本文介绍了一种在功能性磁共振成像(fMRI)揭示的脑区激活引导下,同步采集经颅磁刺激(TMS)期间脑电图(EEG)数据并进行分析的方法。同时描述了TMS伪迹去除及事件相关电位提取的方法,以及实验范式设计和实验设置中的注意事项。
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本文介绍了一种在功能性磁共振成像(fMRI)揭示的脑区激活引导下,同步采集经颅磁刺激(TMS)期间脑电图(EEG)数据并进行分析的方法。同时描述了TMS伪迹去除及事件相关电位提取的方法,以及实验范式设计和实验设置中的注意事项。
经颅磁刺激(TMS)是一种建立皮层区域与认知/神经生理效应之间因果关系的有效方法。具体而言,通过暂时干扰目标脑区的正常活动,并测量脑电生理信号的变化,我们能够确立被刺激脑区或脑网络与所记录的脑电生理信号之间的因果关系。如果目标脑区是通过先前的功能磁共振成像(fMRI)扫描进行功能定位的,则可利用TMS将fMRI激活区域与诱发的电位记录关联起来。然而,此类实验面临重大的技术挑战,主要源于磁脉冲在脑电图(EEG)信号中引入的高幅伪迹,以及难以精准定位fMRI所定义的功能性脑区。本文介绍一种整合三种常用工具——TMS、EEG和fMRI——的方法学。我们阐述如何利用结构或功能MRI数据引导刺激线圈至目标脑区,如何在TMS同步进行时记录EEG信号,如何设计适用于EEG-TMS联合研究的事件相关电位(ERP)实验,以及如何从记录的数据中提取可靠的ERP成分。我们将展示一项已发表研究的代表性结果,该研究采用fMRI引导的TMS与EEG同步记录,证明ERP中对面孔选择性反应的N1成分和对身体选择性反应的N1成分与纹外皮层中不同的神经网络相关。该方法使我们能够结合fMRI的高空间分辨率与TMS和EEG的高时间分辨率,从而全面理解各种认知过程的神经基础。
经颅磁刺激(TMS)可对大脑目标区域的正常神经活动产生短暂干扰。通过制造这种暂时性的神经干扰并测量行为或生理变化,我们能够建立目标脑区与所测得实验效应之间的因果关系(综述见 Pascual-Leone et al. 和 Taylor et al.1,2)。此类实验效应可以是认知任务中的表现,也可以是电生理(EEG)活动的变化。事实上,近年来研究人员已开始将 TMS 与 EEG 结合使用,以直接关联皮层区域与事件相关电位(ERP)或振荡活动模式(例如2–7)。在本方法学论文中,我们将介绍一种特定且实用的 TMS 与 EEG 联用框架:在 ERP 实验期间采用 fMRI 引导的 TMS。首先,我们将详细说明如何在记录 EEG 数据的同时,对由 fMRI 预先定义的脑区施加 TMS。接着,我们将描述一种能够提取可靠 ERP 的实验设计。此类实验的目标是建立功能 MRI 所揭示的脑区与感兴趣 ERP 成分之间的因果联系。最后,我们将给出一个具体的研究实例,该研究将面孔和身体选择性 ERP 与 fMRI 所揭示的面孔和身体选择性脑区相关联。
将脑电图(EEG)信号与功能性磁共振成像(fMRI)激活关联起来有何益处?EEG 和 fMRI 是常用于测量视觉输入引起的皮层反应的研究工具。例如,针对面孔、身体部位和书面文字等不同视觉对象类别,在视觉通路中的类别选择性已通过从 EEG 数据中提取的事件相关电位(ERP)8,9 以及功能磁共振成像(fMRI)10-12 进行了评估。然而,这两种常用研究工具所测得的信号在本质上截然不同。EEG 能够以极高的时间精度反映神经电活动,但空间分辨率非常低,并且可能混杂了多个不同来源的信号。fMRI 则通过刺激呈现和/或任务执行期间发生的缓慢血流动力学变化,间接测量神经元活动,虽然时间精度较低,但具有更高的空间分辨率。因此,建立这两种测量方法之间的相关性可能具有重要意义,但这种相关性并不意味着头皮记录的电生理反应与功能磁共振成像所揭示的脑区活动之间存在因果关系。即使同时进行测量(例如13-15),也无法确定 EEG 与功能定义的皮层区域活动之间的方向性因果关系。经颅磁刺激(TMS)是一种有助于建立此类因果关系的研究工具。
同步进行 EEG-TMS 研究在方法学上具有较大挑战性,主要原因是磁刺激会在 EEG 信号中引入高电压伪迹(参见图1;综述见 Ilmoniemi 等16)。该伪迹包括一个短暂的、与脉冲相关的瞬态干扰,其后常伴随一个较慢的次级(或残留)伪迹,在脉冲发出后可持续数百毫秒图2A,从而掩盖大多数感兴趣的事件相关电位(ERP)成分。这种次级伪迹可能来源于机械因素,例如磁脉冲在导线中感应出的电流及其在皮肤上的缓慢衰减,也可能来源于生理因素,例如头皮肌肉活动以及线圈工作时诱发的听觉或躯体感觉诱发电位17-20。尽管机械干扰源产生的伪迹幅度可能大于生理源,但这些不同类型的伪迹难以分离,且信号中存在任何一类伪迹均可能干扰实验结果。一种可能的解决方案是在 EEG 记录之前施加重复性 TMS 脉冲("离线 TMS"),而非同步进行 EEG-TMS。此类方案对皮层活动的抑制效应可持续数分钟甚至长达半小时,在此有效时间窗内可记录 EEG 并与刺激前基线 EEG 数据进行比较。然而,重复性刺激本质上缺乏在线 TMS 所具备的高时间分辨率,后者可在毫秒级精度上根据试验起始时间精确施加脉冲。此外,重复性刺激的影响还可能通过皮层连接扩散至比预期更广泛的脑区,从而显著降低空间分辨率。
为了充分利用经颅磁刺激(TMS)在空间和时间分辨率方面的优势,可采用同步进行的脑电图-经颅磁刺激(EEG-TMS)联合技术。然而,这种方法需要能够去除TMS磁刺激在EEG信号中产生的伪迹的技术。尽管已有极少数离线数学方法被提出用于去除TMS伪迹16,21,22,但目前尚无统一认可的方法,且可能不存在适用于所有实验设计的最优方法。一种由采样保持电路构成的"截断"系统也已被开发,用于在TMS脉冲发放期间瞬时中断EEG信号的采集20。该技术不仅需要专用硬件,还可能无法完全消除TMS伪迹的残留成分。本文将介绍Thut及其同事所建立的一种EEG-TMS方法的改进版本19,特别适用于事件相关电位(ERP)研究。该技术能够在消除TMS脉冲引起的所有残留噪声成分的同时,可靠地提取ERP信号图2。我们还将进一步提供关于成功构建EEG-TMS实验系统的通用指导建议。
本方法学论文所探讨的经颅磁刺激(TMS)研究中的另一个挑战,是寻找最佳的线圈位置和角度,以精确靶向目标皮层区域。我们将描述如何使用立体定向导航系统,将受试者的头部与预先获取的功能磁共振成像(fMRI)图像进行共配准。尽管导航系统可用于定位解剖学定义的脑结构,但基于fMRI引导的靶向定位尤为有用,因为对于许多功能和实验效应而言,其激活的精确位置无法仅通过解剖标志推断。对于此类功能性的感兴趣区域(ROI),每个参与者的脑区定义均需 individually 进行。
为了说明上述所有要点,我们将提供一个先前开展的研究实例,其中同步记录了由fMRI激活引导的经颅磁刺激(TMS)过程中的脑电图(EEG)7。在该研究中,我们对面孔选择性和躯体选择性事件相关电位(ERP)实现了双重分离:尽管面孔和躯体的ERP在相似的潜伏期和电极位置出现峰值,但通过靶向个体化定义的外侧枕叶中面孔选择性和躯体选择性脑区,我们成功分离了每种ERP反应背后的神经网络。最后,我们将尝试提供一些更通用的建议,以优化TMS应用期间的EEG记录。
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实验分为两个独立的阶段进行。在第一阶段,进行功能磁共振成像实验(例如,功能定位实验),以在个体受试者基础上确定理想的经颅磁刺激(TMS)靶区。随后将fMRI结果输入立体定向导航系统,以实现精确的TMS靶向定位。第二阶段在fMRI数据分析完成后进行,在此期间同步记录脑电图(EEG)和经颅磁刺激(TMS)信号。本文所述方案已获得特拉维夫索拉斯基因医疗中心伦理委员会的批准。
本文示例中,数据采用 MATLAB 版本 7.7 (R2008b) 进行分析。fMRI 数据处理使用了 MATLAB 的统计参数映射软件(SPM 5)以及 SPM 23 的 MarsBar 工具箱。
1. fMRI 扫描会话及 fMRI 数据分析
2. 准备可用于提取事件相关电位的脑电图-经颅磁刺激实验范式
下文所述方法可用于在经颅磁刺激(TMS)过程中采集脑电图(EEG)数据,从而提取可靠且可重复的事件相关电位(ERPs)19。该技术的优势在于能够有效处理TMS产生的次要、持续时间较长的人工伪迹,且具有足够的鲁棒性,甚至可在TMS线圈正下方的电极处恢复数据,这些位置的伪迹电压最高、持续时间最长。
3. 设置脑电图仪与神经导航系统并开展实验
通过使用立体定向导航系统,可以实现对个体化定义的感兴趣区域(ROI)进行精确的经颅磁刺激(TMS)定位,该系统由红外相机、安装在受试者头部的红外传感器以及专用软件组成。
4. 分析脑电图数据并计算事件相关电位
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本研究采用同步脑电图-经颅磁刺激(EEG-TMS)方法,旨在揭示记录于枕颞部头皮的面孔和身体刺激事件相关电位(ERP)反应是否存在分离。当呈现视觉刺激时,在后侧电极位点可记录到显著的N1成分。特别是,与其他刺激类别相比,面孔和身体刺激通常诱发更大的N1成分8,33。通过评估基于fMRI定义的面孔和身体选择性脑区在各自对应的面孔和身体N1成分上的刺激效应,我们试图揭示面孔和身体的N1反应是否反映了(至少部分)非重叠的神经源,还是仅仅同一神经网络活动在激活水平上的定量差异。
我们在图像呈现后60毫秒和100毫秒施加双脉冲刺激(例如参见Pitcher 等et al.34,35),靶向外侧枕叶皮层中对面孔和身体选择性反应的区域——枕部面孔区(OFA)和外纹状体身体区(EBA)(图4A,相关fMRI对比定义见上文第1.3节)。这两个区域在不同的刺激区块中分别进行刺激,同时受试者观看面孔和无头身体的图像。结果显示,对OFA的刺激增强了面孔诱发的N1波幅,但对身体无此效应;而对EBA的刺激则增强了身体...
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凭借其独特的能力,可在精确的时间点和相对较高的空间精度下,暂时干扰选定皮层区域的正常神经元活动,经颅磁刺激(TMS)能够因果性地将受刺激的脑区与行为或神经生理学指标关联起来。本文介绍了一种在同步应用TMS期间记录脑电图(EEG)的方法,该方法针对功能定义的皮层区域,并采用一种可可靠测量事件相关电位(ERP)反应的分析手段。我们引用了文献中的一个示例,其中将TMS与EEG和功能磁共振成像(fMRI)结合使用,以探究特定由fMRI定义的脑区是否即 OFA 和 EBA 与其偏好刺激诱发的 ERP 反应存在因果关联即 面部和身体
所描述的减法技术已通过验证19,并在多项研究中得到应用7,26,27,具有若干显著优势:该方法可消除残余的、持续时间较长的经颅磁刺激(TMS)伪迹,从而覆盖大多数重要事件相关电位(ERP)成分的时间窗口;它同样能够消除来自肌源性、机械性(电极的电干扰)以及非目标皮层(例如听觉来源)的伪迹成分;并且即使在位于线圈正下方或邻近区域的电极上,该技术也具有良好的稳健性和可靠性...
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作者声明不存在相互竞争的经济利益。
我们感谢 David Pitcher 在本项经颅磁刺激(TMS)实验中的宝贵贡献。本研究由 Levie-Edersheim-Gitter 脑图谱研究所向 B.S. 提供的奖学金、沃尔夫森基金会(Wolfson Foundation)的资助、以色列科学基金会(Israeli Science Foundation)资助项目 65/08 和 1657/08,以及英国文化协会研究人员交流计划(British Council Researcher Exchange Programme)向 G.Y. 提供的差旅资助支持。 实验在特拉维夫索拉斯基医疗中心(Tel-Aviv Sourasky Medical Center)的 Wohl 先进影像研究所完成。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3.0 T Signa MRI 扫描仪 | General Electric | ||
| BrainAmp 放大器 | Brain Products GmbH | BP-01300 | |
| 电极输入盒 | Brain Products GmbH | 可选 | |
| PowerPack - 放大器用电池 | Brain Products GmbH | BP-02615 | |
| BrainCap - 柔性帽上的 32 个平面电极 | Brain Products GmbH | BP-0300MR | 应使用平面电极以确保线圈与头皮之间的距离更短。如果使用较大的电极(例如针型),请移除线圈下方的电极 |
| TMS Super Rapid2 刺激器 | Magstim | ||
| 50 mm 双线圈 | Magstim | ||
| 线圈支架 | 任何可固定线圈、调节至合适角度和位置,并在刺激过程中保持线圈稳定的机械臂或三脚架 | ||
| 颏托 | |||
| Polaris 红外相机 | Rogue Research Inc | ||
| Polaris 跟踪器和指针工具 | Rogue Research Inc | ||
| BrainSight 工作站及软件 | Rogue Research Inc | ||
| BrainVision Recorder 软件 | Brain Products GmbH | BP-00010 | |
| MATLAB 软件 | The MathWorks Inc | ||
| SPM for Matlab | 英国伦敦,Wellcome 成像神经科学系 | ||
| SPM 的 MarsBar 感兴趣区工具箱 | |||
| MATLAB 的 Psychtoolbox 工具箱 | 该工具箱和以下 E-prime 软件是能够以可靠时序向 TMS 刺激器和 EEG 记录仪发送指令的刺激呈现软件示例 | ||
| E-Prime 软件 | Psychology Software Tools, Inc. |
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