背外侧前额叶皮层的经颅磁刺激联合脑电图记录

摘要

本文所述方案适用于采用皮层内兴奋性测试-重测设计范式的经颅磁刺激-脑电图（TMS-EEG）研究。该方案旨在获得可靠且可重复的皮层兴奋性测量指标，用于评估与神经精神疾病（如重度抑郁症）治疗中治疗干预相关的神经生理功能。

摘要

经颅磁刺激（TMS）是一种非侵入性方法，通过短暂、随时间变化的磁场脉冲在皮层中诱发神经兴奋。皮层激活的启动或其调节取决于被激活皮层区域神经元的背景激活状态、线圈的特性、其相对于头部的位置和方向。结合同步脑电图（EEG）和神经导航技术的经颅磁刺激（nTMS-EEG）能够以可重复的方式评估几乎所有皮层区域的皮层-皮层兴奋性和连接性。这一进展使nTMS-EEG成为一种强大工具，可在临床试验所需的重测-再测范式中精确评估脑动态和神经生理学。该方法的局限性包括会掩盖刺激后初始脑反应的人工伪迹，因此在去除伪迹的过程中可能同时丢失有价值的信息。此外，背外侧前额叶（DLPFC）刺激的最佳参数尚未完全明确，目前的方案多借鉴自初级运动皮层（M1）刺激的范式。然而，不断发展的nTMS-EEG设计有望解决这些问题。本文介绍的方案提出了一些针对DLPFC刺激以评估神经生理功能的标准操作流程，可用于接受经颅直流电刺激（tDCS）、重复经颅磁刺激（rTMS）、磁抽搐治疗（MST）或电休克治疗（ECT）等治疗的难治性精神疾病患者。

引言

经颅磁刺激（TMS）是一种神经生理学工具，可通过快速、随时间变化的磁场脉冲无创评估皮层神经元活动¹。这些磁场脉冲在刺激线圈下方的浅层皮层中诱导产生微弱电流，导致细胞膜去极化。随后的皮层激活或调节效应与线圈的特性、其相对于颅骨的角度和方向直接相关²。线圈释放脉冲的波形以及神经元的基线状态也会影响最终的皮层激活效果³。

经颅磁刺激（TMS）可通过诱发行为或运动反应，或通过中断与任务相关的脑内处理过程，来评估皮层功能。皮质脊髓通路的兴奋性可通过记录单脉冲TMS作用于运动皮层时诱发的肌电图（EMG）反应进行评估；而皮层内兴奋性机制（皮层内易化，ICF）和抑制性机制（短时程与长时程皮层内抑制，SICI和LICI）则可通过双脉冲TMS进行探测。重复性TMS可干扰多种认知过程，但主要被用作多种神经精神疾病的治疗工具。此外，将TMS与同步脑电图（TMS-EEG）结合，可用于评估皮质-皮质间的兴奋性与功能连接⁴。最后，若TMS施加过程中采用神经导航技术（nTMS），则可精确记录刺激的确切位置，从而实现可靠的重复测试范式。大脑皮层的大部分区域均可被定位并刺激（包括那些不产生可测量的生理或行为反应的区域），因此可实现对皮层功能的系统性定位 mapping。

单脉冲或成对脉冲经颅磁刺激（TMS）诱发的脑电图（EEG）信号可促进对皮质-皮质连接性⁵以及大脑当前状态的评估。TMS诱导的电流可产生动作电位，从而激活突触。突触后电流的分布可通过EEG记录⁶。当使用多通道EEG并考虑头部的导电结构时，可通过偶极子建模⁷或最小范数估计⁸方法，利用EEG信号对突触电流分布进行量化和定位。联合TMS-EEG技术可用于研究皮质抑制过程⁹、脑振荡¹⁰、皮质-皮质¹¹及半球间相互作用¹²，以及皮质可塑性¹³。尤为重要的是，TMS-EEG能够在认知或运动任务期间探测兴奋性的变化，且具有良好的重测信度^14,15。此外，TMS-EEG在重测设计中具有识别可能作为治疗干预反应预测指标的神经生理信号的潜力（如重复经颅磁刺激rTMS或药物效应）^16,17。

经颅磁刺激（TMS）中神经导航的原理基于无框架立体定向技术。该系统采用一种光学追踪系统¹⁸，利用发射光线的摄像头与附着在受试者头部（通过参考追踪器）和TMS线圈上的反光光学元件进行通信。神经导航借助数字化参考工具或定位笔，实现线圈在三维MRI模型上的精确定位。使用神经导航有助于记录线圈的方向、位置及其与受试者头部的对准情况，同时可实现脑电图（EEG）电极位置的数字化。这些功能对于重复测试设计实验以及对背外侧前额叶皮层内特定位置进行精确刺激至关重要。

为了在重测实验中使用经颅磁刺激-脑电图（TMS-EEG）方案，必须对皮层区域进行准确定位和一致的刺激，以获得可靠的信号。TMS-EEG记录容易受到多种伪迹的干扰。TMS在EEG电极上诱发的伪迹可通过具备延迟后恢复能力的放大器^19,20或不会饱和的放大器²¹进行滤除。然而，还需考虑由眼球运动或眨眼、EEG电极附近颅部肌肉激活、电极随机移动及其极化、线圈咔嗒声或躯体感觉所引起的其他类型伪迹。应通过仔细的受试者准备来尽量减少这些伪迹，包括确保电极阻抗低于5 kΩ、固定线圈位置以避免电极移动、在线圈与电极之间放置泡沫以减少振动（或使用间隔器消除低频伪迹²²）、佩戴耳塞，甚至采用听觉掩蔽技术²³。本文介绍的方案提供了一种标准化流程，用于评估刺激施加于背外侧前额叶皮层（DLPFC）时的神经生理功能。重点是已在M1区研究中得到验证的常用双脉冲范式^9,15,16。

方案

本文所述所有实验程序均已获得本单位伦理委员会批准，符合《赫尔辛基宣言》的指导原则。

1. 用于神经导航经颅磁刺激—脑电图的头部注册

1. 为每位受试者获取高分辨率的全脑T1加权结构MRI图像。按照神经导航设备制造商的指南进行扫描。
2. 将图像上传至导航系统。检查MRI图像是否正确扫描。选择基准点（耳前点、鼻根点和鼻尖）。根据解剖结构或头部坐标（MNI或Talairach坐标）插入刺激靶点。
3. 放置头部追踪器，确保其在刺激过程中不会移动，并允许TMS线圈自由移动。在开始注册前，让受试者佩戴耳塞。
4. 将受试者的头部与3D MRI模型对齐。使用数字化笔触碰受试者头部，对应于MRI图像序列中选定的基准点。在头部的顶叶、颞叶和枕叶区域选择并标记额外的点，以降低这些区域的注册误差。
5. 验证注册结果。将数字化笔放置在受试者头部，检查其在计算机上的显示位置。如果其未对准MRI中的相应位置，则重复步骤1.4。
6. 校准正在使用的TMS线圈（某些系统中此步骤不需要）。
   1. 将追踪器安装到线圈上。
   2. 将线圈放置在校准块上，确保所有追踪器均可被摄像头看到。
   3. 按下计算机屏幕上的校准按钮，并保持线圈在校准位置5秒。

2. TMS-EEG 实验

1. 将脑电图帽戴在头部并准备电极
   1. 选择一个适合头部的帽罩。确保所有电极均紧密接触头皮并能正常工作。如果超过两个电极无法使用，则更换为相同尺寸或更小尺寸的另一顶帽罩。
   2. 将Cz电极置于头顶点，位于鼻根与枕外隆凸连线的中点，以及位于枕外隆凸上方的Iz电极之间的中点处。
      ​注意：为进行眼电图（EOG）记录，放置垂直电极（位于刺激眼对侧眼睛的上方和下方）和/或水平电极（位于左眼左侧和右眼右侧，略高于两侧颧骨）。
   3. 调整注射器的钝头端，并吸入导电凝胶。将钝头端插入电极孔内，轻轻按压活塞凸缘，直至皮肤上有少量凝胶渗出。使用钝头端以十字交叉方式轻轻擦拭头皮。确保凝胶不会溢出到电极表面，以免造成桥接（电极间短路）。
2. 放置肌电图电极。在右侧拇短展肌（APB）上放置两个一次性圆盘电极（直径约30 mm），采用肌腹-肌腱导联方式。根据制造商的指南放置接地电极。
3. 开始头部定位注册。按照步骤1.3–1.6操作。使用DLPFC的MNI或Talairach坐标。
4. 热点与运动阈值。
   1. 在刺激线圈下方放置一块海绵（由聚氨酯制成的人工纤维），以尽量减少经颅磁刺激（TMS）脉冲期间线圈在电极上的振动。注意，海绵厚度应约为10 mm。
   2. 指导受试者保持静息状态——身体舒适，手、腿和脊柱放松。
   3. 找到热点。定位电机旋钮²⁴ 以第一骨间背侧肌（APB）在初级运动皮层（M1）中的初始皮层表征位置为定位标志，移动线圈直至引发相应的APB肌肉运动。采用经颅磁刺激（TMS）强度，使在APB处诱发出的运动诱发电位（MEP）幅值约为500 µV。通过调整线圈的角度和倾斜度，优化线圈方位，以在热点位置诱发出最大反应。
   4. 在神经导航软件中保存线圈位置，并以2–3%的幅度逐步降低输出强度。给予10次脉冲，若在10次运动诱发电位（MEP）反应中超过5次的幅度超过50 µV，则继续降低刺激强度。
   5. 当10次刺激中诱发出的反应少于5次时，以1%–2%的增幅逐步提高刺激强度。运动阈值（MT）定义为在10次刺激中至少5次诱发出幅值超过50 µV的运动诱发电位（MEP）所需的刺激强度。²⁵刺激间期（ISI）对于MT应长于1秒，通常设置为3、4或5秒。
5. 使用以下步骤调节强度：
   1. 从120%的MT强度开始，以产生来自M1的500至1,500 µV的MEP。使用该刺激器输出记录10次脉冲，使平均反应达到1 mV。以1–2%的步长增加或减少刺激强度，直至平均反应达到1 mV。
   2. 对于刺激强度，选择刺激器输出强度的百分比作为刺激强度， 例如., 110%, 120%, 等等.
   3. 若系统允许，找到相应的感应电场（单位：V/m）。将线圈置于背外侧前额叶皮层（DLPFC）上方，调节刺激器输出，直至在相同皮层深度下，DLPFC处感应电场的计算值与初级运动皮层（M1）处相同。
6. 对脑电图电极进行数字化，以将其位置注册到脑解剖结构上。
   注意：此步骤对于定位神经元激活的分布以及在后续实验中精确重新定位电极位置至关重要。
7. 记录TMS-EEG
   1. 将耳塞更换为带通气管的耳塞，以连接音频掩蔽装置例如如有条件，可使用白噪声等音频掩蔽，并在其上佩戴耳机。仅在经颅磁刺激（TMS）脉冲传递期间播放音频掩蔽。
      注意：此步骤可在不播放音频掩蔽且小心不移动头部追踪器的情况下，应用于步骤 2.4.2。
   2. 将线圈安装在线圈支架上，并确保线圈不会移动或压迫其下方的电极。确保电极与线圈之间放置有海绵。
   3. 移除所有处于参与者视线范围内的活动屏幕。指导参与者注视一个固定点，在经颅磁刺激（TMS）施加过程中保持头部位置不动，并在TMS脉冲之间避免眨眼。
   4. 关闭所有荧光灯。对每位受试者以随机顺序进行单脉冲经颅磁刺激（TMS）、短间隔抑制（SICI）、间期促进（ICF）和长间隔抑制（LICI）的测试。共给予100次单脉冲和配对脉冲。使用3–4秒（±20%）的不同刺激间间隔（ISI），或采用3–5秒的固定间隔（参见注释）。每种条件之间安排3–5分钟的休息时间，以便受试者放松和伸展。
      注意：SICI 和 ICF 采用配对脉冲 TMS 范式，包括一个阈下 conditioning stimulus（CS）和一个阈上 test stimulus（TS）。本方案中使用的 CS 为运动阈值（MT）的 80%，TS 则设定为诱发 1 mV 峰-峰 MEP 幅值的刺激强度²⁶最佳SICI的脉冲间间隔为2 ms，而ICF则为12–13 ms²⁷LICI 范式包括使用超阈值的条件刺激（CS），其强度为诱发 1 mV 峰-峰幅值 MEP 的强度，随后在 100 ms 的脉冲间间隔下，再次使用诱发 1 mV 峰-峰幅值 MEP 的超阈值测试刺激（TS）。单脉冲和双脉冲范式的刺激间间隔（ISI）由刺激器的充电时间（本系统允许每 4 秒给予一次双脉冲）、实验会话次数（较长的实验需要较短的 ISI 以避免给受试者带来过重负担）以及后续分析需求共同决定。在本研究中，由于刺激器的限制，并且为了获得足够多的低频段（theta 节律）周期以进行时频分析和功率谱分析，我们采用了固定的 5 s ISI。

结果

图1A展示了1名健康志愿者在每次会话中对F3电极处的背外侧前额叶皮层（DLPFC）进行刺激后，经100次重复平均得到的经颅磁刺激（TMS）诱发电位。本图中，我们重点展示了条件刺激（CS）对测试刺激（TS）的影响，与仅单独施加TS的单脉冲条件进行比较。即使在单个受试者中，CS也能明显调节N100偏转。在短间隔抑制（SICI）和长间隔抑制（LICI）会话中，N100通常较单脉冲（SP）条件在绝对值上增大，而在易化间期（ICF）中则减小¹⁶。在图1B中，SP、SICI和ICF范式下N100成分的拓扑分布呈双侧定位，这与既往多项研究结果一致^16,17,28

讨论

TMS-EEG 能够直接且无创地刺激大部分皮层区域，并以极佳的空间-时间分辨率获取由此产生的神经元活动³⁰，尤其是在使用神经导航技术时。这一方法学进展的优势在于，TMS诱发的EEG信号源自神经电活动，可作为皮层-皮层兴奋性的指标。这种方法在神经精神疾病患者群体中具有巨大潜力，TMS-EEG 可用作当前及未来治疗干预的生物标志物。

该方案中最关键的步骤是电极的准备以及刺激强度的确定。这是因为无论使用何种放大器，TMS-EEG信号都容易受到TMS伪迹的影响³¹。电极必须非常仔细地制备，以避免彼此之间发生桥接，同时将阻抗保持在5 kΩ以下，并确保信噪比较高。此外，在线圈下方放置厚度为5-10 mm的人工聚氨酯纤维海绵，可进一步减少机械压力以及线圈“咔嗒”声通过骨传导产生的伪迹。

运动阈值（MT）决定经颅磁刺激（TMS）的刺激强度；因此，应精确测量MT，因为较高的强度会导致更大的伪迹和更不集中的刺激，而较低的强度可能导致信号非常微弱。因此，...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
CED Micro1401-3	Cambridge Electronic Design Limited	CED Micro1401-3	数字数据记录仪
BISTIM'2 Package Option 1	Magstim	3234-00	经颅磁刺激双脉冲刺激器
Magstim 200'2 Unit (2 items)	Magstim	3010-00	经颅磁刺激刺激器
UI controller	Magstim	3020-00	经颅磁刺激控制器
BISTIM'2 UI controller	Magstim	3021-00	经颅磁刺激控制器
BISTIM connecting module	Magstim	3330-00	经颅磁刺激连接模块
D70 Alpha Coil - P/N 4150-00 (Alpha 70 mm double coil)	Magstim	4150-00	经颅磁刺激线圈
Brainsight	Rogue-Resolutions	Brainsight 2	神经导航系统
Model 2024F	Intronix	2024F	肌电图仪
Neuroscan SynAmps RT 64 channel System	Compumedics Neuroscan	9032-0010-01	脑电图仪
Quick-Cap electrode system 64	Compumedics Neuroscan	96050255	脑电帽