的速度传送，间隔为 8 秒。整个治疗包括在连续两周的工作日进行10次治疗。

3. 治疗（图1）

  1. 在治疗前一天进行MRI扫描和对症状和认知表现的临床评估。
  2. 扫描后，将患者随机分配到两组之一。
  3. 对于实验组，确定与sgACC具有最强功能反连接的DLPFC子区域。对于对照组，只需使用平均5厘米的方法在标准空间中定位目标，然后将其转换为单独的空间坐标。
    1. 数据预处理
      1. 使用核磁共振成像分析软件预处理rs-fMRI数据：（a） 删除前10卷;（b） 删除前10卷;（c） 删除前10卷;（c） 删除前10卷;（c） 删除前10卷;（c） 删除前10卷;（c） 删除前10卷;（d）（b） 进行切片时间校正;（c） 纠正头部运动;（d） 将 EPI 图像与 T1 图像共同注册;（e） 进行分割;（f） 使用 T1 图像执行归一化;（g） 使用全宽半角 （FWHM） 的 6 mm 高斯核平滑归一化图像;（h） 带通滤波器（0.01 - 0.08赫兹）;和（i）执行滋扰回归（头部运动效应，线性趋势，白质，脑脊液和全局平均时间过程）。
    2. 超级工作组的功能连接
      1. 选择 SGACC （MNI 坐标： 6， 16， −10;福克斯等人。作为感兴趣区域 （ROI）25 ，半径为 10 mm。
      2. 根据哈佛-牛津皮质图谱（http://www.cma.mgh.harvard.edu/），使用0.25的灰质概率阈值去除ROI中的白质和脑脊液。
      3. 提取 ROI 的平均时间过程。
      4. 要生成 FC 映射，请以体素方式计算皮尔逊 ROI （sgACC） 和 DLPFC 之间的相关系数。使用费舍尔 r 到 z 变换对每个相关系数进行归一化。
        注意：DLPFC 掩模是沿左半球在 BA9（x=-36， y=39， z=43）、BA46 （x=-44， y=40， z=29）、5 cm 接近位点（x=-41， y=16， z=54） 和 F3 Beam 组平均刺激位点（x=-39， y=26， z=49）26 处的 20mm 半径球体的组合。
      5. 根据 FC 映射，确定 DLPFC 中与 sgACC 具有最大皮尔逊反相关系数的峰坐标。这是DLPFC的次区域，其负FC与sgACC最强，稍后将在实验组的TMS治疗中靶向。
  4. 确定每个受试者的静止运动阈值（RMT）并记录热点。
    1. 指示患者坐下来放松，然后在右手的耳廓上放置两个记录电极，在手腕的骨质部分放置一个参比电极。
    2. 用10次不同强度的连续刺激刺激运动热点;同时，记录肌肉收缩的时间。
    3. 确定最小TMS强度，在该强度下，≥50μV的电机诱发电位（MEP）至少记录5次。将其定义为患者的 RMT。
  5. 使用临床量表评估抑郁症的严重程度，如 临床数据收集中所述。
  6. 每天进行两次TMS治疗，持续10天。
    注意：对于未按计划接受治疗的受试者，请在治疗过程结束后根据需要进行额外的刺激。但是，任何连续四天错过治疗的受试者都应排除在外。
    1. 创建新的患者条目。
      1. 选择“ 创建新患者”选项。在文本框中输入患者的 ID 号或姓名。
    2. 将结构MRI图像叠加到导航系统上。
      1. 选择 导入患者 MRI，然后导入患者的结构图像并选择图像类型。
    3. 创建单个头部模型并定义刺激目标。
      1. 按按钮 指定 MRI 基准。
      2. 将十字准线放在MRI图像中的这些点上：（1）基准标记：鼻孔，左和右斜颈;（2）塔拉拉赫的AC-PC标记：前部，后部，半球间点;（3）塔拉拉赫标记：前点、后点、上点、下点、左点、右点。
        注意：“塔拉拉赫标记”标记大脑的边界。
      3. 按 创建头部模型。选择 手动脑段分割 并调整头皮、下脑和上脑的阈值。
      4. 单击“ 定义目标” 以继续。
      5. 选择“ 目标标记” 页。单击 ... 输入步骤 3.3 中确定的治疗目标的坐标，然后按 Go to。按 添加标记 为点命名。
        注：对照组的坐标为 （-41， 16， 54）。
    4. 线圈校准
      1. 单击 “继续导航”。在文本框中，选择要在治疗中使用的正确类型的工具。确保所有参考工具都在红外热像仪的视野中。
      2. 按 验证线圈。 将指针的尖端放在标记的线圈点上。当每个工具的指示灯变为绿色时，按 验证 （或遥控器上的绿色按钮）。
    5. 选择患者和目标。
      1. 在“ 选择患者”页面上选择患者 的姓名或 ID。单击下一页上 的“选择目标 ”。
      2. 选择 “读取目标标记 ”以浏览目标文件。导入文件并选择目标，如步骤 3.6.3.5 所示。
    6. 定义坐标系。
      1. 单击 定义坐标系。在患者身上戴上带有参考工具的头带。确保线圈跟踪器和参考工具位于导航系统的视野中。
      2. 将指针的尖端放在鼻孔上，两者依次放在背心上。每次当标记的指示器变为绿色时，按遥控器上的绿色按钮。
    7. 头部形状生成
      1. 在头顶上连续移动指针的尖端。按下遥控器上的按钮（或 “适合”）继续。
        注意：可以按 “暂停” 停止该过程，并在指针正确放置后再次按 “开始” 按钮继续。
    8. 神经导航和刺激
      1. 按 神经导航。在“ 有源线圈 ”页面上，将刺激强度设置为 100% RMT。选择 “在目标处刺激 ”以在线查看头部模型上的目标。
      2. 当线圈与目标十字准线匹配时，即当指示灯文本变为绿色时，刺激。
    9. 如果患者之前已经创建了条目，请直接从步骤3.6.4准备并开始治疗。
  7. 在整个疗程后的第1天，第28天和第56天进行随访评估。

4. 诊所数据收集（图1b）

  1. 使用 MADRS24、汉密尔顿抑郁评分量表 （HAMD）27、贝克抑郁量表 II （BDI-II）28、汉密尔顿焦虑量表 （HAMA）29、临床全球印象 （CGI）30 和 MATRICS 共识认知电池 （MCCB）31，32 进行临床评估。
    注意：迷你和马德里斯用于放映。以上所有量表均适用于治疗前和治疗后的临床评估。

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Representative Results

ROI方面的FC分析应该表明，sgACC与DLPFC具有显着的反相关性，其中最强的负相关是要选择的刺激目标。sgACC-DLPFC功能连接性与治疗反应之间的显著反相关性应在相关性分析33中找到。

目前的方案基于一种创新的TMS靶向方法，以前没有研究应用过。在这里，我们介绍一项应用传统5厘米方法的fMRI指导TMS试验的结果。该研究34 提出了一种新的治疗方案，斯坦福加速智能神经调节疗法（SAINT），这是一种高剂量的iTBS方案，具有fMRI引导的靶向性。23名MDD患者的反应率（MADRS评分比基线低50%）为90.48%。22名受试者中有19名（86.4%）符合意向治疗分析中的缓解标准34名。两名参与者因治疗不耐受和高运动阈值而退出。 表1 显示了TMS治疗后临床评估的评分。因此，我们推测，基于FC的TMS处理可以产生显着的有效性。

Figure 1
图 1.治疗图。 （a） 获得刺激靶点的过程和治疗。有关获取实验组的目标坐标的详细说明，请参见3.3。对照组的目标坐标定义为 （-41， 16， 54）。（b） 核磁共振扫描和临床评估的时间点。收集筛查，基线（即治疗前）以及治疗后第1天，第28天和第56天的临床数据。MRI扫描仅在基线上进行。
*评估患有麻省国际癌症登记处23 和马德里斯24号疾病的患者。
**使用步骤4中提到的所有量表评估患者。请点击此处查看此图的大图。

后圣徒 圣徒后一个月
量 意味 着 标清 N 响应（%） N 缓解率（%） N 意味 着 标清 N 响应（%） N 缓解率（%） N
马德斯 5 6.37 21 90.48 21 90.48 21 10.95 11.76 20 70 20 60 20
火腿-D，17 件 4.29 4.43 21 90.48 21 80.95 21 8.05 8.31 20 75 20 65 20
火腿-D，6 件 2.24 3.1 21 85.71 21 85.71 21 4.4 4.72 20 75 20 70 20
二代二苯醚 （N=18） 4.47 5.76 15 100 12 93.33 15 12.25 13.06 16 57.14 14 62.5 16
自杀意念
断续器[b] 0 0 18 100 14 100 18 0 0 19 100 14 100 19
哈姆-D，第3项 0.05 0.22 21 100 19 95.24 21 0.1 0.31 20 100 18 90 20
马德斯，第10项 0.1 0.44 21 95.24 21 95.24 21 0.35 0.75 20 90 20 80 20

表 1.斯坦福加速智能神经调节疗法（SAINT）治疗难治性抑郁症后和1个月后的临床评估评分[a] 34

[a] 治疗反应被定义为MADRS总评分降低≥50%;17 项 HAM-D 的缓解定义为 17 项 HAM-D < 的 8 分、6 项 HAM-D 的 < 5 分、MADRS 的 < 11 分、BDI-II < 13 分和 C-SSRS 的 0 分。
[b] 自杀意念子量表。

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Discussion

sgACC负责情绪处理，并在压力调节16，17，18中发挥重要作用。一项研究表明，靶向与sgACC（6，16，-10）表现出最强功能抗连通性的DLPFC次区域可以增强抗抑郁作用25。因此，精确定位此目标是该协议的关键步骤。在刺激之前，应在神经导航的帮助下准确标出大脑的边界，并仔细记录头部以确保头部模型的准确性。另外，请注意，5厘米规则通常会刺激额叶大脑的非常后部区域，而我们的sgACC-DLPFC靶向方案通常会导致非常前方的区域35，36。因此，靶向方法之间的临床疗效差异可能与定向有关。我们的方法应该通过与其他基于其他功能连接定义刺激目标的方法进行比较来仔细评估。

我们的协议有一些限制。首先，sgACC位于蝶窦附近，由于磁场37的不均匀性，这会导致严重的信号损失。此外，神经导航的准确性很大程度上取决于MRI图像的质量，这可能导致刺激靶点不准确。改善MRI的信噪比或更好地替代sgACC可能有助于解决这个问题。另一个限制是耗时的程序可能会影响患者对治疗的依从性，因为建立头部模型等准备工作需要很长时间，更不用说持续约两周的整个治疗过程。

尽管有这些限制，但这种方法有其优点。尽管5-cm规则已在临床环境中得到广泛应用，但它忽略了解剖学特征上的个体差异，这被认为是TMS38异质疗效的重要原因。神经导航系统通过参考结构MRI图像单独对头部进行建模，从而提高线圈定位的准确性。研究已经证明，神经导航TMS疗法比使用5厘米靶向方法的传统疗法更有效38，此外，操作者可以在系统39，40的指导下实时调整线圈。

传统的TMS治疗靶向是整个脱氧歧化物。在该协议中，选择了与sgACC具有最强负连接性的DLPFC次区域作为目标。Baeken等人.41 发现sgACC与自杀意念和绝望有关。治疗抵抗性抑郁症患者在sgACC和右外侧额颞叶皮层之间表现出更强的FC，这可能与患者42的难治状态有关。此外，在MDD患者43中发现sgACC和DLPFC之间的强连接性，并且sgACC与默认模式网络（DMN）之间的阴性FC与临床改善相关。因此，我们推测sgACC的连通性与TMS的治疗效果密切相关，刺激DLPFC的特定区域可能会随着sgACC改变其FC，这可以提高治疗的有效性25，44。

总之，本TMS协议在MRI辅助神经导航系统下运行，并针对DLPFC的次区域，该次区域显示出与sgACC最强的负功能连接。虽然以前的研究尚未应用这种靶向方法，但它可能有助于提高定位的准确性，并可能改善治疗反应。

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Disclosures

作者没有要报告的披露。

Acknowledgments

本研究由中国博士后科学基金资助项目（2019M652854）和中国广东省自然科学基金（批准号：2020A1515010077）资助。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3T Philips Achieva MRI scanner Philips
Harvard/Oxford cortical template http://www.cma.mgh.harva rd.edu/
MATLAB MathWorks
SPM12 http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm
The Visor2 system ANT Neuro The Visor2 software, the optical tracking system, tracking tools and calibration board are part of the visor2 system.
TMS device Magstim, Carmarthenshire, UK

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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行为， 问题 174，
使用基于fMRI的靶向方法对抑郁症进行个体化的rTMS治疗
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Luo, X., Hu, Y., Wang, R., Zhang,… More

Luo, X., Hu, Y., Wang, R., Zhang, M., Zhong, X., Zhang, B. Individualized rTMS Treatment for Depression using an fMRI-Based Targeting Method. J. Vis. Exp. (174), e62687, doi:10.3791/62687 (2021).

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