本文描述了实时脑电图触发的经颅磁刺激技术,用于研究和调控人类大脑网络。
本文描述了实时脑电图触发的经颅磁刺激技术,用于研究和调控人类大脑网络。
刺激对大脑的影响不仅取决于刺激参数,还取决于刺激发生时大脑活动的动态状态。脑电图(EEG)与经颅磁刺激(TMS)相结合,构建实时依赖脑状态的刺激系统,可用于研究脑活动动态、皮层兴奋性与可塑性诱导之间的关系。本文展示了一种新开发的方法,该方法利用实时数据分析系统,将脑刺激的时机与持续进行的脑电振荡相位同步。在人类运动皮层实施这种基于实时脑电触发的经颅磁刺激时,若将TMS与感觉运动区µ-α节律(8–14 Hz)在头皮表面呈现的脑电负向波峰同步,已观察到不同的皮质脊髓兴奋性和可塑性效应。该方法的应用表明,关于瞬时脑状态的实时信息可用于高效诱导神经可塑性。此外,该方法实现了个性化的脑电同步脑刺激,可能推动更有效的治疗性脑刺激方案的发展。
经颅磁刺激(TMS)是一种成熟的非侵入性脑刺激方法 ,能够以高时空精度特异性调节正在进行的脑网络动态,并研究皮质-皮质和皮质-脊髓神经通路1。当刺激初级运动皮层(M1)时,神经反应可量化为运动诱发电位(MEPs)以及TMS诱发的脑电位。MEPs可通过靶肌肉的肌电图(EMG)记录,其幅值反映了刺激初级运动皮层时的皮质脊髓兴奋性2。
尽管非侵入性脑刺激作为一种科学研究工具,在健康受试者和患者中具有研究和调节脑网络的独特潜力,但经颅磁刺激(TMS)研究仍存在显著的试次间以及个体内和个体间反应变异3,4,5。具体而言,在研究皮质脊髓兴奋性和可塑性的TMS实验中,运动诱发电位(MEP)反应以及诱导的类似长时程增强(LTP)或长时程抑制(LTD)的可塑性均表现出高度的内在变异性,即使在刺激参数得到严格控制的情况下也是如此3,4。然而,来自动物研究的证据表明,所观察到的反应变异性并非源于"随机噪声",而是与刺激时刻大脑状态的波动有关6。因此,通过将TMS与脑电图(EEG)结合,采用实时依赖于脑状态的刺激范式(即EEG触发的TMS),可利用瞬时波动的脑状态来优化刺激时机7,8,9,10。
多项研究已利用与经颅磁刺激(TMS)兼容的脑电图(EEG)系统,将正在进行的神经振荡的瞬时相位与神经元兴奋性关联起来11,12。现代脑电放大器能够处理TMS产生的强电磁伪迹,并且EEG与TMS联合使用的实验方案日益成熟13,14 ,同时已有较为完善的TMS相关脑电伪迹的回顾性去除方法15,16。虽然通过EEG评估的刺激前脑状态对TMS诱发反应的影响,可通过随机施加TMS刺激并在事后进行分类分析来评估17,18,但若需在预定义的脑状态下重复施加TMS,则必须依赖实时脑电触发的TMS技术11,19。
本文采用一种定制的毫秒级分辨率的脑电图(EEG)触发经颅磁刺激(TMS)系统,将TMS脉冲与持续脑振荡的预设相位同步,证明了与µ-α节律的正向EEG偏转相比,其负向EEG偏转对应更高的皮层兴奋性状态(导致更大的运动诱发电位(MEP)振幅)11。本论文中,我们介绍了一种用于实施实时EEG触发TMS方案以研究人类脑网络的方法8,11,12,20。
以下部分所述的所有实验程序均经机构伦理委员会批准,符合《赫尔辛基宣言》的指导原则,所有参与者在入组研究前均签署了书面知情同意书。
1. 研究参与者
2. 实验准备
3. 进行实验
在人类初级运动皮层中应用实时脑电图(EEG)触发的经颅磁刺激(TMS),揭示了不同的皮质脊髓兴奋性和可塑性效应。根据上述方案,在随机顺序的三种触发条件下(正峰、负峰和随机相位),同步TMS与内源性感觉运动μ节律的持续脑电振荡相位,实施了实时EEG-TMS。采用拉普拉斯脑电蒙太奇方法,通过将C3脑电电极参考至四个周围电极(FC1、FC5、CP1和CP5)的平均值,提取感觉运动μ节律。图2a显示了在TMS脉冲前400 ms内,三种预定义条件下的平均刺激前EEG信号。从右手肌肉记录到的平均诱发运动诱发电位(MEP)如图2b所示。这些结果表明,与EEG μ节律的正向偏转相比,其负向偏转对应更高的皮层兴奋性状态(导致更大的MEP波幅),且所观察到的皮质脊髓兴奋性效应具有较低的试次间变异性,如图2c所示。

图 1:基于脑状态的脑电相位触发经颅磁刺激。 通过实时数字信号处理系统,逐样本采集位于左侧感觉运动皮层C3电极为中心的五通道拉普拉斯导联方式记录的头皮脑电原始数据。(a) 算法每2 ms对一段500 ms的滑动窗脑电数据进行处理。(b) 经带通滤波及边缘伪迹去除后的信号。(c) 基于自回归预测模型从前一段数据窗口计算得到的前向预测信号(红色轨迹)。在时间零点(“当前时刻”)的相位通过希尔伯特变换进行估计,频谱功率则由该数据窗口估算得出。当达到预设的相位和频谱振幅条件时,触发经颅磁刺激仪。在左侧初级运动皮层施加经颅磁刺激,可在右手肌肉中诱发出通过表面肌电图记录的运动诱发电位(MEPs)。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2: 一名接受左侧M区实时EEG触发TMS的代表性受试者的数据1,靶向该过程的阶段 10 Hz 传感器运动 μ-节律 每次施加一百个刺激,按照三种相位触发条件(正峰、负峰和随机相位)分别结合恒定的最低10 Hz谱功率阈值条件,以随机顺序进行,刺激间间隔约为3秒。采用拉普拉斯脑电图导联方式提取感觉运动 µ-通过将EEG电极C3与周围四个电极(FC1、FC5、CP1和CP5)的平均值进行参照,来提取节律。a三种条件下TMS脉冲前400 ms的平均刺激前EEG信号。b) 记录右侧拇短展肌运动诱发电位(MEP)的平均肌电图(EMG)波形,每种条件各一图。c) 不同触发条件下各试验随时间变化的运动诱发电位(MEP)峰-峰振幅(单位:微伏)。请注意,负相位峰值条件下的 MEP 振幅最大,正相位峰值条件下最小,随机相位条件下介于两者之间。 (d各条件下的平均MEP振幅以均值±标准误的形式用误差线表示。需注意,图中所选参与者的效果尤为明显,仅为示意之用,该效应量不能代表组内平均情况。 请点击此处以查看此图的放大版本。
基于脑状态的脑电触发经颅磁刺激(EEG-triggered TMS)是一种在后续脑刺激效应的有效性和一致性方面具有独特前景的新型方法8,9,31。该方法的主要优势在于,可特异性地针对功能相关的内源性脑状态触发经颅磁刺激(TMS)脉冲,从而诱导出变异性更小、持续时间更长的脑反应11。与非脑状态依赖的TMS相比,在人初级运动皮层(M1)感觉运动µ节律的负相位(即皮质脊髓兴奋性增强的状态,图2)进行实时脑电触发的重复性TMS,可显著增强类似长时程增强(LTP-like)的可塑性(表现为运动诱发电位MEP振幅的长期增加)11,20。除了科学研究价值之外,将实时脑电-TMS技术应用于前额叶背外侧皮层(DLPFC)等皮层区域,有望提升当前治疗性脑刺激方案的有效性。
在本研究中,我们介绍了实现实时 EEG-TMS 的方法学步骤。使用该方法进行实验的基本要求有两点:第一,使用支持 TMS 的 EEG 系统,并具备实时数字输出功能;第二,采用实时信号处理技术,结合相位检测算法24,通过空间滤波器(例如以 C3 为中心的拉普拉斯滤波器)从记录的 EEG 信号中提取目标脑节律(如感觉运动 µ 节律),并在预设条件(即目标脑节律的相位和功率)满足时触发刺激。该算法的性能与准确性在很大程度上依赖于 EEG 记录的信噪比(SNR)20。因此,本方案中的 EEG 准备步骤至关重要,需确保获得高信噪比,以实现 TMS 的精确触发;此外,若某些个体中目标振荡在 EEG 上表现不充分,则可能需要对受试者进行预先筛选。此外,建议使用线圈机械支撑臂和真空枕固定受试者的头部,以尽量减少因线圈对电极施加压力变化而引起的伪迹。
关于实时 EEG-TMS 方法在实验范式中的应用,所关注的脑节律选择可能有所不同。因此,建议调整滤波参数,以促进目标脑活动的识别。近年来,已提出多种空间滤波方法,用于最优提取功能相关的脑状态(例如,在通道空间中19、使用电流源密度13、使用局部空间滤波器11,28,以及使用个体化滤波器,如空间-频谱分解29)。然而,迄今为止,尚无明确的方法能够从头皮 EEG 信号(传感器空间)中提取真实的脑振荡相位(源空间)。未来有必要开展研究,评估头皮信号与源空间信号之间的一致性,以提高实时 EEG 算法的精确性。
在本方案中,我们重点关注8-14 Hz的躯体感觉运动μ节律,以演示该振荡瞬时相位对皮质脊髓兴奋性的影响,但其他振荡(如β、θ或极慢振荡)也可能发挥作用。原则上,该方法可用于靶向任何能够以足够信噪比分离出的振荡相位,包括多个叠加振荡(例如α波的负相周期与同时发生的γ波正相峰值)。
实时脑电图-经颅磁刺激(EEG-TMS)实验的一个主要局限在于,其对脑源的时空分辨率在很大程度上依赖于伪迹的出现情况以及刺激的一致性。因此,该实验方案的关键前提是对算法性能进行监控(即确保刺激仅在检测到神经活动而非伪迹活动时触发)。此外,使用神经导航技术对刺激线圈进行最佳且一致的定位(尤其是在涉及背外侧前额叶皮层(DLPFC)等刺激位点的实验范式中)有助于减少因线圈位置变化导致的反应变异性。还需注意的是,另一个局限是需要配备特定选择和配置的脑电图/肌电图(EEG/EMG)、经颅磁刺激(TMS)及实时处理设备,同时要求实验人员具备准备和实施此类实验的经验,以最大限度地减少可能掩盖即时脑状态效应的外部反应变异性来源。
综上所述,我们展示了一种用于开展实时脑电-经颅磁刺激(EEG-TMS)实验的标准方案,并提出了一种新方法,即利用感兴趣的内源性脑状态(即预先选定的目标内源性脑振荡的相位和功率)来触发脑刺激。未来采用实时EEG-TMS方法的进一步研究将有助于方法学的改进,并推动用于研究和调控人类脑网络的有效实验方案的建立。
C.Z. 和 P.C.G. 的部分经费来自德国联邦经济和能源部的 EXIST 科研转化资助项目(资助号:03EFJBW169)。C.Z. 还兼任非营利性医学创新基金会(Stiftung für Medizininnovationen,德国图宾根)的兼职员工;该基金会的一家子公司正在生产本文所使用的真实时间处理器(Medical Innovations Incubator GmbH,德国图宾根)。
C.Z. 感谢图宾根大学医学院临床科学家项目的支持。U.Z. 感谢德国研究基金会(资助号 ZI 542/7-1)的支持。T.O.B. 感谢德国研究基金会(资助号 BE 6091/2-1)的支持。J.O.N. 感谢芬兰科学院(决策编号 294625 和 306845)的支持。作者感谢图宾根大学开放获取出版基金的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 脑电图和肌电图记录系统 | |||
| 脑电图/肌电图放大器 | NeurOne with Real-time Digital Out, Bittium Biosignals Ltd., Finland | ||
| 经颅磁刺激设备 | MAG & More Research 100, MAG & More GmbH, Munich, Germany | ||
| 软件 | Mathworks Simulink Real-Time (Mathworks Ltd, USA) | ||
| 包含反光头部追踪器、定位指针工具和头部追踪器的立体红外摄像神经导航系统 | |||
| 连接脑电图系统、经颅磁刺激仪、实时设备和神经导航系统的实验控制计算机 | |||
| 脑电图电极、肌电图电极、注射器、磨砂膏和导电凝胶 | |||
| 塑料薄膜和胶带 |