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方法文章

经颅交流电刺激对初级运动皮层的影响：与经颅磁刺激在线联合应用的方法

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DOI：

10.3791/55839

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2017年9月23日

 ,  , 
1School of Psychology, Centre for Cognition and Decision Making, National Research University Higher School of Economics, 2Department of Medicine, Surgery and Neuroscience, Unit of Neurology and Clinical Neurophysiology, Brain Investigation & Neuromodulation Lab. (Si-BIN Lab), Azienda Ospedaliera Universitaria of Siena, 3Department of Experimental Psychology, University of Oxford, 4Centre for Cognition and Decision Making, National Research University Higher School of Economics

本文内容

摘要

经颅交流电刺激（tACS）能够以频率特异性的方式调节皮层兴奋性。本文展示了一种独特的方法，将在线tACS与单脉冲经颅磁刺激（TMS）相结合，通过运动诱发电位来“探测”皮层兴奋性。

摘要

经颅交流电刺激（tACS）是一种神经调控技术，能够通过特定频率的正弦电波形发挥作用，进而调节持续的皮层振荡活动。该神经工具可建立内源性振荡活动与行为之间的因果关系。大多数tACS研究已揭示了tACS的在线效应。然而，由于交流电会在脑电图（EEG）信号中引发干扰伪迹，目前对该技术作用机制的了解仍然有限。本文展示了一种独特的方法，通过单脉冲经颅磁刺激（TMS）探测皮层兴奋性的变化，以研究初级运动皮层（M1）tACS的在线生理频率特异性效应。在本实验设置中，TMS线圈置于tACS电极上方，同时采集运动诱发电位（MEPs），以检测正在进行的M1-tACS的影响。迄今为止，该方法主要被用于研究视觉和运动系统。然而，当前的tACS-TMS联合设置可为未来认知功能的研究开辟新路径。因此，我们提供了该操作流程的分步手册及视频指南。

引言

经颅电刺激（tES）是一种神经调节技术，可通过不同的电流波形调节神经元状态1。在多种tES类型中，经颅交流电刺激（tACS）能够在特定频率范围内施加正弦波外部振荡电位，从而调节感知、运动和认知过程背后的生理性神经活动2。利用tACS，可研究内源性振荡活动与脑功能之间潜在的因果关系。

在活体（in vivo）条件下，已有研究表明，神经元的脉冲放电活动在不同驱动频率下会同步发生，提示神经元放电可被外加电场所“夹带”（entrained）3。在动物模型中，微弱的正弦经颅交流电刺激（tACS）能够夹带广泛皮层神经元群的放电频率4。在人类中，tACS 与在线脑电图（Electroencephalography, EEG）结合，可通过频率特异性地与脑节律相互作用，诱导内源性振荡活动产生所谓的“夹带”（"Entrainment"）效应5。然而，由于交流电诱发的伪迹问题，将 tACS 与神经影像技术结合以更深入理解其在线作用机制仍存在争议6。此外，在未使用环形电极的情况下，无法直接记录刺激靶区上方的 EEG 信号，而环形电极本身也是一种存在争议的解决方案7。因此，目前针对该主题的系统性研究仍显不足。

迄今为止，关于经颅交流电刺激（tACS）在刺激停止后的持续效应，尚无明确证据。仅有少数研究表明，tACS对运动系统存在微弱且不明确的后效应8。此外，脑电图（EEG）证据也尚未清晰阐明tACS的后效应9。另一方面，大多数tACS研究均显示出显著的在线效应10,11,12,13,14,15,16,17,18，但由于技术限制，这些效应在生理层面难以测量。因此，本方法的总体目标是提供一种替代性方法，通过施加单脉冲经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation, TMS），来检验tACS对初级运动皮层（M1）的在线效应及频率依赖性效应。TMS使研究人员能够"探测"人类运动皮层的生理状态19。此外，通过记录受试者对侧手的运动诱发电位（Motor Evoked Potentials, MEP），我们可以研究正在进行的tACS的影响11。该方法使我们能够以无伪迹的方式，在不同频率的在线电刺激过程中，通过测量MEP幅值，精确监测皮质脊髓兴奋性的变化。此外，该方法还可用于检验tES其他任意波形的在线效应。

为了验证tACS与TMS的联合效应，我们将采用在初级运动皮层（M1）施加20 Hz交流刺激的实验方案，同时在线使用神经导航单脉冲TMS，以3至5秒的随机间隔进行刺激，以检测M1皮层兴奋性。

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方案

所有实验程序均经莫斯科高等经济学院（HSE）当地研究伦理委员会批准，并获得所有参与者的知情同意。

注意：受试者必须无体内植入金属装置、神经系统或精神疾病、药物滥用或酗酒史。经颅磁刺激（TMS）的使用需遵循最新的安全指南20。受试者必须充分了解研究的性质，并在实验开始前签署知情同意书。我们展示了通过刺激优势半球初级运动皮层（M1）实施在线联合经颅交流电刺激-经颅磁刺激（tACS-TMS）方案所需的全套设备（图1；材料表）。

1. 采用双极腹肌-肌腱导联方式放置肌电图（EMG）电极

  1. 在所有电极下方使用清洁磨砂膏清洁皮肤，以获得较低的皮肤阻抗（低于 10 kOhm）。
  2. 将主动肌电图电极置于第一背侧骨间肌（FDI），参考电极置于远端 2 cm 处的骨骼上，接地电极置于手臂更近端的位置。

2. 确定刺激方案的靶点

注意：此处我们使用无框架 TMS 导航系统来实现 TMS 线圈的准确定位。

  1. 将追踪传感器放置于受试者眉毛之间的眉间区域，即鼻子上方。
  2. 打开导航系统软件，导入受试者个体的结构T1加权磁共振成像（MRI）数据，并通过导航系统完成受试者头部与三维MRI头部模型的共配准。
  3. 将线圈精确地放置于初级运动手区，即所谓的"运动隆起"区域（图2）。
  4. 开始施加单脉冲经颅磁刺激（TMS）并检测运动诱发电位（MEPs）；TMS由连接标准的75毫米双圆形线圈的刺激器（见材料表）产生。为定位左侧M1区的"热点"，应将线圈与头皮呈切线方向放置，手柄朝后外侧，与受试者头部中线矢状轴成45°角。
  5. 一旦找到热点（即在对侧目标手部肌肉引出阈值水平运动诱发电位的头皮位置），用铅笔标记该点，以便后续准确定位经颅交流电刺激（tACS）目标电极的位置。

3. tACS 电极准备

  1. 连接两个表面用生理盐水浸湿的海绵电极（尺寸：5 cm × 7 cm）至刺激装置，该装置可产生交流电例如， 脑刺激
  2. 为尽量减少皮肤感觉，需在整个刺激过程中持续用生理盐水饱和电极，以保持阻抗低于10 kOhm。

4. tACS 协议设置

  1. 使用刺激设备设置tACS协议时，首先检查电池状态。
  2. 使用软件打开一个新会话，并设置一个新的刺激方案。
    1. 命名该实验方案（例如， "β").
    2. 设置刺激频率（例如， 20 Hz
    3. 选择波形（例如， 正弦波形
    4. 设置刺激方案的总持续时间（例如， 600 s
    5. 最后，设置刺激强度（例如， 1 mA），设置偏移量、淡入、淡出及相位 "0".
      注意：建议设置约 30 秒的刺激渐入和渐出时间，以避免受试者出现任何不良或不适的神经感觉效应。
    6. 激活设备的 "蓝牙" 将程序从软件中上传至刺激器并启动功能。

5. tACS 电极布局

  1. 将"靶点"电极放置于头皮上标记的相应位置。使用专用粘性胶带将"参考"电极放置于同侧肩部，构成"单极导联"21。
  2. 根据神经导航头传感器的位置，仔细调整头部第一条弹性绑带的位置；然后使用第二条绑带固定靶点电极的位置。
  3. 当经颅交流电刺激（tACS）电极均放置于头皮和同侧肩部后，将其连接至刺激仪。
  4. 在开始刺激前，通过目视检查确保靶点电极的位置准确对准标记的热点区域。

6. 确定静息运动阈值（RMT）

  1. 将TMS线圈置于目标tACS电极上方，并仔细调整线圈位置，使其对准热点（图3) 通过使用神经导航系统。
  2. 根据联合 tACS-TMS 设置测量 RMT即， TMS 线圈置于电极上方）。具体而言，应根据 tACS 电极的厚度调整 TMS 刺激强度，以确认获得可靠的静息运动阈值（RMT）。
    1. 单独测量RMT，定义为在10次试验中至少有5次在FDI肌肉中诱发出峰-峰振幅为50 mV的MEP所需的最小刺激强度22.
  3. 将经颅磁刺激（TMS）的刺激强度设定为静息运动阈值（RMT）的110%，以开始实验阶段。

7. 实验步骤

  1. 打开肌电图（EMG）软件并开始记录肌电图信号。
  2. 开始tACS刺激。
  3. 刺激过程中，以3至5秒的随机间隔给予TMS单脉冲。
  4. 确保每次刺激会话（例如， 20 Hz tACS 刺激后接假刺激/另一种控制频率刺激，每次持续时间不超过90秒，刺激间间隔约为3分钟，以避免前一次刺激频率/条件可能产生的遗留效应11,13.

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结果

Kanai 等 在2010年首次展示了经颅交流电刺激（tACS）与经颅磁刺激（TMS）联合应用的证据。在该研究中，作者在初级视觉皮层（V1）上施加tACS，证明了通过在线TMS诱导的光幻视感知所测量的视觉皮层兴奋性存在频率特异性调节15。Feurra 等 在2011年采用了一种更为精细的实验方案，用于研究运动皮层兴奋性的生理调节。为此，他们在持续施加tACS的同时，记录单脉冲TMS诱发的运动诱发电位（MEPs）（图4）。作者报告了首个因果性证据，表明20 Hz的刺激能够增强相对于其他对照频率、对照部位（顶叶刺激）和对照实验（外周尺神经实验）的皮质脊髓输出，从而可能对M1区固有的静息Beta节律（约20 Hz）产生同步化作用11（图5）。

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讨论

该方法提供了一个独特的机会，可通过记录运动诱发电位（MEPs）来测量皮质脊髓输出，从而直接检验对初级运动皮层进行经颅交流电刺激（tACS）的在线效应。然而，将经颅磁刺激（TMS）线圈放置在tACS电极上方是一个关键步骤，必须准确执行。因此，我们首先建议实验者通过单脉冲TMS确定靶点位置，然后在头皮上标记该点，之后再将tACS电极放置于该热点区域。此外，神经导航系统的使用对于精确定位单脉冲TMS的最佳靶点至关重要。在开始实验前，需确保受试者不存在任何经颅电刺激（tES）24和经颅磁刺激（TMS）20的禁忌症。

此外，经颅交流电刺激（tACS）电极在经颅磁刺激（TMS）线圈下的厚度和位置可能导致静息运动阈值（RMT）与标准操作流程下的结果不同。因此，在TMS线圈已放置于tACS电极上方后，测量RMT尤为重要。

TMS-tACS在线方法在基础研究和临床应用方面均代表了一项技术进步。由于大多数tACS证据表明，其效应在刺激期间显著，而在刺激...

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究由俄罗斯科学基金会资助（合同编号：17-11-01273）。特别感谢俄罗斯联邦莫斯科国立研究型高等经济大学多功能电视技术创新中心的 Andrey Afanasov 及其同事在视频录制与视频编辑方面提供的支持。

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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
BrainStim 高分辨率经颅刺激器E.M.S., 博洛尼亚, 意大利EMS-BRAINSTIM
用于连接导电硅胶电极的1.5米长电缆对E.M.S., 博洛尼亚, 意大利EMS-CVBS15
可重复使用导电硅胶电极 50×50 mmE.M.S., 博洛尼亚, 意大利FIA-PG970/2
可重复使用Spontex海绵电极 50×100 mmE.M.S., 博洛尼亚, 意大利FIA-PG916S
橡胶绑带 – 75 cmE.M.S., 博洛尼亚, 意大利FIA-ER-PG905/8
塑料无创按钮E.M.S., 博洛尼亚, 意大利FIA-PG905/99
BrainstimE.M.S., 博洛尼亚, 意大利
MagPro X100 MagOption - 经颅磁刺激器MagVenture, 法鲁姆, 丹麦9016E0731
8字形线圈 MC-B65-HO-2MagVenture, 法鲁姆, 丹麦9016E0462
带颈托的座椅MagVenture, 法鲁姆, 丹麦9016B0081
Localite TMS Navigator - 导航平台，高级版Localite, GmbH, 德国21223
Localite TMS Navigator - 基于磁共振的软件，用于导入形态学磁共振图像数据（DICOM, NifTi）Localite, GmbH, 德国10226
MagVenture 24.8 线圈追踪器，Geom 1Localite, GmbH, 德国5221
表面肌电图电极导线 EBNeuro, 意大利 6515
脑电图/肌电图用表面电极 EBNeuro, 意大利 6515
BrainAmp ExG 放大器 - 双极放大器 Brain Products, GmbH, 德国
 BrainVision Recorder 1.21.0004 Brain Products, GmbH, 德国
Nuprep 皮肤准备凝胶 Weaver and Company, 美国
注射器
胶带
NaCl 溶液

参考文献

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