利用功能成像绘制人类听觉皮层在θ爆发刺激后的效应图谱

摘要

听觉处理是言语和音乐相关处理的基础。经颅磁刺激（TMS）已成功用于研究认知、感觉和运动系统，但很少应用于听觉研究。本文中，我们探讨了经颅磁刺激与功能磁共振成像相结合的方法，以理解听觉皮层的功能组织。

摘要

听觉皮层与声音的处理有关，这是言语或音乐相关处理的基础¹。然而，尽管近年来取得了显著进展，人类听觉皮层的功能特性及其偏侧化仍远未被充分理解。经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation, TMS）是一种非侵入性技术，可通过施加局部磁场脉冲，暂时或持久地调节皮层兴奋性，是探索大脑可塑性与连接性的独特方法。该技术直到最近才开始被用于研究听觉皮层功能²。

使用经颅磁刺激（TMS）的一个重要问题是难以确定刺激引起的生理效应。尽管许多TMS研究隐含地假设线圈靶向的脑区即为受刺激影响的区域，但情况未必如此，特别是对于依赖多个脑区之间相互作用的复杂认知功能而言³。解决这一问题的一种方法是将TMS与功能性磁共振成像（fMRI）相结合。其基本思路是，fMRI可提供与TMS相关的脑活动变化的指标。因此，fMRI能够独立评估哪些脑区受到TMS的影响以及这些区域如何被调节⁴。此外，fMRI还可用于评估功能连接性，即不同脑区之间在时间上的耦合程度。因此，它不仅有助于测量TMS在特定位置引起的整体活动调节，还可通过观察功能连接性的变化，评估TMS对脑网络特性的干扰程度。

根据TMS与功能成像方法的时间顺序，存在多种结合这两种技术的方法。功能磁共振成像（fMRI）可以在TMS之前、期间、之后，或在TMS前后两个阶段均进行应用。近年来，一些研究采用TMS与fMRI交替进行的方式，以实现对TMS诱导的功能变化进行在线映射^5-7。然而，这种在线结合方式存在诸多技术难题，包括TMS线圈置于扫描室中所引起的静态伪影，以及TMS脉冲对MR图像形成过程的干扰。但更为重要的是，在研究听觉处理时，TMS引起的强烈声学噪声（由于磁共振扫描仪孔道的共振效应，噪声较常规使用时更为增强）以及TMS线圈振动的加剧（由MR扫描仪静态磁场产生的强大机械力所致）构成了关键性问题。

这是本研究在经颅磁刺激（TMS）前后进行功能性磁共振成像（fMRI）的原因之一。类似的方法已被用于靶向运动皮层^8,9、前运动皮层¹⁰、初级体感皮层^11,12以及语言相关脑区¹³，但迄今为止，尚无结合TMS与fMRI的研究探讨听觉皮层。本文旨在详细介绍成功结合这两种神经科学技术以研究听觉处理所必需的实验方案及相关注意事项。

此前我们发现，在听觉皮层施加高频和低频重复经颅磁刺激（rTMS）（分别为 10 Hz 和 1 Hz）可调节旋律辨别任务中的反应时间（RT）²。我们还发现，RT 的调节效应与使用 fMRI 评估的听觉网络功能连接性相关：在任务执行期间，左右听觉皮层之间的功能连接性越高，rTMS 所产生的易化效应（即 RT 缩短）就越明显。然而，这些发现主要是相关性的，因为 fMRI 是在 rTMS 之前进行的。本研究中，fMRI 在 TMS 前和 TMS 后立即进行，以直接测量听觉皮层的功能组织，特别是 TMS 所提供的神经干预之后听觉神经网络发生的可塑性重组。

在听觉皮层上联合应用功能磁共振成像（fMRI）和经颅磁刺激（TMS），将有助于更深入理解听觉加工的脑机制，并提供关于TMS功能效应的生理学信息。这些知识不仅对众多认知神经科学研究应用具有重要意义，还可用于优化TMS的治疗应用，特别是在与听觉相关的疾病中。

方案

该实验方案分为两天进行（不一定连续）。第一天包括一个功能性磁共振成像（fMRI）定位过程，包含一次解剖像扫描和一次功能磁共振扫描，用于确定每位受试者需要进行经颅磁刺激（TMS）的目标脑区。第二天则包括TMS前和TMS后的fMRI扫描会话，其中TMS在扫描仪内进行，使用一种特殊的磁共振兼容TMS线圈（Magstim Ltd., Wales, UK）和无框架立体定位系统（Brainsight）。后者用于根据每位受试者的解剖和功能数据，实时将TMS线圈准确定位至相应的皮层区域。

1. 定位扫描会话

• 首先获取被试者的高分辨率解剖图像。
• 然后使用梯度回波EPI脉冲序列并结合稀疏采样范式采集功能图像，以最大程度减少由MRI扫描噪声引起的BOLD效应或听觉掩蔽效应^14,15。在本研究中，fMRI在旋律任务期间进行，参与者需判断两个连续的五音符旋律是否相同或不同^2,16。同时包含一个非辨别性听觉控制任务，其中被试者听到两个时长相同的五音符模式，所有音符均为C5音高，并被要求在第二个刺激呈现后点击左键。每个扫描过程中还随机插入静默期。总共呈现72个试验，随机排列：24个旋律辨别试验、24个听觉控制试验和24个静默期，总时长为12分16秒。
• 使用解剖和/或功能标记来确定刺激位点。需要注意的是，由于电场强度随深度衰减，经颅磁刺激（TMS）在刺激位点的深度上存在局限，通常无法有效刺激超过3 cm深度的脑区^6,17。一个关键步骤是对每位参与者使用相似的定位标记，但由于个体间解剖和功能的差异，这可能具有挑战性。本研究中，我们针对每位参与者的Heschl回进行刺激，该区域通过解剖和功能标记共同定位。我们采用哈佛-牛津结构图谱提供的Heschl回掩模（http://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl/data/atlas-descriptions.html），并在Heschl回内以个体激活峰值位置作为TMS靶点²。此外，我们还定义了头顶点（vertex）位置，作为对照位点，以控制TMS可能产生的非特异性效应（如声学和躯体感觉伪迹）。头顶点在解剖学上定义为枕外隆突与鼻根中点，并且与左右耳屏切迹等距。刺激位点（i.e. Heschl回或头顶点）的顺序在不同个体间进行交叉平衡。

2. TMS 前后 fMRI 实验

TMS 前 fMRI 扫描

• 准备受试者直接进入扫描仪。包括去除金属物品，并填写经颅磁刺激（TMS）和磁共振（MR）筛查表格。
• 开始磁共振数据采集，包括结构像和功能像扫描（与定位扫描会话中执行的扫描相同，见第1节）。

无框架立体定向与MRI环境中的经颅磁刺激

无框架立体定向系统由一个红外相机（Polaris Spectra）、若干用于配准过程的工具和追踪器（Brainsight）以及一台计算机组成。该计算机位于扫描室外部，但放置在扫描室入口处，在经颅磁刺激（TMS）应用期间保持扫描室门开启。这些工具和追踪器均具备磁共振兼容性，支撑红外相机的三脚架（自制）也具有磁共振兼容性，因此可在扫描室内使用。红外相机本身不具备磁共振兼容性，因此需放置在扫描室内，靠近扫描仪门，距离扫描床约两米远（安全操作程序详见讨论部分）。TMS刺激器系统位于磁共振成像（MRI）扫描室旁边的房间内。我们使用一个位于扫描室内的MRI兼容TMS线圈，并通过一根7米长的电缆经射频滤波管与TMS系统相连。

• 将受试者的解剖图像、功能图像以及刺激靶点载入立体定向软件包中（例如 Brainsight）。此处我们将定位右侧颞横回。
• 在完成预TMS fMRI数据采集后，取下32通道头部线圈的上部MR头线圈部分（如果使用的是西门子3T扫描仪和32通道头部线圈配置）。
• 接下来，将受试者沿扫描仪床面滑下。
• 将头带和追踪器套装固定在受试者的头部。
• 将多关节臂安装到扫描仪床面上，并将磁共振兼容的经颅磁刺激线圈固定在机械臂上。
• 确认所有追踪器和线圈均位于摄像头视野范围内。此处，摄像头略微向受试者右侧移动，以便在定位右半脑时更方便地追踪线圈的位移。
• 使用立体定位仪工具校准受试者头部即 指针工具）。这是通过配准受试者头部的多个解剖标志点来实现的（例如 以我们的情况为例，需将受试者鼻尖、鼻根点以及双侧耳廓耳甲点与解剖数据中的相同解剖标志对齐。该操作需要两名实验人员：一名位于受试者头部附近，负责将定位工具放置于受试者头部相应位置；另一名位于扫描室入口处，在计算机上执行配准操作。
• 将与磁共振兼容的经颅磁刺激线圈平行于头皮表面放置，线圈上的追踪器朝向红外相机。线圈手柄朝后，与中线平行定向。 ²使用多关节臂上的螺丝固定线圈位置。
• 在磁共振成像仪相邻的房间内，打开经颅磁刺激（TMS）系统并开始刺激。TMS 采用模式化方案进行施加， 即，连续性θ脉冲刺激（cTBS），即以50 Hz频率发放3次脉冲，以5 Hz频率重复40秒。我们采用固定的刺激强度（41%），由刺激器输出确定 ^18,19我们选择该方案，是因为已有研究表明，在健康人群中，刺激停止后其对皮层可塑性的调节作用可持续长达30分钟。 ²⁰，（有关安全操作规程，请参见讨论部分）。

TMS 后 fMRI 扫描

• 刺激完成后，应尽快让受试者重新进入扫描仪。将经颅磁刺激（TMS）线圈移出扫描室，并移除多关节臂。将受试者头部滑回磁共振头部线圈内。确保您的扫描仪已准备就绪。我们的建议是在整个TMS过程中保持扫描床处于抬高位置，并将定位扫描的次数和持续时间减至最少。
• 由于重复经颅磁刺激（rTMS）的效果是暂时的，最终的扫描阶段应以功能扫描开始。我们再次在旋律任务持续12分钟的过程中进行了fMRI扫描。
• 完成最终扫描后，以解剖像扫描结束实验。

3. 代表性结果

对fMRI数据的分析分别针对TMS前和TMS后的fMRI扫描会话独立进行。对于每次fMRI会话（即，TMS前后），旋律任务与听觉控制任务之间的对比显示出左侧和右侧Heschl回、上颞回、下额回以及中央前回与任务相关的脑活动图1 A，B）。为了评估TMS干预前后fMRI扫描会话之间的差异，我们采用随机效应分析，进行配对t检验（Student's paired t-test）。显著性水平通过z值确定的簇进行判定 > 2 阈值和经校正的簇阈值 p = 0.05。 图1 C 代表单个参与者在右侧Heschl回（黑圈）施加cTBS后fMRI信号变化（后减前）。数据显示，针对右侧Heschl回的cTBS可诱导对侧（左侧）听觉皮层fMRI反应增强，包括左侧Heschl回。fMRI反应的变化还见于左侧中央后回、左侧岛叶以及双侧外侧枕叶皮层。然而，在刺激线圈下方未观察到fMRI反应的显著变化。此外，采用相同的联合TMS-fMRI方案刺激颅顶（对照位点）。比较在颅顶施加cTBS前后的fMRI扫描未发现任何显著效应（数据未显示）。

图1. 分析个体在TMS前fMRI数据（A）、TMS后fMRI数据（B）以及TMS后减去TMS前fMRI数据（C）。A. 单个被试在TMS前fMRI扫描会话（A）和TMS后fMRI扫描会话（B）中，旋律辨别任务与听觉控制任务对比的结果。从左至右：轴向、冠状和矢状切面视图。在（A）和（B）中，TMS线圈靶向右侧Heschl回（黑圈），其位置位于MNI152标准空间的x=54, y=-13, z=1。对于TMS前和TMS后的fMRI扫描会话，坐标均显示在x=-54, y=-13, z=1（MNI152标准空间），以展示刺激作用于左半球对应部位时的变化即 右侧Heschl回。C. 采用学生氏配对t检验对TMS治疗后减去治疗前的fMRI扫描结果进行对比分析。

讨论

我们介绍了一种结合离线经颅磁刺激（TMS）和功能磁共振成像（fMRI）以研究听觉皮层功能组织的实验方案。在接下来的章节中，我们将讨论实施该方法时需要考虑的方法学因素。

TMS 后 fMRI 扫描的采集与时间安排

扫描顺序的获取以及TMS前后fMRI扫描会话的平衡设计

在经颅磁刺激（TMS）前后获取MR解剖扫描图像至关重要，以确保两次功能扫描之间实现可靠的配准。否则，所观察到的功能差异可能源于两次功能扫描之间的配准错误，而非TMS引起的fMRI信号变化。此外，在任何fMRI-TMS实验之前（甚至在fMRI定位扫描之前），评估fMRI信号的稳定性与可重复性至关重要，以便对fMRI反应幅度进行定量比较。事实上，开展一些预实验是较为理想的做法，即在移除并重新安置受试者（不施加TMS）后重复扫描，以检验仅由此因素引起的差异程度。不同实验会话之间的比较可能受到TMS非特异性因素的影响，例如受试者对MRI实验环境（包括MRI设备环境）以及所执行任务的适应性²¹

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
经颅磁刺激	Magstim super Rapid2 刺激器，Rapid-2 Plus One 模块	Magstim Ltd., Wales, UK
磁刺激线圈	与 MRI 兼容的 70 mm 双线圈（八字形线圈）	Magstim Ltd., Wales, UK
磁共振成像	3-T Siemens Trio 扫描仪，32 通道头部线圈	Siemens, Inc., Germany
无框架立体定位系统	Brainsight	Rogue Research Inc., Montreal, Canada
光学测量系统	Polaris Spectra	Northern Digital Inc, Ontario, Canada
线圈支架用多关节臂	Standard	Hybex Innovations Inc., Anjou, Canada
与 MRI 兼容的插入式耳机	Sensimetrics，型号 S14	Sensimetrics Corporation, MA, USA