结合经颅磁刺激与功能性磁共振成像研究默认模式网络

本实验的总体目标是利用重复经颅磁刺激改变皮层兴奋性，随后通过功能磁共振成像（fMRI）检测这些干预对默认网络脑区激活的影响。首先，需获取受试者的基线解剖学影像，用于定位皮层刺激靶点；其次，在实施刺激前，需采集多组静息态fMRI数据。

该操作流程的第三步是采用具有调节效应的刺激参数，对选定的皮层靶点施加经颅磁刺激（TMS）。最后一步是再次获取多次功能成像数据。最终，可通过血氧水平依赖成像分析，获得显示经颅磁刺激引起默认网络激活变化的结果。

与单独使用功能性磁共振成像（fMRI）相比，该技术的主要优势在于，通过经颅磁刺激（TMS），我们可以调控某一脑区以观察其网络动态。该方法有助于回答认知神经科学领域中的关键问题。它不仅能够更清晰地阐明特定静息态网络（如默认网络）内部的相互作用，还能帮助我们更好地理解默认网络与其他静息态网络之间的相互作用。

在实际进行经颅磁刺激（TMS）和功能成像实验前数天，安排受试者前往扫描仪室进行一次基线解剖扫描，该扫描将用于TMS操作过程中的神经导航。首先让受试者完成。

所有必要的文件资料，包括研究知情同意书及其他研究相关文件。应包含标准的磁共振成像（MRI）筛查表，并仔细审查以确保受试者无 MRI 检查的禁忌症，例如支架或动脉瘤夹。同时，借此机会对受试者进行经颅磁刺激（TMS）的预先筛查，并详细解释实验的具体内容。

接下来，将受试者带至扫描仪处，并让其平躺在扫描床上。应采集包含整个头部（包括耳朵、鼻子和头皮）的三维T1加权SPGR MP-RAGE或类似序列图像，扫描视野需覆盖全部区域。建议层厚约为1毫米。

将此扫描图像载入即将在经颅磁刺激（TMS）过程中用于神经导航的无框架立体定向软件中，并利用该软件定位并确定刺激坐标。在本实验中，我们将靶向定位实验当天显示于此处的左侧下顶叶。请注意，重复经颅磁刺激（rTMS）的神经调节效应是暂时性的，因此在开展TMS与功能磁共振成像（fMRI）联合实验时，时间至关重要。

因此，应采取以下步骤以确保实验步骤之间的及时过渡。首先，将便携式经颅磁刺激（TMS）设备放置在靠近扫描室的相邻房间或尽可能接近的位置。在本实验中，该系统被设置在扫描仪旁边隔壁的观察室内。

但务必确保所有不兼容 MRI 的设备始终位于五高斯线以外。其次，确保受试者先前获取并预先定位的解剖学 MRI 图像已载入立体定位软件包中，并可在 TMS 操作过程中随时使用。最后，将立体定位设备连接至刺激线圈，并使用您选择的软件包对线圈进行校准。

此处一组红外传感器已对准以检测线圈的中心位置。实验装置完成后，需对受试者进行 MRI 扫描前的准备，重新筛查 MRI 安全性，并让受试者移除所有金属物品，确保其已使用过洗手间。将受试者带入扫描室，舒适地安置于扫描床之上，根据需要提供背部和颈部支撑，以确保其舒适。

扫描过程中，连接头部线圈，并在受试者头部周围使用泡沫垫以减少头部运动伪影。采集定位像扫描以及初始的解剖学扫描图像。随后，进行三次每次六分钟的功能性实验扫描。

我们建议采用以下参数：使用回波平面成像，重复时间为2.5秒，体素大小为3毫米，并覆盖全脑视野。在每次扫描过程中，于受试者视野中央呈现一个注视点，指导受试者保持放松，被动地凝视该点。此类简单的注视任务适用于检测默认网络的激活情况。

完成初始的功能扫描后，协助受试者离开扫描仪，并让其舒适地坐在经颅磁刺激（TMS）设备旁边的椅子上。提供耳塞以在刺激过程中保护听力。

接下来，让受试者接触经颅磁刺激（TMS）设备和刺激线圈。在受试者头部附近释放几个脉冲，使其熟悉刺激时产生的响亮的咔嗒声，并在手部区域释放一个脉冲，使其感受脉冲引起的轻敲感。现在，您已准备好使用立体定位设备对受试者头部进行校准。

首先将红外追踪器放置在受试者头部的此处。使用红外传感器记录多个解剖标志点，包括双耳、鼻部和鼻根点。这些标志点由立体定位软件包进行记录，从而使先前获取的解剖扫描图像与受试者头部实现共配准。

接下来，确定受试者的静息运动阈值。在本方案中，使用单脉冲刺激初级运动皮层（如图所示），移动线圈并调整刺激强度，直到找到能在对侧手部引出八次中四次肌肉抽动的区域。最后，将经颅磁刺激（TMS）设备的刺激强度和参数设定为后续刺激过程中将使用的数值。

本实验采用 20 赫兹、110% 运动阈值的刺激，刺激模式为 2 秒刺激串与 28 秒休息间隔，该参数已被证明可增强皮层兴奋性。在后续实验中，可使用 1 赫兹刺激以探究其抑制效应。现在我们已准备好开始实验的经颅磁刺激（TMS）部分，因此请再次确认受试者处于舒适状态，并已准备好直接返回扫描仪中继续实验。

在TMS会话之后。刺激前，将线圈紧贴头皮表面放置，并使用立体定向设备和软件显示来定位并瞄准受试者先前确定的皮层刺激位点，然后打开机器的冷却系统。现在将线圈保持在皮层目标区域上方，开始刺激。

以先前定义的参数进行45次刺激序列，每次序列持续2秒，间隔28秒。总刺激时间应为23分钟。经颅磁刺激（TMS）结束后，应立即将受试者尽快送回扫描仪床，并立即开始最后的功能成像扫描，以确保捕捉到短暂的离线TMS效应。将定位扫描的次数和时长减少到最低限度，以便尽快启动功能扫描。快速使用与初始扫描相同的成像参数，即进行三次六分钟的被动注视扫描，采用相同的注视范式。

所有功能成像完成后，使用与先前扫描会话相同的成像参数获取最终的高分辨率解剖图像。最后，协助受试者离开扫描仪。务必转移并归档所有成像数据，并感谢受试者的参与。

在获取至少15名受试者的数据后，可选用您熟悉的fMRI处理软件包进行影像的后处理及后续的多受试者分析。此处展示的是对左侧下顶叶施加20赫兹刺激的代表性结果。尽管20赫兹的经颅磁刺激（TMS）可增强局部兴奋性，但数据显示其会降低默认网络内的功能连接性。在实施该操作时，务必记住在刺激结束后尽快将受试者转移至扫描仪中，以便对重复经颅磁刺激（rTMS）的瞬时效应进行成像。

我们还可以调整经颅磁刺激（TMS）的刺激参数。例如，可以提高TMS设备的刺激强度，以评估其对默认网络的影响是否具有参数依赖性。我们还可以尝试使用theta节律刺激。

最后，我们可以通过在TMS后进行不同类型的MRI设计来观察TMS的效果，例如在认知任务期间采用区组设计或事件相关设计。