用于经颅磁刺激过程中处理浓密头发的索尔编发方法：针对脑刺激中潜在偏倚的应对策略

摘要

历史上代表性不足的少数群体常见的发质可能会影响经颅磁刺激（TMS）的效果。本文介绍一种可改善TMS效果的编发方法（The Sol Braiding Technique）。

摘要

经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation, TMS）是一种在神经科学领域广泛用于治疗和研究目的的技术。TMS 提供重要的医疗服务，例如治疗重度抑郁症，并且在几乎所有的研究机构中都具有关键作用。由于 TMS 依赖于头皮定位，头发被认为可能影响其有效性，因为头发会改变刺激靶点的距离。此外，人们推测，在少数群体中普遍存在的发质和发长特征可能对高质量数据的采集构成显著挑战。本文展示了初步数据，表明 TMS 可能受到头发的影响，尤其是在历史上代表性不足的少数群体中。

本文介绍了Sol编辫法，这是一种易于学习且可快速实施的技术，可降低经颅磁刺激（TMS）中的变异性。在九名参与者之间的比较结果显示，Sol方法显著提高了运动诱发电位（MEP）的强度和一致性（p < 0.05）。通过消除阻碍线圈与头皮直接接触的头发物理屏障，Sol方法增强了TMS的传递效果，从而提高了MEP的峰值幅度以及曲线下面积（AUC）。尽管这些数据尚属初步结果，但其在应对神经科学领域多样性问题方面具有重要意义。本文所描述的操作流程适用于不具备编辫经验的研究人员。

引言

神经科学研究本质上涉及理解脑功能、神经功能障碍和精神疾病方面的范式转变与创新¹。尽管已取得诸多进展，但神经科学领域在某些方面仍存在不足。例如，在研究人员数量以及研究中受试者和患者的代表性方面均存在种族差异。大量来自少数群体的代表性不足人群未被纳入实验和临床研究²。在2019年9月至10月期间发表的81篇经同行评审的基于头皮的脑电图（EEG）文章中，仅有5篇明确指出其样本包含了少数族裔个体。此外，近期研究表明，来自代表性不足少数群体的个体常被误诊，或对研究人员缺乏信任。Assari 等人发现，医疗保健领域中，特别是半数白人医学生和住院医师，认为非裔美国人的皮肤比白人更厚，这种观念影响了他们的医学判断和治疗策略^3,4。由于缺乏来自少数族裔参与者的数据，研究结果的普适性降低，并在少数族裔人群中表现出差异性。为确保试验人群能够代表未来使用药物或药品的患者群体，并保证研究结果具有可推广性，临床试验必须纳入多样化的参与者群体⁵。

在基于头皮的神经科学研究中，代表性不足的少数族裔头发所特有的形状、厚度、发型和密度引起了关注。例如，毛囊形状就是使非洲人头发具有独特性的特征之一。非洲人的毛囊较小、更呈椭圆形且扁平，而高加索人和亚洲人的毛囊则更接近圆形且较大⁶。当少数族裔洗头时，头发会卷曲，这给研究人员的实验带来困难。有时会建议少数族裔在参加基于头皮成像的研究前使用护发产品清洗并拉直头发，但这样做可能会影响数据的准确性。由于较少的少数族裔参与者愿意加入，且其数据可能因质量较低而被舍弃，导致数据出现偏差。此外，由于他们典型的发型（如玉米辫和编发），少数族裔个体有时被认为难以招募和保留²。Rosen 等人研究了一位非洲裔男性，他留着脏辫——一种代表性不足的少数族裔个体常留的发型，并表现出自发言语不流畅的症状⁷。他希望接受基于头皮成像的治疗，因为该疗法已有初步证据显示有效且耐受性良好。

一种广泛应用的头皮成像技术是经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS）。TMS 是一种非侵入性的表面成像技术，可用于诱导大脑局部区域的神经活动增强。由于能够调控人类大脑的神经元活动，TMS 已成为实验性和治疗性神经科学的关键工具⁸。为了制定标准化的安全建议，TMS 刺激强度通常以运动阈值（motor threshold, MT）的百分比来表示，这种强度指标具有通用性，可适用于任何线圈形状或类型的刺激器⁹。用于确定 MT 的运动诱发电位（motor evoked potentials, MEPs）也可作为皮质兴奋性的测量指标，该电位由作用于人类运动皮层的 TMS 所诱发^{10,11,12,1,3,14,15,16}。TMS 施加于运动皮层后，可引起对侧脑区的激活。通常以手部区域为靶点，因为该靶区在运动皮层上较易定位，且便于安放电极或通过视觉监测手部或手指的反应。利用 MEPs 可更全面地理解运动输出的机制。由于 MEPs 可用于测量个体间的 MT 差异，因此目前几乎所有的 TMS 应用都包含 MEPs 的评估。通常情况下，若未对 MT 的某些方面进行评估，使用 TMS 存在风险。若 TMS 刺激强度超过适当的 MT，可能引发癫痫发作；若刺激强度低于 MT，则效应可能减弱或缺失（即靶向神经元可能未发生去极化）。准确报告 MT 对于研究间的比较也至关重要。例如，我们实验室的许多研究采用 90% 的强度值，这提示其他研究人员，使用 110% 的强度可能会产生更强的效应。

斯托克斯等人研究了目标区域与刺激线圈之间不同距离的影响，随后发现距离与个体的运动阈值（MT）之间存在直接的线性关系^8,17因此，少数族群中一些天然发量较厚的人群，其运动诱发电位（MEP）和运动阈值（MT）的测量结果可能准确性较低。在一项针对已发表文献的经颅磁刺激（TMS）研究领域作者群体的调查中，当我们提出开放式问题，例如 "毛发在阻抗中起作用吗？" 该领域的专家回复道： "它会提高阈值。例如移动毛发、压迫毛发等；" 我们尝试使用凝胶来连接该接触点，但可采取的措施有限；" " 浓密的头发也会使接触变得困难；情况与上述相同"; " 头发越多，刺激就越困难——尤其是当它妨碍线圈与头皮良好接触时¹⁸浓密的毛发使得经颅磁刺激（TMS）线圈与头皮之间的接触变得困难，导致接触面积极小甚至完全无法接触，从而影响信号传递。先前的研究表明，将粗厚的头发编成辫子可降低基于头皮成像的阻抗。⁶利用粗硬或卷曲头发的特性，Etienne 等人发现，将受试者的头发编成玉米辫有助于在使用脑电图（EEG）时保持信号完整性。

我们正在引入Sol "Sun"方法，以提供一种管理少数族裔人群毛发的解决方案。由于这些人群的毛发通常较粗且浓密，我们预测，这类毛发对此方法的反应会更好，因为该方法能够保留毛发（即无需剃发），并支持长期测量。这些方法易于教学、学习和操作；无需额外设备；不会增加安全风险；尊重并维护受试者的自然毛发状态；同时增强受试者（以及研究人员）的自豪感，尤其是那些以往可能因基于头皮的技术而感到受挫的人群。

方案

本研究已获得蒙特克莱尔州立大学机构审查委员会（IRB）的批准，该委员会自2001年成立，并于每年更新审批至2023年。所有参与者均按照美国心理学会的伦理准则进行处理。研究遵循常规安全程序。例如，我们通过传单和口口相传的方式，从蒙特克莱尔州立大学普通人群中招募了九名成年人。所有受试者均按照Wasserman¹⁹提出的经颅磁刺激（TMS）指南进行现场筛查。参与者因参与本研究获得25美元报酬，所有受试者的处理均符合当地机构审查委员会（IRB）的标准以及《赫尔辛基宣言》的规定。所有参与者均签署了书面知情同意书，且所有受试者均被确认为西班牙裔或非裔美国人。

1. 背景与10/20导联系统转移

注意：对于经颅磁刺激（TMS），无需任何额外的特殊设备（即实验室应很容易备齐所有这些耗材）。

1. 受试者
   1. 在开始任何操作之前，务必获得机构审查委员会（IRB）的审查批准。如果是首次实施该方案，应咨询有经验的研究人员，准备所有相关表格，如知情同意书、筛选表（图1）和不良反应记录表（图2），并练习如何向受试者介绍这些内容。
      注意：这些表格应作为补充材料，不能替代针对安全事项与受试者进行的直接访谈。
   2. 确保所有团队成员均已接受其职责范围内的培训。
      注意：相关培训课程可获取，且几乎所有经颅磁刺激（TMS）实验室均会 freely 分享其最佳安全实践。
   3. 通过社交媒体和宣传传单招募受试者。
      注意：招募时应提供经济补偿，并简要说明潜在风险。
   4. 在正式入组前，向受试者发放并填写筛选检查清单（图1）。
   5. 向所有参与研究的受试者支付报酬（本研究为25美元），并依照机构审查委员会和美国心理学会的指导原则对待受试者。
2. 根据所在机构的标准，采用适当的参数进行经颅磁刺激（TMS）操作（参见讨论部分）。
3. 受试者的安全与舒适至关重要，因此在整个操作过程中应持续通过口头询问和视觉观察对其进行监测。需特别留意紧张情绪，因其可能属于常见反应，但在某些情况下可能导致更复杂的结果。

2. TMS 设备操作

1. 确保本实验所用的70 mm双锥形线圈温度不会达到危险或自动关闭的程度。准备备用线圈，以便需要时更换。
2. 通过视觉观察（诱发拇短展肌反应，5/10）或肌电图（EMG）来确定运动阈值。

3. 非编织毛发上的运动阈值

1. 使用可擦除的记号笔标记鼻根-枕外隆凸连线的区域及其中点。测量耳垂或耳前点，并标记这些点。
2. 沿右半球连线从背侧向腹侧方向向下量取三分之一处，找到拇短展肌（Abductor Pollicis Brevis, APB）激活的最佳位置。通过线圈触发器和脚踏开关触发经颅磁刺激（TMS）设备，并解除机器前方的安全锁。
3. 在所有定位搜索和TMS刺激过程中，将TMS线圈保持在45°方向。
4. 使用机器前方的调节旋钮，将刺激输出起始设为设备总输出的30%，然后以2%的增幅逐步增加，直至观察到肌肉运动。由于线圈位置移动与刺激强度之间存在精细的相互作用，在增加刺激强度的同时需相应调整线圈位置。
5. 一旦确定产生最大APB反应的刺激位点，即开始确定运动阈值（MT）。
6. 在开始测定MT之前，为确保线圈定位准确，用记号笔在泳帽上标记线圈尖端的位置，并描出线圈前部的完整轮廓。
7. 对于视觉观察法，将刺激强度从设备最大输出的20%开始，逐步上调，共给予约20次脉冲，以确定引起5/10（50%）APB反应的刺激强度。根据手指运动的增强或减弱调整旋钮。当获得5/10次反应后，记录此时设备显示的刺激强度作为该个体的MT。
8. 对于（推荐的）运动诱发电位（MEP）法，在APB肌、拇指肌腱处放置一次性电极，并在手腕背侧附近放置接地电极；不再依赖视觉观察，而是通过记录设备确认是否出现阳性MEP。
   1. 将阳性MEP反应定义为峰-峰振幅≥50 µV的MEP。
   2. 与视觉观察法类似，持续刺激直至观察到10次中出现5次阳性MEP。确保这些MEP的振幅大于50 µV。当50%的MEP高于（另50%低于）50 µV时，记录此时的刺激强度作为MT。

4. 溶胶

1. 使用不同的画笔、梳子和颜料进行练习，因为研究人员对不同工具的感受各不相同。
   注意：掌握该技术所需时间因操作者经验而异。尽管记录受试者头发情况并非必需²⁰，我们在此一并列出（图3).
2. 在编辫标准方面应保持一致。目前尚无关于经颅磁刺激（TMS）前应为哪些个体编辫的通用标准。但务必在开展任何研究或临床应用之前，明确说明使用发质等判定因素的意图。
3. 向参与者描述方法，并在知情同意过程中使用照片。由于应优先尊重参与者，需使用图像并描述编辫过程作为该技术的一部分。
   注意：一种可能的激励（即补偿）是在实验结束后为受试者编整整个头部的辫子。
4. 在开始编织前，需明确目标点。
5. 将10/20坐标系中的坐标点（与运动相关的靶点）标记到头皮上，以提供靶向编织点。使用标准ERP/EEG帽时，用1–5 mm绿色荧光染料（GFP）填充典型的凝胶注射器和钝头针。佩戴EEG帽后，在靶点位置像涂抹导电凝胶一样插入注射器，并轻点约0.05 mm的GFP图4A - E).
   注意：GFP 的用量将根据需要标记的电极数量而变化。
6. 让点样点干燥至少2分钟。
7. 从头部标记点开始，将毛发拨开，确保标记周围露出一块清晰的皮肤区域。尽量用手指或挑针清除该区域的毛发。
8. 开始之前，先进行构思。要编出6至8条玉米辫，最终形成一个以中心为焦点的卡通太阳图案，可按照钟面来规划每条辫子：先编6点钟方向的玉米辫，然后是12点钟方向，接着是8点和10点钟方向，最后编2点和4点钟方向的玉米辫。这样将形成六条玉米辫。
9. 如果需要编八条辫子，先从6点钟和12点钟位置开始；然后编9点钟位置，7点至8点钟之间，以及10点至11点钟之间的辫子；最后完成所有缺失的辫子行。
   注意：编玉米辫与普通编辫的主要区别在于，你会在最初的“发束”中持续添加头发。你会将辫子“贴合”头皮编织，从而降低辫子的高度并减少突兀感。开始编玉米辫前，请先想象这一效果。
10. 从标记点的任意一侧开始第一排玉米辫，取一小部分头发。尽量估算出相当于编一整排玉米辫所需发量的1/8或1/6的发量。这部分应为少量、易于操作的初始发束。
11. 用双手将最初的发束分成三个部分，确保各部分的发量相等。
12. 用左手持左侧部分，右手持右侧部分，用单个或两个食指按住中间部分。
13. 如果操作正确，右侧部分现在应位于中央，且 是 中间部分现在位于右侧。
14. 取最左侧部分并将其提起，放入中间与右侧部分之间。如果操作正确，该部分将位于中间位置，而原先的中间部分将移至左侧。 是 中间的部分现在位于左侧。
15. 现在取右侧部分，重复步骤 2.6，同时从该部分下方的头皮区域添加一些新的额外毛发。
    注意：添加发丝时应呈现扫动动作，这正是形成玉米辫而非普通辫子的关键。
16. 继续逐次取下一束头发，并将其添加到下方的区域中。
17. 继续编辫子，直到那一束头发的末端。
18. 重复此操作6-8次，形成“太阳”状。

5. 编织毛发上的运动阈值

1. 现在施加经颅磁刺激（TMS）。确保线圈的最大刺激点处的表面与皮肤完全贴合。
2. 使用线圈支架、固定装置或手动操作，按照TMS规范，用线圈的塑料部分紧压皮肤。
   注意：这些方法适用于70 mm的双锥形（figure-8）线圈。
3. 使用电极和目视检查测量运动诱发电位（MEPs）。目标手指应出现明显运动。
4. 以类似方式对其他目标区域（例如，左侧背外侧前额叶皮层）进行定位标记。
   注意：可通过使用多名经过培训的操作人员同时准备多个位点。

结果

所有刺激过程均采用配备70 mm双锥形线圈的单脉冲经颅磁刺激（TMS）设备。运动诱发电位（MEPs）通过安装在本地计算机上的标准放大器和软件进行采集。所有MEP信号均通过在拇短展肌（APB）部位放置三个电极获得。本研究检验的主要假设是，编发（Sol）方法相比未编发状态可产生更大的波幅和曲线下面积（AUC）。为验证该假设，我们采用重复测量方差分析（ANOVA），进行独立的2 × 9（刺激前/后 × 受试者）检验。我们预测，编发后的波幅和AUC将大于未编发状态。此外，我们还分析了每位受试者30次试验中的变异程度，并预测Sol方法将降低反应的变异性。

我们首先对 TMS 触发后 100 毫秒内以 1,000 Hz 采样的 30 次 TMS 脉冲数据进行了 2 × 9 重复测量方差分析（ANOVA），以 Pre/Post 和受试者作为因素。需要注意的是，样本量较小，因此在解释这些结果时应谨慎。通过 Kolmogorov-Smirnov 检验发现，数据符合正态分布（所有 p 值> 0.05）。对于峰值振幅，结果显示总体交互作用不显著（F(8,232) = 1.82，p = 0.08）。随后我们考察了 Pre/Post 的主效应，发现存在显著差异（F(1,29) = 8.70，p = 0.006），其中 Post 振幅比 Pre 高出 116.99%。虽然“受试者”因素也具有显著性（F(8,232) = 2.41，p = 0.016），但我们更关注有多少受试者表现出 braiding 的影响。结果显示，在 9 名受试者中有 7 名的振幅增加，其中 3 名受试者的 Pre/Post 差异具有显著性（t(8)，每位受试者的 p 值分别为 0.01、0.01、0.02、0.12、0.55、0.60、0.71、0.76、0.81；图 5）。

我们对AUC进行了类似的2 × 9方差分析（ANOVA）（图5）。未发现交互作用（F(8,232) = 1.30，p = 0.24）。存在显著的处理前/处理后差异（F(1,29) = 7.39，p = 0.01）。处理后的AUC比处理前高108.12%。受试者间差异也具有显著性（F(8,232) = 2.47，p = 0.01）。在9名受试者中有7名的AUC升高，其中2名受试者的处理前/处理后差异显著（t(8)，每位受试者的p值分别为0.01、0.04、0.10、0.11、0.48、0.71、0.86、0.87、0.96）。

分析幅值的变异性发现，交互作用无统计学意义（F(8,232) = 1.41，p = 0.19；图5）。从干预前/干预后的评分来看，变异性呈降低趋势（F(1,29) = 2.81，p = 0.10）。编辫处理后，变异性降低了10.36%。受试者间的差异无统计学意义（F(8,232) = 1.26，p = 0.27）。对曲线下面积（AUC）的变异性进行分析，亦未发现显著的交互作用（F(8,232) = 1.28，p = 0.25）。干预前/干预后（F(1,29) = 0.98，p = 0.33）和受试者因素（F(8,232) = 1.06，p = 0.39）均无显著性差异。这些数据表明存在若干重要的显著发现和趋势。幅值和AUC的增加表明，采用适当的编辫方式可能会降低运动阈值（即诱发运动诱发电位所需的经颅磁刺激强度）。编发处理还提高了可靠性，因为变异性有所下降（尽管未达显著水平）。最后，信号强度增强，可能使临床应用效果更佳，但此推论仍属高度推测性。

图1： 筛查。 用于确保患者安全的典型筛查流程。请点击此处查看此图的放大版本。

图2：副作用。在TMS治疗前后监测可能出现的问题。请点击此处查看此图的放大版本。

图3：曲线差异的比较。 左侧样本代表更宽的曲线——更长的直径，这导致整体毛发密度较低。右侧的“更紧密”曲线往往导致整体更浓密的头发。请点击此处查看此图的放大版本。

图 4：Sol 方法。（A）将可操作的发束从目标点拉开。（B-D）逐步进行玉米辫编织，以形成清晰的图案。为了获得更好的运动诱发电位以及（E）腾出目标区域，必须将头发紧贴头皮编织（即编织成玉米辫）。从头发任意一侧的标记点开始，分离出一束头发。用该发束将头发再垂直分成三部分，然后开始编玉米辫。编玉米辫时，将左侧发束放在左手，右侧发束放在右手。中间的发束保持平贴于头皮，但用一只手或两只手的食指将其压住。取右侧的发束，从中间发束上方穿过，并将其置于中间与左侧发束之间。然后对左侧发束做相同操作，从中间发束上方穿过。继续依次取出发束，每次都从中间发束上方穿过。在此过程中，同时沿着头皮向下逐步添加邻近的头发到已分开的部分中。持续此操作，直到完成该段头发的编织，确保头发紧贴头皮。继续采用相同的分束和编玉米辫方法，围绕标记的发点进行，直至形成一个“太阳”状图案。请点击此处查看该图的放大版本。

图5： 振幅、曲线下面积及三个干预前/干预后运动诱发电位样本。 展示了全部九名参与者在使用Sol方法编织前后的数据。图中呈现的是传递至M1区的30次经颅磁刺激脉冲。连接干预前与干预后数据的线表示每个样本的均值。缩写：TMS = 经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation）。 请点击此处查看该图的放大版本。

图6：运动诱发电位（MEPs）示例。 编织完成后，运动诱发电位（MEPs）应保持一致且稳定。 缩写：MEPs = 运动诱发电位。 请点击此处查看该图的放大版本。

讨论

辫子的走向不应影响经颅磁刺激（TMS）线圈的角度（例如45°）。如果存在干扰，可能需要重新编一条辫子以解决此问题。若操作正确，运动诱发电位（MEPs）应保持一致（图6）。

通过利用卷曲或粗糙头发的特性，这种 braiding 方法能够保持 TMS 信号的完整性。在本研究中，我们显著增加了 MEP 的幅度，并发现其一致性呈上升趋势。这些数据具有重要意义，我们相信该方法将有助于未来的 braiding 研究。与大多数新兴技术一样，我们相信并鼓励本领域其他研究者进一步推动该技术的发展。

少数族裔中代表性不足的个体参与临床研究的人数可能较少，其原因可能是头发会影响神经调节信号。此外，头发较浓密的个体在接受经颅磁刺激（TMS）时，可能接收到不适当的TMS强度。这不仅引发安全性问题，也带来了疗效方面的担忧。

尽管未收集相关数据，但我们注意到，参与者普遍 appreciates 研究过程中给予他们的尊重以及包含的评论，例如"感谢您‘尊重头发’"。因此，附加益处包括改善科研或临床环境。通过实践可将每个区域的操作时间缩短至约 3–6 分钟。因此，在典型的临床重度抑郁障碍治疗过程中，若需定位两个区域（目标区域和运动阈值区域 M1），治疗时间将增加 6–12 分钟。

本研究进一步明确了种族和族裔少数群体人群可能获得的益处，我们认为这应成为推动采用更多循证方法以促进该领域多样化的动力。希望未来的研究能够重新审视其他技术，从而提高科学研究的多样性并增强其严谨性。

未来的研究应探讨不同类型的经颅磁刺激（例如：重复性经颅磁刺激rTMS、配对脉冲刺激）、脑电图（EEG）或任何脑刺激技术，以及这些技术目前如何应用于代表性不足的人群中。未来的研究应纳入对照人群，并采用神经导航技术和更大的样本量。通过建立一种暴露头皮的编发方法，我们希望已改进了这些脑刺激技术与相关设备。我们还希望促使研究人员关注这些相同技术在代表性不足的少数群体中为何会失败²¹。尽管我们承认本研究尚属初步，但我们认为这些数据对于快速传播具有重要意义。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Android Samsung 平板电脑（用于运动诱发电位检测）
布质卷尺
符合 COVID 防控要求的消毒剂及安全口罩/手套
8 字形铜质经颅磁刺激线圈
Lenovo T490 笔记本电脑
Magstim 200 单脉冲刺激器
Magstim 标准线圈支架
Speedo 泳帽
Testable.Org 账户及软件
Trigno 两导联传感器（用于运动诱发电位检测）
Trigno 基站及绘图软件（用于运动诱发电位检测）