导航重复经颅磁刺激用于语言皮层定位的研究设计

摘要

导航重复经颅磁刺激是一种高效、无创的工具，可用于绘制与语言相关的皮层区域。它有助于设计脑部手术方案，并加快手术过程中进行的直接皮层刺激。本报告介绍了如何可靠地进行术前评估和研究中的语言皮层定位。

摘要

在进行脑肿瘤或药物难治性癫痫手术前，应可靠地表征参与人类言语功能的皮层区域。通常通过有创的电直接皮层刺激（DCS）对语言功能区进行功能定位，以确定每位患者关键皮层及皮层下结构的组织方式。准确的术前无创功能定位有助于手术规划，减少手术室中的时间、成本和风险，并为不适合清醒开颅手术的患者提供替代方案。目前，MRI、fMRI、MEG和PET等无创成像方法已应用于术前设计与规划。尽管解剖和功能成像能够识别参与言语的脑区，但无法判断这些区域是否对言语功能至关重要。经颅磁刺激（TMS）通过在脑内诱导电场，无创地激活皮层神经元群。当以重复模式（rTMS）刺激与言语相关的皮层位点时，可产生类似于术中DCS所诱发的言语相关错误。rTMS结合神经导航（nrTMS）使神经外科医生能够在术前评估这些错误发生的位置，并据此规划DCS及手术方案，以保留语言功能。本文提供了一套使用nrTMS进行无创言语皮层定位（SCM）的详细操作流程。该方案可根据患者个体及临床需求进行适当调整，也可应用于健康受试者或不适合手术治疗的疾病患者的语言皮层网络研究。

引言

在因脑部疾病（如癫痫或肿瘤）进行的神经外科手术中，必须优化切除范围，以保护支持重要功能的脑区。对于影响患者完整性和生活质量的关键区域（如与语言相关的区域），应在切除脑组织前对其进行明确界定。通常，仅依靠解剖标志无法单独识别这些区域¹。目前，为手术决策而进行的语言功能区功能定位通常采用侵入性的电直接皮层刺激（DCS）方法，该方法可使神经外科医生了解每位患者关键皮层及皮层下结构的组织分布情况²。尽管在清醒开颅手术中进行DCS被公认为语言功能皮层定位的金 标准，但其应用受到侵入性操作、方法学挑战以及给患者和手术团队带来高度压力等因素的限制。本方案描述了一种使用导航经颅磁刺激（navigated TMS 或 nTMS）的非侵入性语言皮层定位（SCM）方法。精确的非侵入性定位有助于手术规划，减少手术室（OR）中的操作时间、成本和风险，同时也为不适合接受清醒开颅手术的患者提供了替代选择³。

无创成像方法已显著促进术前规划。解剖磁共振成像（MRI）对于定位肿瘤和脑部病变至关重要；在神经导航⁴以及导航经颅磁刺激（TMS）定位⁵中，它可引导操作者到达目标皮层区域。基于扩散的磁共振成像（dMRI）纤维束成像可提供有关连接皮层区域的白质纤维束的详细信息^5,6。在过去十年中，功能成像技术，尤其是功能磁共振成像（fMRI）和脑磁图（MEG），越来越多地用于术前运动和语言皮层定位（SCM）^2,8,9。每种方法都为术前定位过程带来优势，例如可提供有关传统语言区（布罗卡区和韦尼克区）以外功能相关区域的信息。由于fMRI可及性高，已成为最常用的方法¹；其在语言相关区域定位方面与直接皮层刺激（DCS）的比较结果存在差异^2,10。然而，尽管功能成像能够识别参与功能的脑区，却无法确定这些区域是否对需要保留的功能具有关键作用。

导航重复经颅磁刺激（nrTMS）如今被用作术前无创性运动皮层定位的替代方法^11,12nrTMS SCM 在识别与语言相关的皮层区域方面尤为高效，这些区域包括额下回（IFG）、颞上回（STG）和缘上回（SMG）。^11,13该方法的一个优势在于，对刺激诱发的错误进行离线分析时，分析者无需知晓刺激位点，从而可以在不知晓刺激位置的情况下对错误进行判断 先验的 皮层位点与言语网络相关性的信息。这通过视频记录实现，使分析者能够比实际检查过程中更可靠地区分错误的细微差异，例如语义性错语和音位性错语。^11,12nrTMS联合SCM方法目前在性能上优于单独使用MEG或fMRI进行语言定位^10,14，可利用额外的功能或解剖学信息对nrTMS流程进行精细调整。术前采用nrTMS定位已被证实可缩短手术时间，减小开颅范围，并降低对功能区皮层的损伤¹⁵缩短住院时间，并实现更广泛的肿瘤组织切除，从而提高患者的生存率¹⁵nrTMS 已通过术中直接皮质刺激（DCS）映射验证；具体而言，nrTMS 在脊髓前角细胞（SCM）中的敏感性较高，但特异性仍较低，与 DCS 相比存在较多假阳性结果^13,16.

目前，术前无创性基于重复经颅磁刺激（nrTMS）的语言功能定位（SCM）可用于辅助手术患者的筛选、帮助制定手术方案，并加快术中直接皮层刺激（DCS）的实施过程¹⁷。本文提供了如何实施nrTMS语言功能定位以获得可靠的语言特异性结果的详细说明。在积累实际操作经验后，建议的方案可根据患者个体情况和临床场所的具体需求进行适当调整。该方案还可进一步扩展至其他特定功能靶区，如语言产生（言语中断）^18,19或视觉与认知功能²⁰。

方案

本研究已获得赫尔辛基和新地区医院区伦理委员会的批准。在操作前，已从每位受试者处获得参与知情同意书。

1. 结构像的制备

1. 为每位受试者采集全头部的高分辨率T1加权结构磁共振成像（建议采用0 mm层间距和1 mm层厚）。按照神经导航系统说明书的要求获取图像。
2. 将磁共振图像以其支持的格式（通常为DICOM或NifTI）上传至导航系统。
3. 检查磁共振图像，排查任何错误（例如耳垂脊中点或鼻根点模糊、噪声干扰或三维模型重建中的位置偏差）。
4. 在轴向、矢状和冠状MRI切面中找到解剖标志点（即每侧耳垂脊的中点以及鼻根点），通过点击各切面中的十字准线功能进行标记，并用鼠标左键选择精确位置。然后用鼠标点击"添加标志点"按钮。
5. 插入感兴趣脑区的分区图谱（例如，通过其他功能成像方法[MEG、fMRI、PET]确定，或基于MRI数据库或图谱）²¹。选择"叠加图像"功能。

2. 神经导航的准备工作

1. 检查受试者头颈部区域是否含有任何金属物品（例如耳环），并确保不存在颅内金属夹等绝对禁忌证。
2. 将受试者安置于检查椅上。调节座椅，使其坐姿舒适，颈部、手部和腿部均处于放松状态。调整座椅高度，以便操作者能够舒适地刺激待测半脑的整个区域。
3. 放置头部追踪器，确保其在刺激过程中保持稳定（可使用贴纸或绑带固定），且不妨碍经颅磁刺激线圈在头部自由移动，特别是在颞区区域。若刺激左侧大脑半球，追踪器可略微置于前额右侧，反之亦然，以确保前额叶区域可被有效刺激。
4. 将受试者头部与基于MRI重建的三维头部模型进行共定位。使用数字化笔在受试者头部标记先前在MRI图像上选定的关键解剖点（如鼻根点、耳前点）。在颅骨表面采集更多数字化点，以降低最终的配准误差。将数字化笔置于三维头部模型上每个高亮位置，当导航屏幕上对应点开始闪烁时，踩下左脚踏板。
5. 即使总体配准误差在可接受范围内（低于4 mm），也需验证配准结果。用数字化笔尖触碰受试者头部，目视确认该笔尖在基于MRI的三维模型表面所对应的位置是否准确。若位置不符，需重复步骤2.1–2.4。
6. 开始刺激前，确保受试者和操作者均佩戴听力保护装置。

3. 确定M1刺激的热点和运动阈值

1. 为确定静息运动阈值（rMT），选择右手的一个远端手部肌肉（例如拇短展肌 [APB]）。
   注：运动阈值用于定义初始刺激强度，后续可根据下文说明进行调整。因此，任何远端手部肌肉均可用于此目的。
2. 将一个一次性凝胶电极（直径：约30 mm）放置在右拇短展肌（肌肉肌腹处），另一个电极放置在拇指中段（肌腱处）。接地电极置于腕部附近（或遵循设备制造商的指南）。
3. 将电极连接至肌电图（EMG） 放大器，并通过观察连续的EMG 信号来确认拇短展肌处于静息状态。若记录的肌肉难以完全放松，则调整手部位置。
4. 寻找确定拇短展肌运动阈值的皮质热点。从运动手区隆起部位²²开始，施加数次经颅磁刺激（TMS）脉冲，并通过移动和旋转线圈，直至出现拇短展肌运动诱发电位（MEPs）。
   注：通常，拇指的运动代表区位于手区隆起侧壁的垂直方向。
   1. 选择一个可诱发约200–500 µV MEPs的TMS刺激强度。通过微调线圈角度，优化线圈位置和方向，以诱发最大幅度的MEPs。
5. 在神经导航软件中，通过右键单击对应于热点位置的脉冲编号，并选择重复刺激的选项，保存最佳线圈位置。重复施加刺激，并通过右键单击热点位置，在神经导航软件中选择“运动阈值”选项，启动自动阈值搜索算法²³。
6. 若上述功能不可用，则采用以下规则：在20次试验中，TMS脉冲需诱发10次MEPs（≥50 µV）²⁴。

4. 图像的基线命名

1. 在基线物体命名任务之前，让受试者熟悉图像^11,12。打印图像（或以数字形式展示），并在正式实验开始前让受试者进行练习（受试者也可在家中练习）。
   1. 使用经过适当标准化的规范化彩色图像（例如，来自标准化刺激库²⁵；补充图1）。
   2. 仅选用日常环境中常见、同义词极少且命名一致性高的图像。
2. 如有条件，按照Vitikainen等人的方法²⁶，在喉部和声带上方的皮肤上安装加速度计，以记录言语起始时间。
3. 逐一展示图像给受试者，并要求其在无刺激条件下大声说出图像名称。
   1. 将图像呈现在距离受试者0.5-1米的屏幕上。
   2. 每张图像的显示时间为700-1,000毫秒。
4. 调整图像间间隔（IPI），使任务对每位受试者具有适度挑战性（例如，起始设置为2,500毫秒，范围在1,500-4,000毫秒之间调整）。
   1. 若在基线命名任务中出现较多错误，则以200-300毫秒为步长逐步增加IPI；若任务过于简单，则以相同步长逐步减少IPI。
5. 在使用nrTMS进行实际言语映射会话时，排除在基线测试中未充分训练、命名不正确、发音不清晰、构音错误、延迟或犹豫命名、或对受试者而言明显困难的图像。
6. 重复执行基线命名任务三次，若表现不满意，则重复步骤4.3-4.5。

5. 语言皮层定位映射

1. 通过以刺激器输出的1%为步长逐步增加或减少刺激强度，调节刺激强度，使每个目标区域接收到与手部肌肉静息运动阈值（rMT）对应的皮质手部运动热点处所定义的相同感应电场（E场）。通常，与额颞部目标相比，顶叶区域需要施加更高的刺激强度，才能达到与rMT热点相似的皮层E场。
   1. 当刺激靠近头皮表面的皮层结构时（E场高于预定义的rMT E场），应降低刺激强度。
2. 在开始刺激前，检查双侧半球不同语言相关区域的感应E场值是否大致相近（差异在2–3 V/m以内）。
   1. 如有需要，调整皮层深度（剥离深度）。
   2. 确保线圈中心未悬空于空气中。
3. 初始图片至经颅磁刺激间隔（PTI）设为300 ms，或使用0–400 ms的PTI；建议PTI超过150 ms，以优化刺激与语言处理过程的时间重叠。
4. 以5 Hz的刺激频率开始，先给予五次脉冲。起始时选择与语言处理无关的皮层区域，使受试者适应刺激引起的感觉，随后将线圈移至预期的语言相关区域。
5. 在脉冲序列结束且受试者完成命名之前，保持线圈位置不变。
6. 重点关注受试者的表现，具体如下：
   1. 若未观察到错误，则继续下一个位点。
   2. 若观察到错误，甚至轻微犹豫，应在该位点继续施加额外2至3组nrTMS刺激序列，然后继续下一个位点。记录该位点，以备后续可能再次刺激。
   3. 即使检测到轻微错误（例如轻微犹豫，或因用力增加导致命名时声音变大），也应进行微小的线圈位置调整，以诱发更明显的错误。
   4. 避免在同一刺激位点连续重复刺激超过五组。可先继续其他皮层位点的刺激，稍后再返回该位点。
   5. 若在多个刺激位点反复出现错误，可将线圈抬离头皮悬于空中，检查错误是否仍然发生。
   6. 若错误仍持续出现，应暂停实验，等待命名能力恢复正常。
      ​注意：若语言相关区域受到肿瘤或其他病变影响，可能出现与刺激无关的重复性命名错误。
   7. 连续刺激时间以7–10分钟（最大）为一个区块，区块之间休息2–5分钟。
      注意：长时间刺激或受试者疲劳时，错误更易发生。
7. 刺激所有可能相关的解剖区域（例如：IFG、STG、SMG、中颞回、中央前回、中央后回、角回以及前额叶皮层），以获得尽可能多的对照反应。
8. 如可行且/或临床支持，应对双侧半球均进行刺激。即使肿瘤区域或病变估计位置不属于经典语言相关区域，也应谨慎地在肿瘤内部及其周围区域进行刺激（适用于肿瘤和癫痫患者）。
   1. 检查远离病变部位的皮层区域，以识别由于可塑性改变或占位效应导致的语言功能区空间位移，尤其是在病灶较大的患者中。
9. 若映射过程中引起疼痛或不适，可将TMS强度以最大输出的2%–5%为步长逐步降低。
10. 若受试者无法耐受刺激引起的疼痛或不适，应立即停止测量。

6. 未出现命名错误时的策略

1. 终止刺激，并更改刺激参数。
2. 以 200 毫秒为步长，逐步减少IPI（例如，从默认值 2,500 毫秒降至 2,300 毫秒）。
3. 将脉冲传递频率从 5 Hz 更改为 7 Hz。调整呈现图像与rTMS开始之间的时间间隔（目前尚无共识表明应增加或减少该间隔）。提高刺激强度（以不引起不适为限）。

7. 诱发命名错误的离线分析

1. 与专家（如神经心理学家）合作，该专家最好能在手术室中在场。
2. 通过观察视频记录中的线圈定位情况以及可能的疼痛干扰，再次核对诱发的命名错误。
3. 根据 Corina 等人²⁷ 的分类方法对错误进行分类（例如：失命名、语义性错语、音位性错语、操作性错误）。
   1. 如果某一类错误在基线视频中反复出现，则在分析刺激阶段视频时不应将其视为错误。
4. 如果在 rTMS 脉冲序列结束后才命名出物体，应视为延迟反应或无错误；同时需检查受试者在脉冲传递过程中是否存在不适感。
5. 如果受试者虽有舌头、嘴唇和下颌的运动，但仍无法命名某一特定物体，记录为无反应错误。
6. 如果某一图像在每次实验中的命名均不相同，则剔除该图像。
7. 若存在疑问，可通过同一图像控制邻近刺激位点的表现，或对侧半球相同图像刺激的效果作为对照。

结果

采用了一套带有集成屏幕和摄像头的导航经颅磁刺激系统。图1A-C 展示了同一名受试者在不同刺激后时间间隔（180 ms、200 ms 和 215 ms）执行任务过程中出现的不同TMS诱发的命名错误。TMS脉冲时间对诱发错误数量的影响十分明显。换句话说，在不同的刺激后时间间隔，可在不同脑区检测到与TMS相关的功能改变。即使在同一皮层位点，TMS脉冲的时间不同，诱发的错误数量也有所不同，这与脑磁图（MEG）研究结果一致，后者表明不同语言相关皮层区域的激活时间存在差异²⁸。在一名难治性癫痫患者中，比较了术中直接皮层刺激（DCS）定位与固定刺激后时间间隔为300 ms的重复性经颅磁刺激（nrTMS）的结果，如图2所示。这些数据来自先前一项关于癫痫的研究²⁹。

图1：基于健康志愿者的三维MRI模型展示的nrTMS SCM结果。（A）PTI为180 ms。（B）PTI为200 ms。（C）PTI为215 ms。除主要的语言相关区域外，根据方案（步骤5.7）对辅助运动前区（pre-SMA）进行了刺激。大多数错误出现在经典语言区（IFG、STG、SMG），但也出现在连接pre-SMA与布罗卡区的通路上（A和B中靠近中线的绿色斑点）。请点击此处查看该图的放大版本。

图2：一名难治性癫痫患者在额外术中直接皮层刺激映射与固定PTI为300 ms的非侵入性重复经颅磁刺激（nrTMS）结果的比较。（A）13岁时进行的额外术中网格映射。黄色球体代表皮层上所有电极的位置。显示了电极刺激（2-5 mA）引起手部和口部运动反应（绿色圆圈）、命名中断（失命名症；红色圆圈）以及句子重复受阻（粉红色圆圈）的位点。（B）同一患者15岁时的nrTMS句法-语义映射（SCM）。显示了nrTMS诱发失命名症（红点）、语义性和语音性错语（黄点）以及犹豫现象（白点）的位点。高度可重复且可靠的错误诱发区域已用圆圈标出。本图像数据来自Lehtinen等人的研究²⁹。请点击此处查看该图的放大版本。

补充图1：nrTMS SCM实验中呈现的图像示例（括号内为芬兰语）。 （A）衣架（Henkari）。（B）剪刀（Sakset）。（C）草莓（Mansikka）。请点击此处下载该文件。

讨论

本文介绍了一种用于语言功能区非侵入性映射的nrTMS SCM技术方案，可实现对言语和语言网络中最重要中枢的几乎完整的无创皮层定位。其主要优势在于，能够在术中清醒开颅手术³⁰或术外环境²⁹中非侵入性地模拟直流电刺激（DCS）映射（见图2）。此外，该技术还可应用于健康人群的语言皮层网络研究³¹，以及无法接受手术治疗的患者群体的相关疾病研究³²。nrTMS用于语言功能区映射还可为神经康复策略的制定提供支持，例如在卒中后确定干预靶点。已有研究探讨了术前通过DCS诱导言语相关皮层表征的可塑性，以扩大肿瘤切除范围³³³⁴。nrTMS SCM在类似研究中的应用潜力仍有待进一步探索。

在当前的结果中，一个相对较大的区域被反复刺激，该区域包括经典的与言语相关的脑区以及辅助运动前区（pre-SMA），刺激在三个不同的刺激后时间间隔（PTI）下进行。每个PTI对错误的敏感性和特异性各不相同，但也表现出非侵入性脑刺激中众所周知的反应变异性³⁵。大多数错误是由对额下回（IFG）、颞上回（STG）、辅助运动前区（pre-SMA）以及额斜束（frontal aslant tract）的刺激所诱发的³⁶。这凸显了nrTMS脑网络映射（SCM）的强大能力；特别是与直流电刺激（DCS）相比，其刺激可更为灵活地靶向多个脑区。我们观察到，改变PTI并记录多次会话并未明显加快反应时间^26,29，而反应时间的加快通常与学习效应相关。

该方案强调了可能影响 nrTMS SCM 准确性的不同参数。结果可能对经颅磁刺激（TMS）操作者的选择较为敏感；本文旨在提供一套经过充分验证的刺激参数标准操作指南。高特异性结果源于对多个不同参数的恰当选择，包括刺激间间隔（ISI）、配对脉冲间间隔（PTI）、线圈位置以及重复经颅磁刺激（rTMS）频率。这些参数会影响所诱发错误的特异性，而这些错误反映了相应皮层区域的功能；因此， 参数的选择必须基于当前关于语言神经生物学的科学认知。

命名任务所用图像的选择应确保其本身不会引发错误的命名（补充图 1）。本研究中，图像选自标准化图像库，并对多种命名参数进行了控制^25,37。例如，图像库中的图片限定为日常使用中复杂度和使用频率相近、且命名一致性较高的物品。图像的选择可根据各外科中心的需求³⁸、受试人群特征³⁹ 、受试者的母语^40,41以及所采用的任务类型⁴²进行调整。如本方案所述，由于现场命名具有主观性，最终的图像选择将针对每位受试者进行个体化确定。

刺激频率需要根据个体情况单独确定，因为它可能影响导航经颅磁刺激过程中错误的分布⁴³。本文所采用的4–8 Hz频率范围是基于Epstein等人的重复经颅磁刺激（rTMS）研究⁴⁴。初始刺激频率设定为5 Hz。若未检测到错误，则将刺激频率提高至7 Hz。较高频率可能减轻由nrTMS引起的疼痛，并提高命名错误的特异性⁴⁵。此外，较高频率的优势还在于可将脉冲限制在更短且更具特异性的时窗内。然而，较高频率也可能影响与例如言语运动执行相关的功能^44,46，而这些功能并非本方案的主要目标。

建议将刺激间期（PTI）设置在150-400 ms之间。这一时间窗口在物体命名任务中对词汇提取至关重要^28,47。该方案通过避免图像呈现后最初150 ms内发生的初级视觉加工干扰，以实现对言语特异性的优化，因为这一早期视觉处理可能影响物体命名，但与言语产生本身无关。PTI的推荐上限基于同一受试者在图片命名任务中的典型反应潜伏期^28,48，且不同个体间最优值可能存在差异（见图1）。理想情况下，PTI的选择应基于个体化测量，尽管在临床实践中这可能带来操作上的挑战。赫尔辛基大学医院的常规方案通常以300 ms的PTI开始。此外，根据刺激脑区的不同调整PTI也可能具有实际意义^12,13,49，这一点已在多项语言研究中得到提示^28,47,50。然而，即使超出上述时间窗口的PTI，也可能诱发有助于术前评估的命名错误（参见Krieg等人的比较研究⁴⁹，其采用0-300 ms的PTI）。

皮层语言网络分布广泛，且在个体间存在差异，尤其在肿瘤和癫痫患者中更为显著^29,30,39。重复性经颅磁刺激（nrTMS）可诱发语言功能障碍，但个体间反应差异较大，这与清醒开颅术中电刺激所观察到的现象类似^27,51。来自功能磁共振成像（fMRI）⁵⁰、弥散张量成像（DTI）^52,53,54 和脑磁图（MEG）⁵⁵ 的信息可用于指导经颅磁刺激（nTMS）的操作，从而使该技术针对每个个体进行个性化调整，提高特异性和准确性。nrTMS语言映射（SCM）的目标是提高定位的特异性，减少无反应者的比例，可靠地引导直接皮层刺激（DCS），或在缺乏资源和条件组建高度专业化团队时替代DCS。 未来，多靶点经颅磁刺激（mTMS）可应用于该过程，无需物理移动刺激线圈即可刺激大脑皮层的不同区域⁵⁶。

本方案可结合多种命名任务^42,57 或其他认知任务（如计算、决策等）⁵⁸进行。视频记录可揭示任务执行过程中的关键特征（例如，受试者出现面部痛苦表情，提示未引发运动性言语阻滞），而这些特征在刺激过程中可能被忽略。该设置还允许通过共同回看视频记录，向受试者询问nrTMS引发的体验与感觉，有助于区分由疼痛导致的错误与nrTMS的真实效应。最后，该方案可轻松调整，适用于不同受试者群体（例如双语个体³¹），并满足各外科或研究团队的具体需求。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
神经科表面电极	Ambu A/S	Ambu Neuroline Ground
神经科表面电极	Ambu A/S	Ambu Neuroline 720
离线言语错误分析仪	Nexstim Ltd	NexSpeech 2.1.0
单次使用表面电极	Ambu A/S	Ambu Neuroline 700
刺激器	Nexstim Ltd	NBS 4.3