静息态功能连接磁共振成像已发现，包括因大脑皮层发育畸形所致癫痫在内的多种神经精神疾病患者均存在异常。经颅磁刺激联合脑电图可证实，癫痫患者在功能连接异常的脑区表现出皮层过度兴奋性。
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摘要
摘要
静息态功能连接磁共振成像（rs-fcMRI）是一种基于血氧水平依赖信号随时间变化的相关性，来识别不同脑区之间连接性的技术。rs-fcMRI 已被广泛应用于识别多种神经及精神疾病中脑连接性的异常。然而，rs-fcMRI 所检测到的功能连接异常与脑电生理活动及疾病状态之间的关系尚不明确，部分原因在于功能连接改变在疾病病理生理过程中的因果意义尚未确立。经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation, TMS）是一种利用电磁感应无创地引起皮层活动局部变化的技术。当与脑电图（electroencephalography, EEG）结合使用时，TMS 可用于评估大脑对外部扰动的反应。本文提供了一种联合应用 rs-fcMRI、TMS 和 EEG 的实验方案，用于评估神经精神疾病患者中功能连接改变的生理学意义。我们展示了此前一项已发表研究的代表性结果，该研究利用 rs-fcMRI 识别出因皮层发育畸形——脑室旁结节状异位（periventricular nodular heterotopia, PNH）所致癫痫患者脑内存在异常连接的区域。在癫痫患者中进行刺激后，相较于在匹配的健康对照个体相同位点的刺激，其 TMS 诱发的脑电活动表现出异常，具体表现为 TMS 诱发电位晚期成分异常增强，提示皮层高兴奋性。这种异常仅出现在具有静息态功能连接异常的脑区。在一例既往记录到癫痫发作的受试者中，电生理源分析显示，异常的 TMS 诱发活动起源部位与癫痫发作起始区共定位，提示存在致痫性神经环路。这些结果表明，rs-fcMRI、TMS 与 EEG 可联合用于识别并理解人类疾病中异常脑连接的生理学意义。
引言
经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS）是一种通过电磁感应非侵入性刺激大脑皮层区域的技术。在TMS中，利用强而空间局限的磁通量在目标皮层区域诱导产生电场，从而调节其下神经组织的活动。对运动皮层施加TMS可引发可在外周通过肌电图（electromyography, EMG）测量的运动诱发电位。当以成对或三联脉冲形式应用时，TMS可用于评估特定皮层内GABA能和谷氨酸能环路的活动状态。1-3，从而评估兴奋与抑制的平衡状态 体内 在癫痫患者中，经颅磁刺激（TMS）研究已表明，癫痫患者的皮层存在过度兴奋性4,5，并可能随着抗癫痫药物治疗的成功而恢复正常，从而预测对药物的治疗反应6此外，单次发作患者的皮层兴奋性经颅磁刺激（TMS）测量结果显示为中间值7 以及特发性全面性癫痫和获得性局灶性癫痫患者的手足8这些发现表明，经颅磁刺激（TMS）对皮层兴奋性的测量可能有助于我们识别癫痫的内表型。然而，这些测量指标的敏感性和特异性有限，原因可能是TMS-EMG只能通过刺激运动皮层环路进行评估，而许多癫痫患者的发作灶位于运动皮层之外。
脑电图（EEG）可直接测量大脑对经颅磁刺激（TMS）的反应，并可用于评估新皮层广泛区域的大脑反应性。整合TMS与EEG的研究（TMS-EEG）表明，TMS可引发在皮层中持续传播的活动波，且这些....
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方案
本方案已获得贝斯以色列女执事医疗中心和麻省理工学院机构审查委员会的批准。
1. 受试者选择
- 研究方案的患者筛选
- 确定患有活动性癫痫（过去一年内有癫痫发作）或远期癫痫史（既往有癫痫发作，但在过去五年内无论是否服用药物均无发作）且脑结构影像显示室管膜下结节状灰质异位的患者。
- 排除无任何癫痫发作史的患者。同时排除癫痫发作有其他可能病因的患者（例如， 创伤性脑损伤、中风、脑膜脑炎病史）或脑电图发现符合其他诊断的情况（例如， 特发性全面性癫痫，内侧颞叶癫痫
- 排除患有其他神经系统或精神疾病，或任何其他不稳定医学状况的患者。同时排除有既往脑部手术史、无法耐受磁共振成像（MRI）、近期使用非法药物或大量饮酒，或存在特定 MRI 禁忌症的患者。46 或 TMS47 禁忌证
- 健康对照受试者的选择
- 对于每位PNH患者（在我们先前已发表的研究中）37，8名患者，年龄20 - 43岁，平均30.25岁；男性3名，女性5名），匹配年龄和性别相一致的健康对照。
- 排除患有任何当前存在的神经系统或精神疾病、正在使用精神活性药物、存在其他不稳定医学状况、有既往脑部手术史、无法耐受磁共振成像（MRI）、滥用违禁药物或大量饮酒，或存....
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结果
静息态功能连接fMRI可用于识别与异位室管膜周围灰质结节表现出高功能连接性的皮层区域（图1），以及无此类连接性的对照区域。为了确定这种异常功能连接是否具有生理学意义，可将具有相关静息态活动的皮层区域选为神经导航经颅磁刺激（TMS）的“连接”靶点，并将诱发的脑电图（EEG）结果与同一患者中对非连接对照靶点刺激所产生的EEG电位进行比较。此外，可在健康对照受试者中靶向相同区域（图2），以确定在PNH患者中观察到的异常功能连接是否与其临床癫痫综合征具有病理生理学意义。具体而言，可通过计算全局平均场电位的归一化曲线下面积，并评估该值在癫痫患者中是否大于其匹配对照，从而在个体患者水平上评估皮层高兴奋性的存在（图2）。对癫痫患者TMS诱发的异常晚期峰进行源定位，可识别异常活动产生的脑区，并可能在空间上与患者的癫痫发作起始区共定位（图3）。
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讨论
静息态功能连接磁共振成像已被用于识别人脑中的网络连接，以及不同疾病状态下发生的连接改变26,31,32。然而，由于fMRI功能连接依赖于对BOLD信号相关性的识别，而血氧变化与潜在的神经活动之间存在复杂的关系，因此这些fMRI连接发现的因果意义和生理相关性尚不明确。经颅磁刺激（TMS）能够对特定皮层区域的脑活动进行空间和时间上的靶向调控；当与脑电图（EEG）结合使用时，TMS可用于评估大脑不同区域对刺激的响应。因此，可将TMS-EEG应用于fMRI功能连接发生改变的脑区，以评估所观察到的连接改变是否具有可对应的生理基础，从而可能与潜在疾病的病理生理机制相关联。
本文介绍了一种利用基于脑连接引导的经颅磁刺激联合脑电图（TMS-EEG）技术，评估因脑发育畸形——室周结节状异位——所致癫痫患者皮层兴奋性的实验方案，该疾病与异常功能连接网络的形成相关37。本方案用于证明，活动性癫痫患者存在皮层高兴奋性，且这种高兴奋性特异性地出现在静息态功能磁共振成像（fMRI）功能连接发生改变的脑区，并可在单个受试者水平上进行评估。在一例既往脑电图记录到癫痫发作.......
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披露
MMS、SWG、CJC 和 BSC 无任何利益冲突需要披露。APL 任职于 Nexstim、Neuronix、Starlab Neuroscience、Neuroelectrics 和 Neosync 的科学咨询委员会，并且是多项已授权和待审专利的发明人，这些专利涉及经颅磁刺激（TMS）与脑电图（EEG）及磁共振成像（MRI）实时整合的技术。
致谢
作者谨此感谢 Emily L. Thorn（文学学士）在“诱发电活动源估计”部分提供的协助。MMS 获哈佛催化剂/哈佛临床与转化科学中心（Harvard Catalyst/The Harvard Clinical and Translational Science Center）的 KL2/Catalyst 医学研究研究员培训项目资助（美国国立卫生研究院资助号 KL2 TR001100，来自国家研究资源中心和国家转化科学促进中心）。CJC 获美国国立卫生研究院资助（资助号 5K12NS066225）。APL 的部分资助来自 Sidney R. Baer Jr. 基金会、美国国立卫生研究院（资助号 R01 HD069776、R01 NS073601、R21 MH099196、R21 NS082870、R21 NS085491、R21 HD07616）以及哈佛催化剂/哈佛临床与转化科学中心（NCRR 和 NCATS，NIH UL1 RR025758）。BSC 获美国神经疾病与中风研究所资助（R01 NS073601）。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3T MRI 扫描仪 | |||
| MRI 功能连接性软件 | |||
| MRI 图像查看软件 | MRICron | ||
| 经颅磁刺激仪 | Nexstim | eXimia Stimulator | 可使用其他供应商的刺激仪，例如，Magventure、Magstim |
| MRI 神经导航系统 | Nexstim | NBS v3.2.1 | 替代性 MRI 神经导航系统，例如，Brainsight、Localite |
| 兼容 TMS 的 EEG 系统 | Nexstim | Eximia EEG | 替代产品：Brain Products、Synamps、ANT |
| Matlab | Mathworks | R2012b | 替代软件：Octave |
| EEGLab | |||
| 最小范数估计（Minimum Norm Estimate, MNE）软件 | |||
| FreeSurfer |
参考文献
- Florian, J., Müller-Dahlhaus, M., Liu, Y., Ziemann, U. Inhibitory circuits and the nature of their interactions in the human motor cortex a pharmacological TMS study. J. Physiol. 586 (2), 495-514 (2008).
- Rotenberg, A.
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重印与许可
