经颅直流电刺激与同步功能磁共振成像

摘要

经颅直流电刺激（tDCS）是一种非侵入性脑刺激技术。该技术已成功应用于基础研究和临床环境中，以调节人类大脑功能。本文介绍了tDCS与同步功能性磁共振成像（fMRI）联合实施的方法，用于探究tDCS效应的神经机制。

摘要

经颅直流电刺激（tDCS）是一种非侵入性脑刺激技术，通过在头皮施加微弱电流来调控皮层兴奋性，从而影响行为和脑功能。在过去十年中，大量研究探讨了tDCS对健康个体以及多种不同患者群体在运动和认知任务中行为表现的短期和长期影响。然而，迄今为止，关于tDCS在人类大脑大规模网络层面神经机制的研究仍较为有限。这一问题可通过将tDCS与功能性脑成像技术（如功能磁共振成像（fMRI）或脑电图（EEG））相结合来加以研究。

特别是，功能性磁共振成像（fMRI）是研究认知和运动功能神经机制最常用的脑成像技术。在 fMRI 过程中应用经颅直流电刺激（tDCS），能够以高空间分辨率全面分析全脑范围内与行为学 tDCS 效应相关的神经机制。近期采用该技术的研究发现，刺激可引起任务相关脑功能活动的变化，不仅出现在刺激靶区 ，也出现在更远距离的脑区，且这些变化与行为改善相关。此外，在静息态 fMRI 期间施加 tDCS 可识别出全脑功能连接的广泛改变。

未来采用该联合方案的研究应能进一步揭示经颅直流电刺激（tDCS）在健康与疾病状态下的作用机制，并为在科研和临床环境中更精准地应用tDCS提供新选择。本文以逐步详解的方式介绍了这一新型技术，重点阐述在功能性磁共振成像（fMRI）过程中实施tDCS的技术细节。

引言

经颅直流电刺激（tDCS）是一种非侵入性脑刺激方法，通过固定在头皮上的两个电极之间施加微弱电流（通常为1-2 mA）来调节皮层功能。从生理学角度看，tDCS通过调控钠离子和钙离子通道，引起目标皮层区域神经元静息膜电位（RMP）发生极性依赖性的偏移，从而促进皮层兴奋性的改变¹。具体而言，阳极刺激（atDCS）可通过使神经元RMP去极化而增强皮层活动，而阴极刺激（ctDCS）则降低皮层兴奋性²。与其他类型的脑刺激（例如 经颅磁刺激）相比，tDCS的安全性已得到充分证实，迄今为止即使在易感人群中也未报告严重不良反应^3,4。此外，至少在较低刺激强度（不超过1 mA）下，存在有效的安慰剂（“伪”）刺激条件⁵，可实现对受试者和研究人员的有效盲法，使tDCS成为实验研究和临床研究中颇具吸引力的工具。

迄今为止，大量研究表明，皮层兴奋性的这些改变可能导致行为调节。在运动系统中，已有研究一致报告了阳极经颅直流电刺激（atDCS）和阴极经颅直流电刺激（ctDCS）均存在极性依赖效应^1,6。在认知研究中，大多数采用atDCS以增强认知功能的研究报告了对行为表现的有益影响⁷，而ctDCS通常并未导致认知加工能力的下降。这一现象可能归因于支持认知功能的神经加工资源具有更高的冗余性⁶。大多数经颅直流电刺激（tDCS）研究采用交叉设计来考察刺激的即时效应，但这些效应通常仅在电流停止后持续较短时间¹。然而，有研究提出，重复刺激可能影响蛋白质合成，i.e. 即技能习得背后的神经机制⁸。事实上，当重复tDCS干预与运动或认知训练相结合时，训练效果可得到增强，并且已有研究报道，这种改善在健康成年人中可长期稳定维持，持续数月之久^8-10。这些发现也激发了tDCS在临床领域应用的兴趣，初步数据显示，tDCS可能作为多种临床人群的主要或辅助治疗手段具有一定应用价值³。然而，尽管已有相当数量的研究探讨了tDCS在运动系统中的神经生理效应，但对于tDCS在健康与疾病状态下影响认知脑功能的潜在神经机制，目前仍知之甚少。深入理解tDCS的作用机制，是未来在科研与临床实践中实现更精准应用的必要前提。

通过将经颅直流电刺激（tDCS）与功能性脑成像技术（如脑电图（EEG）或功能性磁共振成像（fMRI））相结合，可解决这一问题。目前大多数研究认知和运动功能神经机制的研究均选择采用fMRI¹¹。特别是，fMRI是研究认知和运动功能神经机制应用最广泛的脑成像技术¹¹。此外，当与tDCS同步应用相结合时，fMRI能够以比EEG更高的全脑空间分辨率来考察tDCS行为效应背后的神经机制（关于tDCS-EEG联合应用的最新描述，参见Schestatsky et al.¹²）。本文描述了在同步fMRI过程中联合使用tDCS的方法。这一新型技术已成功用于研究tDCS诱导的运动和认知功能调节背后的神经机制^13-19。未来，这种联合方案将有助于深入理解tDCS在健康与疾病状态下的作用机制。通过该技术评估tDCS对大规模神经网络的影响，可能为tDCS在科研和临床环境中的更精准应用奠定基础。

本文将重点讨论行为 tDCS 实验与 tDCS 联合同步 fMRI 使用之间的差异，特别强调硬件要求、技术实施以及安全考虑。例如，将描述在静息态（RS）fMRI（无任务）和语言任务期间对左侧额下回（IFG）施加单次 tDCS 的操作过程^14,15，尽管该技术还可应用于多种其他场景^16,19。实验设计、受试者特征及 fMRI 数据分析方法的详细信息已在原始发表文献中详述^14,15，不在本文讨论范围内。此外，在这些研究中，还额外进行了一次包含假刺激 tDCS 的 fMRI 扫描，并将其结果与真实 tDCS 会话的结果进行比较（详见"代表性结果"部分）。该假刺激会话的流程与本文所述完全相同，唯一区别在于刺激在扫描开始前即已停止（详见图1）。本方案已在柏林夏里特大学医学中心柏林先进影像中心（Berlin, Germany）的 3 特斯拉西门子 Trio MRI 扫描仪上成功实施，原则上也可适用于其他扫描设备¹³。

方案

1. 禁忌症与特殊注意事项

1. 彻底筛查参与者是否存在 MRI 禁忌症（例如 起搏器，幽闭恐惧症 等。)  必要时予以排除。在运行磁共振成像（MRI）扫描仪的临床或研究机构获取标准问卷。进入扫描室时，务必遵守标准安全规程。
2. 彻底筛查参与者是否存在 tDCS 的禁忌证。这些禁忌证可能与 MRI 的禁忌证重叠。参见 Villamar 等²⁰ 例如。
3. 咨询运营机构，了解当地的安全与伦理法规，并获取必要的许可。在正式实验开始前，检测刺激电流或经颅直流电刺激（tDCS）设备可能引起的成像伪影。例如 通过检测经颅直流电刺激对信噪比的影响^17,18).

2. fMRI 实验设置、实验设计与材料

注意：在 MRI 扫描仪内使用经颅直流电刺激（tDCS）需要特殊设备。特别是需要特定的 MRI 兼容电缆、滤波盒、电极以及用于将电极固定在受试者头部的绑带。图 2 展示了 (A) 标准的 tDCS 设备和 (B) 与 MRI 联用的组件。后者组件对于防止 MRI 扫描过程中射频脉冲导致电极下组织发热至关重要。此外，tDCS 设备可能引起高频成像伪影。通过在扫描室内外设置滤波盒、使用配备电阻器的电缆以及专用的 MRI 兼容导电橡胶电极，可避免上述两种问题。

1. 进行fMRI实验的一般实验设置和序列。两者均取决于研究目的。 注意：以下方案针对本实验而定，但可修改后适用于多种不同的实验情境。
2. 使用安装有刺激呈现软件的台式计算机，用于在扫描仪内进行涉及语义类别视觉呈现的语言任务。通过连接至计算机的投影仪和镜面系统，将这些刺激呈现在扫描仪内的屏幕上。
3. 使用与MRI兼容的麦克风来记录外显的口头反应。在tDCS期间采集两个功能序列：一个五分钟的无任务静息态序列（RS-sequence），以及一个外显的语义词语生成任务。注意：实验设置、fMRI序列和刺激材料的更多细节此前已有详细描述^14,15，图1展示了本实验设计。
4. 设置tDCS设备时，将设备编程为持续输出1 mA的直流电流，持续20分钟，以覆盖两次功能扫描的全部时间，包括扫描间短暂休息及指令说明时间^14,15。确保刺激器电量充足；否则可能在实验过程中自动关机。
5. 确保所有必要材料均已备齐（图2）。

3. 扫描仪外部和内部的经颅直流电刺激（tDCS）设置（参见 图3 以获取示意图概览）

1. 将外层滤波盒放置在射频滤波器（RF）管附近（i.e. 即MRI扫描仪射频屏蔽上的穿入点，可用于从扫描仪外部引入电缆）。使用刺激器电缆将刺激器与外层滤波盒连接。内层和外层滤波盒不得混淆。注意：图4A展示了扫描仪外部的tDCS装置设置。外层滤波盒在图4B中已明确标示。
2. 测量连接内层与外层滤波盒所需的盒电缆长度（参见下一点关于扫描室内部电缆布线的说明）。从扫描仪外部将盒电缆插入RF管，并与外层滤波盒连接（图4A）。
3. 将内层滤波盒放置于扫描仪孔道的后端（图5）；使用胶带固定其位置。将盒电缆与内层滤波盒连接，并避免电缆形成环路，以防引起射频加热。注意：电缆应沿扫描室墙壁布设，并用胶带固定（图3）。

4. 受试者的准备及在扫描仪中的体位摆放

1. 与传统的经颅直流电刺激（tDCS）设置一样，检查受试者皮肤是否存在任何预先存在的损伤，拨开头发，用酒精清洁皮肤以去除发胶、润肤露等残留物 等等以提高电极下方皮肤的导电性^12,21.
2. 用生理盐水浸湿海绵槽，并将磁共振成像兼容电极插入槽内（参见 DaSilva²¹ 有关受试者准备和电极放置的一般注意事项）。
3. 使用不会留下铁磁性痕迹的笔在受试者头部标记电极位置（例如 不要使用眼线笔。使用10-20 EEG系统确定阳极的目标位置（此处为左侧IFG，5 × 7 cm）²)^14,15。为此，确定（a）T3-F3 与 F7-C3 的交点，以及（b）F7 与 F3 之间的中点。目标位置位于连接点（a）和点（b）的线段的中心。将阴极（10 × 10 cm）置于该位置²) 置于右侧眶上位置（有关电极放置的详细信息参见 Meinzer 等^14,15用橡皮带将电极固定在头部。
4. 引导受试者到扫描仪后方，将电极电缆连接至内部滤波盒。打开刺激器，并同时按下刺激器的右上方和左下方按钮以测试阻抗。若达到阻抗限制，刺激器将自动停止。若发生此情况，需检查电极是否与头皮接触良好，重新清洁皮肤，或在海绵过于干燥时补充生理盐水，然后检查电缆是否损坏。注意：由于刺激器与电极之间存在额外的电缆和滤波盒，阻抗通常较传统装置更高。
5. 引导受试者进入扫描室（经过最终安全检查后）。将受试者安置在扫描仪机架上，并确保电极仍处于正确位置。合上头部线圈。电极电缆应从头部线圈的左下部穿出（参见 图6）或根据制造商的建议。
6. 将受试者移入扫描仪孔内。确保电缆不会被机架卡住而损坏（参见 图6 在此阶段，为电缆寻找一个可能的安全固定位置。当受试者进入扫描仪内的最终位置后，从扫描仪后端取到电极电缆，并将其连接至内层滤波器盒。将紧急按钮交给受试者，随后离开扫描室。

5. 开始刺激

1. 使用扫描仪对讲系统告知参与者扫描会话即将开始。通过扫描控制台启动结构定位扫描（用于确定参与者头部在扫描仪中的位置，并为后续的功能性和结构性扫描做规划）。检查定位扫描是否存在高频伪影：在采集周期结束后，双击定位扫描图像，并调整对比度（对于西门子Trio设备，按住鼠标右键并向左右移动鼠标进行调节；示例见图7A 和图7B）。
2. 使用扫描仪对讲系统告知受试者刺激即将开始，其头皮可能会短暂地感到轻微刺痛感。重复第一次功能扫描的指导说明。在此示例中，指示参与者在整个扫描过程中保持闭眼（5分钟），尽量减少身体移动，并不专注于任何特定想法。确保投影仪已关闭（扫描仪孔内屏幕为黑色），以避免在静息态扫描（RS-scan）期间产生视觉刺激。
3. 在第一次功能扫描（RS-scan）开始前约1-2分钟，手动启动刺激。使用扫描控制台加载RS序列。双击RS序列以打开视野（FOV），调整位置以覆盖整个大脑，并大致与前连合-后连合线对齐。启动第一次扫描（点击“START scan”按钮）。
4. 在整个实验过程中持续监测阻抗。注意：如果实验采用双盲模式（参与者和研究人员均不知晓刺激情况），可能需要第二名研究人员专门负责监测阻抗。
5. 在RS序列运行期间，使用扫描控制台如前所述加载第二个功能成像序列（用于后续语言任务）并调整视野（FOV），以减少扫描之间的等待时间。RS序列结束后，打开投影仪，以便在语言任务期间显示实验刺激。双击呈现软件图标并加载语言实验范式。使用扫描仪对讲系统重复任务相关fMRI范式的指导说明，并开始执行任务^14,15。
6. 刺激/fMRI实验结束后，继续进行计划中的结构性扫描。在扫描会话结束前，请勿断开电极电缆。
7. 实验结束时，在将参与者移出扫描仪孔之前，先从内部滤波盒上断开电极电缆。将参与者从扫描仪中移出，拆下头部线圈，并请其坐起后小心取下电极。

结果

功能磁共振成像（fMRI）是研究运动或认知功能潜在神经机制应用最广泛的成像技术。近年来，fMRI也被用于评估经颅直流电刺激（tDCS）对皮层活动和功能连接的影响。然而，大多数研究均在扫描仪外实施tDCS，并评估刺激的离线效应（offline effects）即 在扫描前施加经颅直流电刺激^22,23）。迄今为止，仅有少数研究在同步进行功能性磁共振成像（fMRI）的同时施加经颅直流电刺激（tDCS），并采用不同的血氧水平依赖对比（BOLD）^14-17,24 或灌注成像序列^13,19这些研究采用被试内设计，比较在经颅直流电刺激（tDCS）与假刺激（sham tDCS）期间功能性脑活动或灌注变化，以揭示tDCS在健康与疾病状态下即时行为效应的神经机制^1,3.

例如，在最近的两项研究中，Meinzer 及其同事评估...

讨论

联合应用经颅直流电刺激（tDCS）与同步功能性磁共振成像（fMRI）已展现出阐明刺激对全脑即时神经机制的潜力，且具有高空间分辨率^13-19。未来，此类研究可进一步结合脑电图-经颅直流电刺激（EEG-tDCS）研究，以利用后者更优的时间分辨率。此外，扫描仪内刺激允许验证电极在头皮上位置的准确性（例如 使用T加权图像，见图10），从而有助于减少因电极放置不当而在实验研究中产生的非预期变异。

颅内刺激的安全性已得到证实，在适当设置下，电极下方不会产生热量（例如 Holland et al.¹⁷，参见本研究的补充材料）。刺激对图像质量的影响极小。例如，经颅直流电刺激（tDCS）可能引起信噪比轻微下降，以及电极下方出现磁敏感伪影或B0场畸变^17,18，其中后者仅局限于头皮区域（综述见Saiote et al.²³）。 然而，An...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
DC-Stimulator Plus	NeuroConn，德国伊尔梅瑙	21
DC-Stimulator MR 硬件扩展装置（2 个磁共振兼容橡胶电极、电极与盒式电缆、内滤波盒；外滤波盒和刺激器电缆）	NeuroConn，德国伊尔梅瑙
2 个橡胶电极用海绵垫（7 cm × 5 cm 和 10 cm × 10 cm）	NeuroConn，德国伊尔梅瑙
橡胶头带
NaCl 溶液
测量卷尺			用于通过脑电图 10-20 系统确定电极位置
标记笔			电极定位过程中使用