非侵入性电刺激脑技术用于调节人类运动神经元活动

摘要

来源：Curado, M. 等.，用于调节人类运动功能的非侵入性电脑刺激布局。J. Vis. Exp. (2016)

本视频演示了经颅直流电刺激（tDCS）用于调节人体运动功能的设置方法及作用机制。将阳极置于初级运动皮层，阴极置于对侧眶上区域，通过靶向电刺激增强皮层兴奋性，提高运动神经元活性，从而改善运动表现。

方案

所有涉及人类参与者的操作均按照机构、国家和国际的人类福利指南进行，并已通过当地机构审查委员会的审查。

1. 安全筛查

1. 筛查受试者是否存在非侵入性脑刺激的潜在禁忌证， 例如通过使用问卷。

2. 运动皮层定位

1. 通过以下两种不同方法之一定位受试者的手部运动皮层：利用经颅磁刺激（TMS）诱发的运动诱发电位（MEP）定位目标肌肉在大脑中的表征区域，或根据脑电图（EEG）国际10/20系统，使用测量尺确定标准初级运动皮层（M1）位置（C3/C4）。
2. 进行经颅磁刺激（TMS）诱发的运动诱发电位（MEP）记录时，要求受试者移除可能受TMS磁场影响的任何物品，包括信用卡、手机及一般金属物体。
3. 请受试者舒适地坐下。
4. 使用软件界面时，验证肌电图（EMG）放大器与用于信号配置和采集的计算机之间的连接。
5. 打开肌电图放大器并连接肌电图电极线。
6. 用皮肤准备膏轻轻擦拭受试者手部将要放置电极的区域，清洁皮肤。用干净的纱布垫擦去多余膏体。
7. 在目标手部肌肉上采用肌腹-肌腱排列法粘贴表面肌电图电极（例如，右手拇短展肌）并连接一个接地电极（例如（前臂）。本研究的目的是确定应使用哪块手部肌肉。
   注意对于可重复使用的电极，在将其贴附于受试者皮肤之前，需在电极表面涂抹少量导电膏。
8. （可选步骤）如果需要存储运动诱发电位（MEP）数据，请启动用于MEP采集的记录软件。
9. 检查肌电图（EMG）阻抗值，确保阻抗处于 < 20 kΩ
10. 打开磁刺激器，并通过按下相应的“充电”按钮为电容器充电。
11. 将8字形TMS线圈置于受试者头皮的半球间裂处，并移动至运动皮层区域（约位于EEG 10/20国际系统的C3/C4位置）。将TMS线圈保持与半球间裂呈45°–50°角，手柄朝后，以产生从后向前的皮层电流方向。
    注意使用两种不同的经颅磁刺激（TMS）线圈进行运动皮层定位：双锥形线圈或圆形线圈。如条件允许，建议使用双锥形线圈，因其可提供更聚焦的脑刺激，并提高皮层兴奋性测量的可靠性。
12. 当磁刺激器充电完成（可在显示屏上观察到）时，可通过按压触发按钮、踩下脚踏开关，或由软件程序自动放电。随后将通过放置在受试者头皮上的连接TMS线圈传递单个TMS脉冲。默认TMS脉冲设置（例如，单相刺激的感应电流上升时间为100 µs，衰减时间为800 µs；双相刺激的衰减时间较短）是该设备（固件）特有的。
13. 从低强度刺激开始（例如，使用刺激器上的刺激强度控制旋钮将输出强度设为45%，并在肌电放大器上观察可见的运动诱发电位（MEPs）。
    1. 若未见运动诱发电位（MEP），则以2-5%的增幅逐步提高刺激强度，直至清晰出现MEP（例如，0.5–1 mV 幅度）。若脉冲传递未自动化，可通过按压触发按钮或激活脚踏开关重复刺激。告知受试者刺激强度会稍强，并可能出现肢体运动、面部抽动和眨眼。
       注意在脉冲之间建立至少5秒的间隔，以避免低频刺激对脑兴奋性的影响。
14. 以初始刺激位点为中心，将线圈围绕其径向移动，每次移动1 cm，通过单脉冲经颅磁刺激寻找诱发最大运动诱发电位（MEP）反应的位点。在此基础上，重新调整线圈位置，确定“热点”（即产生最大MEP振幅的皮层区域）。
    注意：使用头帽（head cap）例如用于定位程序的网格标记不推荐使用，因为需要移除帽具以放置无创电刺激脑刺激（NEBS）电极，可能导致热点位置丢失。
15. 以大约2%的幅度逐步降低刺激器（stimulator）上刺激强度控制旋钮的刺激强度（运动诱发电位MEP仍需存在），以避免因超最大刺激导致的不准确性。通过在热点周围以1厘米的步长径向移动线圈并检查MEP的大小，重新确认热点位置。热点应仍对应最大且最稳定的MEP波幅。
    注意：如果难以找到热点区域，可要求受试者主动收缩目标肌肉（例如，即在高强度刺激下无运动诱发电位（MEP）出现）。通过此方法，诱发MEP所需的刺激强度降低，可能更易于识别相关皮质刺激位点。若采用此方法，在找到相关刺激位点后，要求受试者放松肌肉，并调整刺激强度，以确保在肌肉静息状态下可稳定记录到MEP。随后继续寻找热点。
16. 用非永久性皮肤标记笔标记热点位置和线圈方向。
17. 对于双侧M1刺激，对对侧肢体重复步骤2.11至2.16。

3. NEBS 电极制备

1. 将电缆连接至橡胶电极，并将电极放入海绵袋内。确保电极尺寸与海绵袋尺寸相匹配。材料有标准尺寸可供购买（e.g., 5x5 cm², 5x7 cm²）。
2. 用等渗氯化钠（NaCl）溶液浸湿两侧的海绵袋，但避免过度浸泡，以防形成盐桥或溶液滴落到受试者身上。
   1. 此步骤为可选：若使用绷带而非橡皮筋，为防止NaCl溶液泄漏，可将电极和海绵袋置于非导电的橡胶海绵罩内。
      注意： 或者，可在橡胶电极上涂抹导电膏，然后直接放置在受试者头部，i.e., 不使用海绵袋或橡胶海绵罩。

4. NEBS 电极放置（图 1）

1. 找到指示运动皮层热点的头部标记，并分开该区域周围的头发。
2. 为提高导电性，在放置电极前用浸有40-50%酒精或皮肤准备膏的棉签轻轻擦拭头部标记周围的皮肤。切勿刮伤皮肤！用棉签去除多余液体，再用等渗NaCl溶液清洁该区域，之后将其晾干。
   注意：确保头部标记仍清晰可见；必要时重新标记。
3. 根据目标M1区（与目标手对侧）的头部标记放置一个电极。尽可能使海绵与皮肤直接接触。将电极导线朝向受试者背部放置，以避免在刺激和/或任务执行过程中造成干扰，并便于连接NEBS设备。
   注意：电极下方的头发应变得湿润。若湿度过大，可用纸巾或手巾吸除多余液体。
   注意：对于阳极tDCS，放置在目标运动皮层热点（旨在提高兴奋性）的电极为阳极，通常连接红色导线；阴极（通常连接黑色或蓝色导线）则放置于对侧眶上区域或M1区（见下文）。传统上，经颅随机噪声刺激（tRNS）的电极放置方式相同，尽管在经典方案中由于交流电流的存在而无极性特异性。但如果刺激参数包含刺激偏移，则特定电极放置可能具有重要意义。
4. 对于单侧M1刺激，将第二个电极（对于阳极tDCS即为阴极）置于对侧眶上区域（对应脑电图10/20国际系统的Fp2电极位置）。确保导线朝向受试者后方。
5. 使用弹性绷带在头部位于中-外侧方向环绕包扎两圈以固定M1电极，然后利用剩余绷带在头部位于前-后方向环绕包扎一圈，以固定两个电极。
6. 使用胶带固定绷带末端。
7. 用胶带将导线固定在受试者的颈部或衣物上。
8. 将电极导线连接至NEBS设备。

5. 刺激

1. 打开 NEBS 设备。
2. 调整NEBS设备的刺激类型（tDCS或tRNS）、刺激强度（例如，1 mA，1.5 mA，或 2 mA），持续时间（例如，10-40 分钟），上升和下降时间（从刺激开始至达到最大强度的时间，通常为 8-15 秒），以及与刺激类型相关的其他因素（例如，tRNS 的频率谱。
   注意： 传统上，假刺激包括立即上升刺激强度，随后迅速下降。因此，受试者能够感知到刺激，但刺激持续时间不足以对脑功能产生持久影响。一些经颅电刺激设备配备有研究模式，可通过输入特定于研究的受试者编码，实现对受试者和研究者的盲法控制。该编码可自动设定刺激参数。或者，可由第二位实验人员在每次实验中设定刺激参数，并遮挡进行刺激操作的实验人员对显示屏的视线。
3. 告知受试者与经颅电刺激（NEBS）相关的潜在副作用。常见不良反应包括电极下皮肤瘙痒/刺痛或烧灼感、头痛和不适。烧灼感可能是电极与皮肤接触不良的征兆。
4. 开始刺激。
   注意： 常见的刺激持续时间约为10-20分钟，依据是有关皮层兴奋性变化的研究报告（参见代表性结果部分）。根据经验，最大刺激持续时间设定为40分钟。
5. 在逐步增加刺激强度及进行刺激时，检查刺激的连续性。如果阻抗过高或电极与皮肤接触不良，刺激可能会自动终止。
   注意： 如果阻抗过高或受试者在刺激过程中报告不适感增加，可尝试通过以下方法降低阻抗： 例如，可通过更好地固定刺激位点处的电极或添加导电介质来改善。放置于头部的海绵可直接用注射器注入氯化钠溶液。
   注意： 一些设备出于安全考虑，会在刺激过程中报告阻抗。如果阻抗达到特定阈值，NEBS 设备可能会自动关闭。例如，55 kΩ）。

结果

图1. 不同NEBS策略的电极布局及电流方向。（A） 单侧阳极经颅直流电刺激（tDCS）时，阳极置于目标初级运动皮层中心，阴极置于对侧眶上区域。（B） 双侧运动皮层刺激时，阳极和阴极均置于运动皮层。阳极的位置决定了阳极tDCS的目标运动皮层。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
NEBS 设备（DC 刺激器 plus）	Neuroconn
电极导线	Neuroconn
导电橡胶电极	Neuroconn		5x5 cm
带孔海绵袋	Neuroconn		5x5 cm
非导电橡胶海绵覆盖层	Amrex-Zetron	FG-02-A103	橡胶垫 3"*3"
氯化钠等渗溶液	B. Braun Melsungen AG	A1151	Ecoflac, 0,9%
棉质绉纱绷带	Paul Hartmann AG	931004	8x5m，织物弹性
胶带（Leukofix）	BSN medical	02122-00	2.5 cm*5 m
皮肤准备糊剂	Weaver	10-30
磁刺激器	Magstim	3010-00	Magstim 200
肌电图导电糊剂	GE Medical Systems	217083
肌电图双极电极	例如，Natus Medical Inc. Viking 4
肌电图信号放大器	例如，Natus Medical Inc. Viking 4
肌电图信号传输导线	例如，Natus Medical Inc. Viking 4
数据采集单元	Cambridge Electronic Design (CED)	MK1401-3	AD 转换器
用于信号记录和离线分析的计算机
Signal 4.0.9	Cambridge Electronic Design (CED)		软件
非永久性皮肤标记笔	Edding	8020	1 mm，蓝色