本文研究了视觉相关状态依赖性对经颅磁刺激（TMS）诱发的动机性光幻视呈现的影响。
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本文内容
摘要
摘要
经颅磁刺激（TMS）是一种非侵入性的神经刺激和神经调节技术，可通过施加局部磁场脉冲，暂时或持久地调节皮层兴奋性（增强或减弱）。1,2 在TMS领域中，“状态依赖性”（state dependency）一词指的是被刺激特定脑区的初始基线状态。由此可见，TMS的效果会因靶向皮层区域的这种基本易感性和反应性而有所不同。3,4,5
在本实验中，我们将通过诱发运动性光幻视及其主观体验，来探讨状态依赖性的概念。光幻视是指当视觉皮层受到电磁脉冲刺激时，个体在视觉上感知到的小光点闪烁现象。这些小光点的具体特征会因所刺激的视觉皮层类型不同而有所差异。在本项研究中，我们将重点针对通过刺激V1/V2以及V5/MT+复合视觉区域所诱发的运动性光幻视进行研究。6
方案
1）准备
- 首先，让受试者坐在计算机屏幕前的一把舒适椅子上。
- 使用卷尺确保屏幕与受试者鼻根之间的距离为 60 cm。
- 最后，将一个遮光眼罩覆盖在受试者的眼睛上。
2) 确定 V1/V2 区域的光幻视阈值
- 在本方案后续探索光幻视行为时，了解受试者的光幻视阈值至关重要。为确定该阈值，首先将经颅磁刺激（TMS）设备设置为70%输出强度。
- 持线圈时，确保“8”字形线圈的顶部朝向颅骨中线。
- 在枕外隆凸上方约3 cm处开始进行单脉冲刺激。
- 每次脉冲后，询问受试者是否出现任何光幻视体验。
- 在线圈所在区域（V1/V2区）周围的小范围内移动线圈，进行精细定位搜索。
- 确定一个刺激位置，使得受试者能持续且明确地报告光幻视现象。据理论推测，约40%的人群无法通过TMS诱导出光幻视，因此存在受试者无任何报告的可能性。若出现此情况，则本实验无法继续进行，应允许受试者离开。
- 一旦定位到光幻视的“热点”区域，上下调节TMS输出强度，直至受试者在连续6次脉冲中恰好有3次报告出现光幻视。此输出强度即为该受试者的V1/V2区阈值。如有条件，可使用神经导航系统以提高定位和靶向V1/V2热点的空间精确度。
3) 确定V5/MT+复合体上的光幻视阈值
- 采用上述相同的步骤和参数，现在我们将确定V5/MT+复合区的光幻视阈值。为定位该区域，从受试者枕外隆突向背侧3 cm、外侧5 cm处开始。
- 每次脉冲刺激后，询问受试者是否出现任何光幻视体验。
- 同样使用单脉冲刺激，逐步进行小范围的网格搜索，直至诱发明确且一致的光幻视。
- 最后，上下调节经颅磁刺激（TMS）的输出强度，直至受试者在连续6次脉冲中恰好有3次报告出现光幻视。此输出强度即为该受试者V5/MT+复合区的阈值。同样，若有条件，可使用神经导航系统以提高定位V5/MT+热点区域时的空间精确度。
4) 确定基线光幻视行为
- 确定两个视觉区域的光幻视阈值后，需测量基线光幻视行为。首先，取下受试者的遮光眼罩。
- 接着，指导受试者注视计算机屏幕中央呈现的稳定注视十字，持续60秒。
- 重新戴上眼罩，并在V1/V2热点区域施加一次持续3秒的单脉冲序列，刺激强度为V1/V2阈值的120%。
- 等待5秒后，进行第二次脉冲序列刺激。
- 再次等待5秒后，进行第三次脉冲序列刺激。
- 在第三次单脉冲序列刺激结束后，要求受试者描述所诱发光幻视的位置及动态特征。此即为基线数据。
- 在V5/MT+热点区域重复相同操作流程（注意将经颅磁刺激强度重设为V5/MT+阈值的120%）。
5）条件一
- 确定光幻视基线后，再次移除受试者的遮光眼罩。
- 指导受试者注视计算机屏幕中央呈现的稳定注视十字，持续60秒。此次与空白屏幕不同，我们将在十字周围多个位置嵌入一系列移动的光点。
图1. 条件一的适应性刺激：简单的平移运动。所有光点一致向左或向右移动。
确保所有光点沿同一方向移动。该刺激旨在诱导视觉适应：即由于长时间暴露于某一刺激，神经兴奋性发生改变，从而对后续呈现的刺激感知产生偏倚的现象。 - 60秒后，重新戴上眼罩，并在V1/V2热点区域以120% V1/V2阈值施加一次持续3秒的单脉冲序列。
- 等待5秒后，重复该操作两次。
- 完成三次脉冲序列后，要求受试者报告所诱发光幻视的位置及运动特征。如有条件，可在暗室中使用眼动追踪系统，以更精确地定量监测受试者在光幻视诱发期间的眼动情况。
- 持续重复此“三序列-报告”流程，直至光幻视行为恢复至基线水平。
- 对V5/MT+复合体热点区域重复上述实验步骤。
6）条件二
- 在第二种条件下，重复使用第一种条件所采用的相同步骤。但此次，不再向受试者呈现一系列朝单一方向移动的点，而是向受试者呈现一系列从中心点向外沿各自相对的正方向移动的点——类似于“星爆”模式。
图2. 第二种条件的刺激调整：径向运动。点阵从中心点向各个正方向移动，或朝向中心点，或远离中心点。 - 同前，60秒后更换掩模，对V1/V2区域施加连续三次、强度为阈值120%的刺激序列，要求受试者报告感知结果，并持续操作直至恢复基线水平。
- 对V5/MT+区域重复上述步骤。
7）示意图
- 可选步骤：在每种条件结束后（或所有条件全部完成后），要求受试者将每组光幻视的区域及其诱发行为绘制在图表上。此步骤并非必需，但可为您提供另一组可解读的数据。
8) 代表性结果
视觉适应单向运动刺激应在V1/V2区引发相同的光幻视运动。
图3. 在条件一期间，从右侧和左侧半球的V1/V2区诱发的光幻视示例（基于受试者的绘图）。
V5/MT+复合区的光幻视也应受到影响，使得此时的光幻视表现为适应刺激中的运动方向与基线光幻视的叠加结果。
然而，视觉适应星爆图案应会从 V5/MT+ 复合体引发出完全相同的星爆状光幻视运动，但不应改变 V1/V2 的基线水平。
图 4. 在条件二期间，从右侧和左侧半球的 V5/MT+ 复合体诱发的光幻视示例（基于受试者绘制的图示）。
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讨论
该实验触及状态依赖性的核心问题。V1/V2 区域的神经元被认为与简单的定向运动相对应7,8。因此，对单向运动刺激的适应会增强记录该运动的神经元的兴奋性——这意味着它们应对 TMS 脉冲的反应应最快。V5/MT+ 复合区也包含对简单平移运动敏感的神经元，因此从该区域诱发的光幻视也应受到适应刺激的影响。然而，V5/MT+ 复合区还被认为包含专门响应径向运动的独特神经元9,10。正因如此，星爆样模式应改变 V5 的状态，但不影响 V1/V2。通过适应简单的平移运动或复杂的径向运动，我们可以有效控制 V5/MT+ 复合区中哪一群神经元对 TMS 脉冲反应最快。
已知特定的神经元群体相较于周围神经元群体可被预先激活，从而对经颅磁刺激（TMS）表现出更强的反应性，这一发现为认知神经科学和治疗干预领域带来了巨大前景。利用状态依赖效应，或许可以提出一种观点，即在实施治疗性TMS刺激前，应先给予物理治疗、心理治疗或其他行为“预激活”疗法。
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披露
未声明任何利益冲突。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 遮光眼罩 | |||
| 耳塞 | |||
| 泳帽 | |||
| 标记物 | |||
| 卷尺 | |||
| 空白坐标纸 | |||
| 刺激开发 & 使用 Adobe Photoshop 在计算机上展示 | |||
| 任何具备单脉冲功能的经颅磁刺激设备 | |||
| 任意八字形线圈 |
参考文献
- Pascual-Leone, A., Davey, M., Wassermann, E. M., Rothwell, J., Puri, B. Handbook of Transcranial Magnetic Stimulation. , Edward Arnold. London. (2002).
- Walsh, V., Pascual-Leone, A. Transcranial Magnetic Stimulation: A Neurochronometrics of Mind. , MIT Press. Cambridge. (2005).
- Silvanto, J., Muggleton, N. G., Cowey, A., Walsh, V. Neural adaptation reveals state-dependent effects of transcranial magnetic stimulation. European Journal of Neuroscience. 25, 1874-1881 (2007).
- Silvanto, J., Pascual-Leone, A. State-Dependency of Transcranial Magnetic Stimulation. Brain Topography. 21, 1-10 (2008).
- Silvanto, J., Cattaneo, Z., Battelli, L., Pascual-Leone, A. Baseline cortical excitablility determines whether TMS disrupts or facilitates behavior. Journal of Neurophysiology. 99, 2725-2730 (2008).
- Silvanto, J., Muggleton, N. G. Testing the validity of the TMS state-dependency approach: targeting functionally distinct motion-selective neural populations. Neuroimage. 40, 1841-1848 (2008).
- Tootell, R. B., Rappas, J. B., Kwong, K. K., Malach, R., Born, R. T., Brady, T. J., Rosen, B. R., Belliveau, J. W. Functional analysis of human MT and related visual cortical areas using magnetic resonance imaging. Journal of Neuroscience. 15, 3215-3230 (1995).
- Singh, K. D., Smith, A. T., Greenlee, M. W. Spatiotemporal frequency and direction sensitivities of human visual areas measured using fMRI. Neuroimage. 12, 550-564 (2000).
- Rutchmann, R. M., Schrauf, M., Greenlee, M. W. Brain activation during dichoptic presentation of optic flow stimuli. Exp Brain Res. 134, 533-537 (2000).
- Morrone, M. C., Tosetti, M., Montanaro, D., Fiorentini, A., Cioni, G., Burr, D. C. A cortical area that responds specifically to optic flow revealed by fMRI. Nat. Neuroscience. 3, 1322-1328 (2000).
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