人类耳部经皮迷走神经刺激

摘要

来源：Badran, B. W., 等. 经皮耳部迷走神经刺激（taVNS）的实验室操作：技术、靶向与注意事项。J. Vis. Exp. (2019)

本视频演示了经皮耳迷走神经刺激（taVNS），这是一种调节大脑活动的非侵入性方法。将电极放置在外耳道前壁和耳屏，以靶向迷走神经的耳支（ABVN）。刺激时，产生的神经冲动传导至脑干，进而影响多个脑区及其功能。

方案

所有涉及人类参与者的操作均按照机构、国家及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核。

1. 材料

1. 确保准备好进行经皮耳迷走神经刺激（taVNS）所需的所有材料 （图1）。taVNS 刺激器可以是符合当地安全规范的电池驱动设备，也可以是由普通电源插座供电并内置防止意外电涌安全机制的设备。必须使用最大输出为 5 mA 的恒流（电流控制型）刺激器。
2. 进行 taVNS 时，使用由圆形导电金属（锡、Ag/AgCl、金）制成并结合电解质凝胶或导电膏等导电介质的刺激电极（参见材料表）。或者，也可使用柔性导电碳电极配合导电凝胶，此类电极可带有粘性或不带粘性。切勿在没有导电介质的情况下直接将电极贴于皮肤，否则可能对受试者造成不必要的风险，并引起不适或疼痛。
3. 使用由计算机运行的脚本软件（参见材料表），该软件经过编程，用于控制刺激器并以特定参数启动刺激。这些参数包括电流强度（mA）、脉冲宽度（μs）、频率（Hz）、占空比（开启/关闭时间，s）以及刺激持续时间（min）。
4. 在将电极贴附于耳部前，使用酒精消毒片（70% 异丙醇）清洁皮肤表面。此举可去除皮肤表面的油脂，降低皮肤电阻，确保刺激以安全的功率水平传递。

2. 耳部定位与皮肤准备

1. 在研究环境中进行经皮耳迷走神经刺激（taVNS）时，采用以下一般纳入标准：年龄18–70岁，无面部或耳部疼痛，无近期耳部外伤，无金属植入物（包括起搏器），非妊娠状态。
2. 在实验室环境中针对健康参与者开展实验时，采用以下排除标准：个人或家族有癫痫、情绪障碍或心血管疾病史，酒精依赖或近期使用非法药物，正在使用任何已知会增加癫痫风险的药理学药物。
3. 让参与者仰卧或以其他放松姿势坐在舒适的床或椅子上，双腿抬高，头部有支撑。
4. 检查参与者的左耳。确保未佩戴任何首饰，并清除所有化妆品和润肤霜。确认刺激部位无皮肤相关的禁忌证，包括晒伤、伤口、病变或开放性溃疡。
5. 寻找刺激靶点，该靶点位于外耳道前壁，体表标志为耳屏。刺激将作用于耳屏正后方的耳道区域 (图2)。
6. 使用酒精棉片轻轻擦拭刺激靶点区域，包括耳道内外，以降低皮肤电阻，提高导电性。

3. 电极制备与放置

1. 若使用非一次性电极，请目视检查电极，确保暴露的表面清洁且无腐蚀。应确保电极已消毒，以防止受试者之间细菌传播。可使用酒精或消毒湿巾擦拭电极完成消毒。若使用一次性电极，则跳至步骤3.2。
2. 在电极表面均匀涂抹一层薄薄的导电膏，以将电流传导至刺激部位。对于直径为8 mm的圆形电极，豌豆大小的导电膏用量已足够。使用细小的木质涂药棒在两个电极上均匀涂抹，形成厚度<1 mm的薄层。
3. 在刺激设备关闭状态下，将电极导线连接至设备，并确认电极的极性（红色/正极为阳极，黑色/负极为阴极）。此步骤至关重要，因为靶向刺激具有极性特异性——阳极（红色/正极端子）应置于外耳道内，接触外耳道前壁；阴极（黑色/负极端子）置于耳廓外部，固定于耳甲瓣上。若进行假刺激（sham stimulation），则将阳极置于耳廓前侧。
4. 将弹簧电极夹固定于耳甲瓣，使阳极接触外耳道前壁，阴极接触耳甲瓣前部。
   注意：若进行假刺激，可将电极夹固定于耳垂（作为主动对照）。或者，也可通过将刺激夹连接至激活部位但不施加电流的方式进行假刺激（作为被动对照）。
5. 由于受试者会感受到电极夹在耳部产生的压力，需确保该压力不会引起不适，或影响局部血流（如夹持部位皮肤发白或受试者感到疼痛）。此后，进入感知阈值（PT）的测定，具体操作将在下一步骤中描述。

4. 感知阈值（PT）的测定

注意： 感知阈值是用于确定经皮耳迷走神经刺激（taVNS）刺激强度的关键数值。该值定义为在皮肤上感知到电刺激所需的最小电流，这种感觉通常被描述为刺痛或麻刺感。

1. 采用简单的升序和降序二进制参数搜索法确定感觉阈值（PT）。首先打开刺激器，并将输出设置为 3 mA。以目标脉宽（通常为 250–500 μs）和频率（25 Hz，可根据应用调整）输送持续 1 秒的经皮耳迷走神经刺激（taVNS）脉冲序列。
2. 询问受试者是否感觉到刺激。通常描述的感觉为“轻微瘙痒”或“针刺感”。
   1. 如果回答为“是”，则将刺激强度降低 50%，并重复步骤 4.2；如果回答为“否”，则将刺激强度增加 50%，并重复步骤 4.2。
3. 重复步骤 4.2 所述过程，直至记录到至少 4 次“是”的回答，且第 4 次“是”的回答必须出现在一次“否”的回答之后。感觉阈值（PT）的强度（单位：mA）即为受试者第 4 次回答“是”时所对应的刺激强度值。
4. 参考表 1 中列出的感觉阈值（PT）测定示例，辅助完成 PT 的确定。

5. 递送刺激

1. 当受试者处于舒适状态，刺激电极已正确连接至目标部位，并在设定的脉冲宽度和频率下确定了感知阈值后，开始进行刺激。
2. 使用运行脉冲生成图形用户界面（GUI，例如 stimDesigner）的计算机，并将其连接至数据采集单元（DAQ），以驱动刺激系统。该软件应以可编程方式输出晶体管-晶体管逻辑（TTL）脉冲信号（图3）。TTL 脉冲将通过 Bayonet Neill-Concelman（BNC）电缆发送至刺激器的“触发输入”端口。该软件与刺激器的接口可调节频率、占空比（开启/关闭时间）以及刺激持续时间（图4）。
   1. 确保以高于阈值的强度进行刺激，例如 PT8,9 的 200%。例如，若测得感知阈值（PT）为 0.8 mA，则刺激强度应设为 1.6 mA。
   2. 在进行长时间刺激时，应遵循占空比的相关指导原则。典型的占空比设置为 30–60 秒“开启”期和 60–120 秒“关闭”期，或占空比为 20–50%。
   3. 可调整刺激会话的持续时间（总时长）。研究表明，在 25% 占空比下进行 30–60 分钟的刺激是安全的，且无任何急性副作用或不良事件。此类刺激可重复进行，每次之间间隔 12–24 小时是安全的。
      注意：对于更长时间的刺激、更高百分比的占空比（>40%）、加速范式以及更高电流剂量的刺激，经皮迷走神经刺激（taVNS）的安全性尚不明确。

结果

图1：关键组件。 正确实施经皮迷走神经刺激（taVNS）所需的最低限度组件如下：（A）耳部刺激电极，（B）导电凝胶和酒精清洁垫，（C）能够发送和接收TTL脉冲的计算机，以连接至（D

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
70% 异丙醇擦拭垫	任意	N/A	适用于皮肤的任何酒精制剂擦拭垫均可
恒流刺激器（可触发）	Soterix Medical	N/A	由 Soterix Medical 专为定制用途制造的刺激器
一次性导电电极	定制	N/A	刺激电极由城市学院神经工程实验室（Badran/Bikson）自行定制
带刺激GUI的Matlab软件	MathWorks	N/A	使用 MATLAB 编程脉冲模式
Ten20 导电膏	Weaver and Company	N/A	用于实施刺激的导电膏