Name: 结合经颅磁刺激和功能磁共振成像检查默认模式网络 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2010-12-28T17:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 2 s
Description: 了解经颅磁刺激与功能磁共振成像联合技术，用于研究默认模式网络的脑激活变化。该方法通过调节皮层兴奋性，帮助神经科学研究人员深入探索脑网络动态与认知功能机制。

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1. 准备
<ol class="lalpha">
<li>首先，获取受试者的基线解剖扫描图像。该步骤应在实际实验前数天完成。</li>
<li>接着，将扫描图像导入无框架立体定向软件系统中。</li>
<li>最后，定位并确定刺激靶点坐标。本例中，靶区为左侧下顶小叶。</li>
</ol>
2. 初始扫描
<ol class="lalpha">
<li>实验当天，受试者将再次从 MRI 机器中开始实验。</li>
<li>首先进行解剖扫描。</li>
<li>接下来进行三次功能性实验扫描。本实验中的任务非常简单：在受试者的中央视野中呈现一个注视点，受试者只需被动地凝视该点即可。</li>
</ol>
3. 经颅磁刺激准备
<ol class="lalpha">
<li>由于重复经颅磁刺激（rTMS）的效果是暂时的，因此在结合TMS与fMRI时时间至关重要。必须在刺激结束后尽快将受试者重新送回扫描仪中。鉴于此，建议使用便携式TMS设备，并将其安置在紧邻或尽可能靠近扫描室的房间内。本实验中，我们在扫描室隔壁的观察间内使用了一套便携式设备。</li>
<li>将受试者的预定位基线MRI图像载入立体定位软件系统。</li>
<li>最后，将刺激线圈与立体定位设备连接并进行校准——在本例中，我们将对准一组红外传感器，以确定线圈的中心位置。</li>
</ol>
4. 确定经颅磁刺激参数
<ol class="lalpha">
<li>受试者到达后，让其舒适地坐在椅子上。</li>
<li>接下来，使用立体定位设备校准受试者的头部。本实验中，我们将使用红外传感器记录多个定位基准点：双耳、鼻尖和鼻根点。</li>
<li>确定受试者的静息运动阈值。</li>
<li>若要兴奋受试者的皮层，需将经颅磁刺激（TMS）设备设置为20 Hz频率，刺激强度为运动阈值的110%；若要抑制受试者的皮层，则将TMS设备设置为1 Hz频率，刺激强度同样为运动阈值的110%。尽管在完整的研究过程中需对这两个参数进行系统性探索，但本文仅讨论20 Hz的兴奋性重复经颅磁刺激（rTMS）序列。</li>
<li>最后，设置刺激模式为每2秒一组刺激，间歇期为28秒。</li>
</ol>
5. TMS 刺激
<ol class="lalpha">
<li>在刺激开始前，需先让受试者做好准备，以便在经颅磁刺激（TMS）后直接进入扫描仪。准备工作包括移除所有金属物品，并确保受试者已使用过洗手间。</li>
<li>将线圈与头皮呈切线方向放置，使用立体定位设备定位并确定受试者的刺激靶点。</li>
<li>开启仪器的线圈冷却系统。</li>
<li>开始刺激！本实验方案共进行45次刺激序列。每次刺激持续2秒，间隔28秒，总刺激时间为23分钟。</li>
</ol>
6. 返回扫描仪
<ol class="lalpha">
<li>刺激结束后，应尽快让受试者重新进入扫描仪。为使这一过程尽可能顺畅，请确保扫描仪已准备就绪。建议抬高扫描仪的体位平台，并将定位扫描的次数和持续时间减少到最低限度。</li>
</ol>
7. 最终扫描
<ol class="lalpha">
<li>由于重复经颅磁刺激（rTMS）的效果是暂时的，最后一次扫描应首先进行功能成像。我们仍将进行三次、每次6分钟的被动注视功能扫描。</li>
<li>实验扫描完成后，再进行解剖像扫描。</li>
</ol>
8. 典型结果
<img src="/files/ftp_upload/2271/2271fig1.jpg" alt="脑活动示意图，TMS研究，左右半球，刺激前后比较。" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图1"> 图1. 数据表明，对左侧下顶叶皮层施加20 Hz的rTMS刺激虽然增强了局部兴奋性，但会降低默认网络内的功能连接。

<ol><li>Raichle, M. E., MacLeod, A. M., Snyder, A. Z., Powers, W. J., Gusnard, D. A., Shulman, G. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+default+mode+of+brain+function%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Nat.+Acad.+Sciences%22%5BJournal%5D)">A default mode of brain function.</a> Proc. Nat. Acad. Sciences. 98 (2), 676-682 (2001).</li>
<li>Buckner, R. L., Andrews-Hanna, J. R., Schacter, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+brain%27s+default+network%3A+anatomy%2C+function+and+relevance+to+disease%5BTitle%5D)+AND+%22Ann.+N.Y.+Acad.+Sci%22%5BJournal%5D)">The brain's default network: anatomy, function and relevance to disease.</a> Ann. N.Y. Acad. Sci. 1124, 1-38 (2008).</li>
<li>Raichle, M. E., Snyder, A. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+default+mode+of+brain+function%3A+a+brief+history+of+an+evolving+idea%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">A default mode of brain function: a brief history of an evolving idea.</a> Neuroimage. 37 (4), 1083-1090 (2007).</li>
<li>Whitfield-Gabrieli, S., Thermenos, H. W., Milanovic, S., Tsuang, M. T., Faraone, S. V., McCarley, R. W., Shenton, M. E., Green, A. I., Nieto-Castanon, A., LaViolette, P., Wojcik, J., Gabrieli, J. D., Sidman, L. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hyperactivity+and+hyperconnectivity+of+the+default+network+in+schizophrenia+and+in+first-degreerelatives+of+persons+with+schizophrenia%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Nat.+Acad.+Sciences%22%5BJournal%5D)">Hyperactivity and hyperconnectivity of the default network in schizophrenia and in first-degreerelatives of persons with schizophrenia.</a> Proc. Nat. Acad. Sciences. 106 (4), 1279-1284 (2009).</li>
<li>Pomarol-Clotet, E., Salvardor, R., Sarro, S., Gomar, J., Vila, F., Martinez, A., Guerrrero, A., Ortiz-Gil, J., Sans-Sansa, B., Capdevila, A., Cebamanos, J. M., McKenna, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Failure+to+deactivate+the+prefrontal+cortex+in+schizophrenia%3A+dysfunction+of+the+default+mode+network%3F%5BTitle%5D)+AND+%22Psychol+Med%22%5BJournal%5D)">Failure to deactivate the prefrontal cortex in schizophrenia: dysfunction of the default mode network?</a> Psychol Med. 38 (8), 1185-1193 (2008).</li>
<li>Garrity, A. G., Pearlson, G. D., McKiernan, K., Lloyd, D., Kiehl, K. A., Calhoun, V. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aberrant+%22default+mode%22+functional+connectivity+in+schizophrenia%5BTitle%5D)+AND+%22American+Journal+of+Psychiatry%22%5BJournal%5D)">Aberrant "default mode" functional connectivity in schizophrenia.</a> American Journal of Psychiatry. 164, 450-457 (2007).</li>
<li>Kennedy, D. P., Redcay, E., Courchesne, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Failing+to+deactivate%3A+Resting+functional+abnormalities+in+autism%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Nat.+Acad.+Sciences%22%5BJournal%5D)">Failing to deactivate: Resting functional abnormalities in autism.</a> Proc. Nat. Acad. Sciences. 103 (21), 8275-8280 (2007).</li>
<li>c Buckner, R. L., Snyder, A. Z., Shannon, B. J., LaRossa, G., Sachs, R., Fotenos, A. F., Sheline, Y. I., Klunk, W. E., Mathis, C. A., Morris, J. C., Mintun, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular%2C+structural%2C+and+functional+characterizations+of+Alzheimer%27s+disease%3A+evidence+for+a+relationship+between+default+activity%2C+amyloid%2C+and+memory%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Molecular, structural, and functional characterizations of Alzheimer's disease: evidence for a relationship between default activity, amyloid, and memory.</a> Journal of Neuroscience. 34, 7709-7717 (2005).</li>
<li><a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Handbook+of+Transcranial+Magnetic+Stimulation%22">Handbook of Transcranial Magnetic Stimulation</a>. Pascual-Leone, A., Davey, M., Wassermann, E. M., Rothwell, J., Puri, B. , Edward Arnold. London. (2002).</li>
</ol>

无利益冲突声明。

进行离线 TMS/MRI 实验时，最重要的考虑因素可能是从刺激部位到 MRI 扫描室的快速且顺畅的过渡。因此，值得重新审视前述若干有助于实现这一过渡的建议。第一：使用便携式 TMS 设备，并将其安置在尽可能靠近 MRI 扫描室的位置。第二：规避 MRI 设备中预设的任何自动待机或类似机制。第三：确保在受试者完成 TMS 刺激之前，已将扫描平台升起并加载好刺激材料。最后，第四：切勿独自完成所有这些工作。每次实验至少应有两名研究人员同时参与，分别负责 TMS 部分和 MRI 部分。

<table><tbody><tr><td>配备 fMRI 功能的 MRI 设备（视频中所示为 Philips）</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>具备重复刺激能力的 TMS 设备（视频中所示为 Magstim）</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>无框架立体定位设备（视频中所示为 Brainsight）</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>耳塞</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>受试者刺激时使用的座椅</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>背投屏幕或与 MRI 兼容的护目镜</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>空白刺激屏幕</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

结合经颅磁刺激与功能性磁共振成像研究默认模式网络

Combining Transcranial Magnetic Stimulation and fMRI to Examine the Default Mode Network

默认模式网络是一组脑区，当个体未专注于外部世界且大脑处于“清醒静息”状态时，这些脑区会变得活跃。1,2,3 人们认为，默认模式网络与自我参照或“内在思维”相关。2,3
已有假说认为，在人类中，默认模式网络内的活动与某些病理状态相关（例如，该网络的过度激活已被关联到精神分裂症4,5,6和自闭症谱系障碍7，而其激活不足则与阿尔茨海默病及其他神经退行性疾病相关8）。因此，对该网络进行非侵入性调节可能为多种与网络异常激活相关的神经及精神疾病提供潜在的治疗干预手段。一种可能实现这种调节的工具是经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation）：这是一种非侵入性的神经刺激与神经调控技术，可通过施加局部磁脉冲，暂时或持久地调节皮层兴奋性（使其升高或降低）9。
为了探究默认模式网络对调节的倾向性及其耐受性，我们将结合经颅磁刺激（TMS，靶向左侧下顶叶）与功能磁共振成像（fMRI）进行研究。本文将详细阐述成功整合这两种神经科学技术所需的实验方案及注意事项。

本文探讨了联合使用经颅磁刺激（TMS）与功能性磁共振成像（fMRI）以研究脑刺激对默认网络影响的方法学及相关注意事项。

默认模式网络是一组在个体未专注于外部世界且大脑处于“清醒休息”状态时活跃的脑区。

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。

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Research

科研

JoVE Journal

Neuroscience

神经科学

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来源：Shafi, M. M., et al. 一种基于多模态成像与刺激的评估癫痫患者脑连接相关兴奋性的方法。J. Vis. Exp.

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背外侧前额叶皮层的经颅磁刺激联合脑电图记录

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