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方法文章

用于调节人类运动功能的非侵入性电刺激脑部电极布局

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⸱

DOI：

10.3791/53367

⸱

2016年2月4日

 ,  , 
1Department of Neurology, Albert Ludwigs University Freiburg

本文内容

摘要

无创电刺激大脑可调节皮层功能和行为，既可用于科研，也可用于临床。本方案描述了调节人类运动系统的不同脑刺激方法。

摘要

非侵入性电脑刺激（NEBS）被用于调节大脑功能和行为，既可用于科研也可用于临床。特别是，NEBS 可经颅施加，包括直流电刺激（tDCS）或交流电刺激（tACS）两种形式。这些刺激类型在健康受试者中对运动功能和技能学习产生时间依赖性、剂量依赖性，以及在 tDCS 情况下具有极性特异性的影响。近年来，tDCS 已被用于增强中风或运动障碍患者运动功能障碍的治疗效果。本文提供了一套逐步操作方案，用于靶向初级运动皮层，采用 tDCS 和经颅随机噪声刺激（tRNS）——一种特定形式的 tACS，其电流在预定义频率范围内随机施加。文中详细说明了两种不同刺激导联配置的设置方法。在这两种配置中，发射电极（tDCS 中的阳极）均放置于目标初级运动皮层。对于单侧运动皮层刺激，接收电极置于对侧前额；而对于双侧运动皮层刺激，接收电极则置于对侧初级运动皮层。文章还讨论了每种导联配置在调节皮层兴奋性及运动功能（包括学习能力）方面的优缺点，以及安全性、耐受性和盲法实施的相关问题。

引言

非侵入性电刺激脑技术（NEBS）是指通过完整的颅骨向大脑施加电流，可调节大脑功能和行为1-3。为了优化NEBS策略的治疗潜力，仍需深入理解其产生神经生理学和行为效应的潜在机制。在不同实验室之间实现操作的标准化，并对刺激程序进行充分透明的描述，是确保数据可比性的基础，有助于对结果进行可靠解读，并评估所提出的效应机制。经颅直流电刺激（tDCS）和经颅交流电刺激（tACS）在所施加电流的参数上有所不同：tDCS在两个电极（阳极和阴极）之间产生单向恒定的电流2-6，而tACS则使用特定频率的交流电刺激7。经颅随机噪声刺激（tRNS）是tACS的一种特殊形式，其采用随机频率（例如，100–640 Hz）的交流电，导致刺激强度快速变化，并消除与极性相关的效应4,6,7。仅当刺激设置包含刺激偏移时，极性才具有意义，例如，噪声谱围绕+1 mA基线强度随机波动（通常不使用）。本文旨在聚焦于tDCS和tRNS对运动系统影响的研究，内容紧密参照我们实验室近期发表的一项研究6。

与tDCS相比，tRNS的作用机制更不明确，但可能与后者不同。理论上，在随机共振的概念框架下，tRNS向神经元系统引入刺激诱发的噪声，可能通过改变信噪比而带来信号处理上的益处4,8,9。tRNS可能主要放大较弱的信号，从而优化任务特异性的脑活动（内源性噪声9）。阳极tDCS可增加皮层兴奋性，表现为自发神经元放电率的改变10或运动诱发电位（MEP）振幅的增加2，其效应可持续数分钟至数小时，超过刺激本身的持续时间。突触效能的长期增强，即长时程增强（LTP），被认为参与学习与记忆过程。事实上，阳极tDCS可增强由弱突触输入反复激活的运动皮层突触的突触效能11。与此一致的是，运动功能改善或技能习得通常仅在刺激与运动训练同时进行时才显现11-13，这也提示突触共激活是这一活动依赖性过程的前提条件。然而，皮层兴奋性的增加（如放电率或MEP振幅升高）与突触效能增强（如LTP或行为功能改善，包括运动学习）之间的因果关系尚未得到证实。

作用于初级运动皮层（M1）的非侵入性脑刺激（NEBS）作为一种安全且有效的调节人类运动功能的方法，正受到越来越多的关注1。其神经生理效应和行为学结果可能取决于刺激策略（例如，tDCS的极性或tRNS）、电极尺寸和导联方式4-6,14,15。除了受试者自身解剖和生理因素外，电极导联方式显著影响电场分布，可能导致皮层内电流扩散模式的不同16-18。除所施加电流的强度外，电极的大小也决定了传递的电流密度3。在人类运动系统研究中常见的电极导联方式包括（图1）：1）阳极tDCS作为单侧M1刺激，将阳极置于目标M1区域，阴极置于对侧前额；该方法的基本原理是上调目标M1区域的兴奋性6,13,19-22；2）阳极tDCS作为双侧M1刺激（也称为“双半球”或“双刺激”），将阳极置于目标M1区域，阴极置于对侧M1区域5,6,14,23,24；该方法的基本原理是在上调目标M1兴奋性的同时抑制对侧M1的兴奋性，从而最大化刺激效果（即，调节两个M1之间的半球间抑制）；3）对于tRNS，目前仅研究了上述单侧M1刺激导联方式4,6；采用该导联方式，在100–640 Hz频率范围内已观察到tRNS具有增强皮层兴奋性的效应4。脑刺激策略和电极导联方式的选择是在临床或科研环境中高效、可靠地应用NEBS的关键步骤。本文详细描述了在人类运动系统研究中使用的这三种NEBS操作流程，并讨论了相关的方法学与概念性问题。单侧或双侧tDCS以及单侧tRNS所用材料相同（图2）。

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图1. 不同NEBS策略的电极布局及电流方向。 (A) 单侧阳极经颅直流电刺激（tDCS）中，阳极置于目标初级运动皮层中心，阴极置于对侧眶上区域。(B) 双侧运动皮层刺激时，阳极和阴极分别置于左右两侧运动皮层。阳极的位置决定了阳极tDCS的目标运动皮层。(C) 单侧经颅随机噪声刺激（tRNS）中，一个电极置于运动皮层，另一个电极置于对侧眶上区域。电极之间的电流方向由黑色箭头表示。阳极（+，红色），阴极（-，蓝色），交流电（+/-，绿色）。请点击此处查看该图的放大版本。

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方案

伦理声明：人类研究需在研究开始前获得参与者的书面知情同意。在招募参与者前，须获得相关伦理委员会的批准。确保研究符合《赫尔辛基宣言》的规定。本文报告的代表性结果（图4) 是根据遵循《赫尔辛基宣言》（经第59届修订）进行的研究得出的th 世界医学协会大会，首尔，2008年10月，经弗赖堡大学当地伦理委员会批准。所有受试者在参与研究前均签署书面知情同意书。6.

1. 安全筛查

  1. 筛查受试者是否存在非侵入性脑刺激的潜在禁忌证3, 例如，通过使用问卷调查25.

2. 运动皮层定位

  1. 通过以下两种不同方法之一定位受试者的手部运动皮层：利用经颅磁刺激（TMS）诱发的运动诱发电位（MEP）定位目标肌肉在大脑中的代表区，或根据国际10/20脑电图系统，使用测量尺定位标准M1位置（C3/C4）26.
  2. 进行经颅磁刺激（TMS）诱发的运动诱发电位（MEP）记录时，请受试者移除可能受TMS磁场影响的物品，包括信用卡、手机及一般金属物体。
  3. 请受试者舒适地坐下。
  4. 使用软件界面时，验证肌电图放大器与用于信号配置和采集的计算机之间的连接。
  5. 打开肌电图放大器并连接肌电电极电缆。
  6. 用皮肤准备膏轻轻擦拭受试者手部将要放置电极的区域，清洁皮肤。用干净的纱布擦去多余膏体。
  7. 在目标手部肌肉上采用肌腹-肌腱排列法粘贴表面肌电图电极（例如，右手拇短展肌）并连接一个接地电极（例如（位于前臂）。研究目的决定了应使用哪块手部肌肉。
    注意对于可重复使用的电极，在将其贴附于受试者皮肤之前，需在电极表面涂抹少量导电膏。
  8. （可选步骤）如果需要存储运动诱发电位（MEP）数据，请启动用于MEP采集的记录软件。
  9. 检查肌电图（EMG）阻抗值，确保阻抗处于 < 20 kOhm
  10. 打开磁刺激器，并通过按下相应按钮为电容器充电 "电荷" 按钮。
  11. 将8字形TMS线圈置于受试者头皮的半球间裂处，并移动至运动皮层区域（约位于EEG 10/20国际系统的C3/C4位置）。将TMS线圈保持在45°角o-50o 以大脑半球间裂为参照的角度27,28，手柄向后放置，产生从后向前的皮层电流流动29.
    注意：用于运动皮层定位的经颅磁刺激线圈有两种不同类型：双锥形线圈或圆形线圈。建议优先使用双锥形线圈，因其可提供更局限的脑刺激。30 皮层兴奋性测量的更高可靠性和准确性31.
  12. 当磁刺激器充电完成（显示屏上可见）后，可通过按压触发按钮、踩下脚踏开关，或由软件程序自动放电。随后将通过放置在受试者头皮上的连接TMS线圈传递单个TMS脉冲。默认TMS脉冲设置（例如., 100 µ诱导电流的上升时间及800 µ单相刺激的s衰减时间；双相刺激的衰减时间较短，具体参数取决于设备（固件）。
  13. 从低强度刺激开始（例如，使用刺激器上的刺激强度控制旋钮将输出强度设为45%，并在肌电图放大器上观察可见的运动诱发电位（MEPs）。
    1. 若未见运动诱发电位（MEP），则以2-5%的增幅逐步提高刺激强度，直至清晰出现MEP（例如，0.5–1 mV 幅度）。若脉冲传递未自动化，可通过按压触发按钮或激活脚踏开关重复刺激。告知受试者刺激强度会稍强，并可能出现肢体运动、面部抽动和眨眼。
      注意：建立至少5秒的最小间隔 脉冲之间应避免低频刺激对脑兴奋性的影响。
  14. 以初始刺激位点为中心，将线圈围绕该点以1厘米为步长进行径向移动，施加单脉冲经颅磁刺激（TMS），寻找运动诱发电位（MEP）反应最大的位点。随后，从此位点重新开始移动线圈，以确定最适刺激位置 "热点" 皮层区域（运动诱发电位幅值最大处）
    注意：使用头帽（例如不建议使用用于网格标记的标记物进行定位，因为放置NEBS电极时需要移除帽具，可能导致热点位置丢失。
  15. 以刺激器（stimulator）上的刺激强度调节旋钮逐步降低刺激强度，每次约减少2%，直至运动诱发电位（MEP）仍可引出但接近阈值。此举可避免因超最大强度刺激导致的定位不准确。通过将线圈以1 cm为步长在热点周围径向移动，重新确认热点位置，并观察MEP的幅度。热点位置应仍对应最大且最稳定的MEP波幅。
    注意：如果难以找到热点区域，可要求受试者主动收缩目标肌肉（例如，即在高强度刺激下仍无MEP出现）。通过此方法，可降低诱发MEP所需的刺激强度，从而更易于识别相关的皮质刺激位点。若采用此方法，在找到相关刺激位点后，应要求受试者放松肌肉，并调整刺激强度，以确保在肌肉静息状态下能够稳定记录到MEP。随后继续寻找热点（hotspot）。
  16. 用非永久性皮肤标记笔标记热点位置和线圈方向。
  17. 对于双侧M1刺激，对对侧肢体重复步骤2.11至2.16。

3. NEBS 电极制备

  1. 将电缆连接至橡胶电极，并将电极放入海绵袋内。确保电极尺寸与海绵袋尺寸相匹配。材料有标准尺寸可供购买（例如，5×5 cm2、5×7 cm2）。
  2. 用等渗 NaCl 溶液浸湿两侧的海绵袋，但避免过度浸泡，以防形成盐桥或溶液滴落到受试者身上。
    1. 此步骤为可选：若使用绷带而非橡胶圈以固定装置，为防止 NaCl 溶液泄漏，可将电极和海绵袋置于非导电的橡胶海绵套内。
      注意： 或者，可在橡胶电极上涂抹导电膏，然后直接放置于受试者头部，即不使用海绵袋或橡胶海绵套。

4. NEBS 电极放置（图 1）

  1. 找到标记大脑运动皮层热点的头部位置，并分开该区域周围的头发。
  2. 为提高导电性，在放置电极前用浸有40-50%酒精或皮肤准备膏的棉签轻轻擦拭头部标记周围的皮肤。切勿刮伤皮肤！用棉签去除多余液体，再用等渗氯化钠溶液清洁该区域，之后将其擦干。
    注意：确保头部标记仍清晰可见；必要时重新标记。
  3. 根据目标M1区（与目标手对侧）的头部标记放置一个电极。尽量使海绵与皮肤直接接触。将电极导线朝向受试者背部放置，以避免在刺激和/或任务执行过程中造成干扰，并便于连接NEBS设备。
    注意：电极下方的头发应变得潮湿。若湿度过大，可用纸巾或手巾吸去多余液体。
    注意：对于阳极tDCS，放置在目标运动皮层热点（期望提高兴奋性）的电极为阳极，通常连接红色导线；阴极（通常连接黑色或蓝色导线）则放置在对侧眶上区域或M1区（见下文）。传统上，tRNS的电极放置方式相同，尽管在经典方案中由于交流电流的存在而无极性特异性。但如果刺激参数包含刺激偏移，则特定的电极放置可能具有重要意义。
  4. 对于单侧M1刺激，将第二个电极（对于阳极tDCS即为阴极）置于对侧眶上区域（对应脑电图10/20国际系统的Fp2电极位置）。确保导线朝向受试者后方。
  5. 对于双侧M1刺激，跳过步骤4.4。将第二个电极（对于阳极tDCS即为阴极）根据研究中所用肢体同侧的头部标记放置于对侧M1区。确保导线朝向受试者后方。
  6. 先沿中-侧方向环形缠绕弹性绷带两圈以固定M1电极，然后利用剩余绷带沿前-后方向环形缠绕头部，以固定两个电极。
  7. 使用胶带固定绷带末端。
  8. 用胶带将导线固定在受试者的颈部或衣服上。
  9. 将电极导线连接至NEBS设备。

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图2. NEBS方案所用材料。 无创性电刺激脑部方案中常用的材料包括NEBS设备、电极导线、导电橡胶电极、带孔海绵袋、橡胶海绵覆盖层（可选）、等渗NaCl溶液和绷带。请点击此处查看该图的放大版本。

5. 刺激

  1. 打开 NEBS 设备。
  2. 调整NEBS设备的刺激类型（tDCS或tRNS）、刺激强度（例如，1 mA，1.5 mA 或 2 mA），持续时间（例如，10-40 分钟）、上升和下降时间（从刺激开始至达到最大强度的时间，通常为 8-15 秒），以及与刺激类型相关的其他因素（例如，tRNS 的频率谱。
    注意： 传统上，假刺激包括立即上升刺激强度，随后迅速下降。因此，受试者能够感受到刺激，但刺激持续时间不足以对脑功能产生持久影响。一些经颅电刺激设备配备研究模式，通过输入特定研究的受试者编码，可实现对受试者和研究者的盲法控制，该编码将自动设定刺激参数。或者，可由第二位实验人员在每次实验中设定刺激参数，并遮挡显示屏，防止执行刺激的操作者看到参数设置。
  3. 告知受试者与NEBS相关的潜在副作用。常见不良反应包括电极下皮肤瘙痒/刺痛或烧灼感、头痛和不适感32灼热感可能是电极与皮肤接触不良的征兆。
  4. 开始刺激。
    注意： 常见的刺激持续时间约为10-20分钟 根据研究皮层兴奋性变化的报告（见代表性结果部分），经验性地将最大刺激持续时间设定为40分钟。3.
  5. 在逐步增加刺激强度及进行刺激时，检查刺激的连续性。如果阻抗过高或电极与皮肤接触不良，刺激可能会自动终止。
    注意： 如果刺激过程中阻抗过高或受试者报告不适感增加，可尝试通过以下方法降低阻抗： 例如，可通过更好地固定刺激位点处的电极或添加导电介质来改善。放置于头部后，可使用注射器将氯化钠溶液直接注入海绵中。
    注意： 出于安全考虑，某些设备会在刺激过程中持续报告阻抗。当阻抗达到特定阈值时，NEBS 设备可能会自动关闭。例如，55 kΩ）。
  6. 若NEBS与运动任务同时进行，在刺激强度逐渐增加且受试者感觉适应刺激后，再开始测试/训练。若研究在刺激期间不包含运动任务，需确保受试者在刺激过程中保持坐姿并处于清醒状态，并等待刺激结束后再进行后续操作。
  7. 向参与者询问刺激是否产生副作用， 例如，通过发放标准化问卷32 或直接询问受试者。对于包含多日刺激的研究，需记录各刺激日之间可能出现的任何副作用。
    注意： 为评估设盲效果，在每次刺激结束后询问参与者其认为接受的是哪种类型的刺激（假刺激/实际刺激条件）。如果实验人员也处于设盲状态，实验人员亦应记录其对参与者所接受刺激类型的判断。将上述猜测结果与实际的刺激类型进行比对，以验证正确猜测的比例。33.
  8. 使用40-50%酒精等无害物质对电极和海绵进行消毒，随后用清水彻底冲洗。待材料干燥后再行储存。

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结果

为了研究NEBS对人类运动系统的影响，选择适当的结果评估指标至关重要。运动系统的一个优势在于其皮层表征可通过电生理工具进行无创检测。运动诱发电位常被用作评估运动皮层兴奋性的指标。在健康志愿者中，当以29 µA/cm2的电流密度施加9分钟或更长时间的阳极tDCS后，运动皮层兴奋性可在至少30分钟内保持升高 19,21,22（参见图3）。阴极tDCS通常引起相反效应（即降低兴奋性）或无显著效应19,22。然而，如近期研究所指出22，个体反应方向存在一定变异性，部分受试者在阳极或阴极tDCS干预后表现出与典型效应相反的结果。在采用NEBS的研究中进行样本量计算时，应充分考虑这一变异性。有趣的是，单侧与双侧tDCS干预后均观察到M1兴奋性的相似变化5,23，且在每种刺激方式结束后，简单运动功能均得到类似程度的即时改善5。因此，目前正进一步研究采用双侧M1电极布局是否可通过额外抑制对侧M1的兴奋性，从而对运动...

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讨论

本方案描述了使用经颅电刺激（NEBS）调节手部运动功能和技能学习的典型材料与操作步骤，具体包括用于阳极经颅直流电刺激（anodal tDCS）的单侧和双侧初级运动皮层（M1）刺激，以及单侧经颅随机噪声刺激（tRNS）。在为人类运动系统研究选择特定NEBS方案之前， 例如在运动学习的背景下，需要考虑方法学方面（安全性、耐受性、盲法）以及概念性方面（特定脑区上蒙太奇或电流类型特异性效应）。三种策略的优缺点如下所示： 表1.

NEBS 类型优势局限性
阳极 tDCS 与 tRNS 的共性安全性高
成本低
易于操作
对皮层兴奋性具有持续效应（最...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

MC 和 JR 由德国研究基金会（DFG RE 2740/3-1）提供支持。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
NEBS 设备（直流刺激器 plus）Neuroconn
电极导线Neuroconn
导电橡胶电极Neuroconn5x5 cm
带孔海绵袋Neuroconn5x5 cm
非导电橡胶海绵盖Amrex-ZetronFG-02-A103橡胶垫 3"*3"
氯化钠等渗溶液 B. Braun Melsungen AG A1151Ecoflac, 0,9%
棉质绉纱绷带Paul Hartmann AG9310048x5m，织物弹性
胶带（Leukofix）BSN medical02122-002,5cm*5m
皮肤准备糊剂Weaver10-30
磁刺激器Magstim3010-00Magstim 200
肌电图导电糊剂GE Medical Systems217083
肌电图双极电极例如，Natus Medical Inc. Viking 4 
肌电图放大器例如，Natus Medical Inc. Viking 4 
肌电图信号传输导线例如，Natus Medical Inc. Viking 4
数据采集单元 Cambridge Electronic Design (CED)MK1401-3模数转换器
用于信号记录和离线分析的计算机
Signal 4.0.9Cambridge Electronic Design (CED)软件
非永久性皮肤标记笔Edding80201 mm，蓝色

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