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....

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