利用功能成像绘制人类听觉皮层在θ爆发刺激后的效应图谱

本实验的总体目标是将功能性脑成像与经颅磁刺激相结合，以研究听觉皮层。该目标通过以下步骤实现：首先进行功能性磁共振定位扫描，以识别与听觉任务相关的脑网络；其次，基于功能性磁共振定位扫描的数据确定刺激靶点。

接下来，进行功能性磁共振扫描，以测量刺激前听觉皮层的活动情况。然后使用神经导航工具，根据受试者的个体解剖结构和功能定位经颅磁刺激线圈的位置。此过程在受试者躺在扫描仪床面上时进行。

为了尽量避免受试者在扫描室内外反复移动，最后一步是尽快将受试者滑入磁共振扫描仪孔内，并立即开始功能磁共振成像（fMRI）数据采集。最终，fMRI能够绘制经颅磁刺激（TMS）诱导的效应。数据显示，TMS之后，听觉网络出现了功能重组。

TMS 是一种用于研究特定脑区与认知功能之间因果关系的独特工具。然而，由于缺乏关于 TMS 诱导的脑活动变化的位置和性质的信息，其解释受到限制。因此，我们决定将 TMS 与功能成像相结合，以确定 TMS 所引发的功能性变化。

本研究与以往研究的区别在于，我们在标准的离线TMS和功能磁共振成像（fMRI）过程中，将经颅磁刺激（TMS）操作直接在扫描室内进行。以往的方法要求受试者离开磁共振成像（MRI）室，前往另一个房间接受TMS刺激，然后再尽快返回。而在第二次fMRI扫描期间，这种往返过程可能会引入脑部变化的变异性，影响TMS干预效果的稳定性，而我们的方案可避免这一问题。

头部位置保持相对稳定，这使得我们在比较治疗前和治疗后的功能磁共振成像（fMRI）数据时能够获得更高的准确性。此外，经颅磁刺激（TMS）及其效应的定位也将更快。本方案分为为期两天的实验流程。

第一天包括一次功能性磁共振成像（fMRI）定位扫描，包含解剖像和功能像扫描，用于确定经颅磁刺激（TMS）的目标脑区。第二天包括在第一天TMS干预前后分别进行的fMRI扫描，同时要求参与者在扫描仪外练习旋律辨别任务。在此任务中，受试者需判断两段连续的五音符旋律是否相同或不同。

还包含一项非歧视性听觉对照任务，受试者会听到由五个相同音高（均为中央C音高）的音符组成的等长音符序列，并在第二个音符结束后按下按钮。接下来，开始MRI扫描，首先获取高分辨率的MR解剖图像。然后使用梯度回波EPI脉冲序列和稀疏采样范式采集功能图像，以最大程度减少MRI扫描引起的BOLD效应或听觉掩蔽效应。

扫描完成后存在噪声。使用解剖和功能标志共同确定被试的刺激位点。需注意，由于电场强度随深度衰减，经颅磁刺激（TMS）对刺激位点的深度存在局限，无法有效到达超过3厘米深度的脑区。

尽管个体之间在解剖结构和功能上存在差异，对每位参与者使用相似的定位标志仍然至关重要。因此，应利用解剖学标志，根据哈佛牛津结构图谱模板（Harvard Oxford structural Atlas masks）所定义的heschel's gyrus来确定其位置。图中以绿色显示该模板，随后通过在heschel's gyrus内寻找激活峰值来确定经颅磁刺激（TMS）的目标位点，该位点在图中以蓝色圆点表示。

同时将顶点作为对照位点，以控制经颅磁刺激（TMS）的非特异性效应，例如声学和躯体感觉伪迹。该位点在解剖学上定义为枕外隆突与鼻根中点，且与左右外耳道切迹等距。注意，刺激位点的呈现顺序应在不同个体间进行交叉平衡。

在进行经颅磁刺激（TMS）实验的当天，安装所有设备，首先设置无框架立体定位导航系统。

计算机系统必须放置在扫描室门外，靠近房门的位置，该房门在应用经颅磁刺激（TMS）期间将保持开启。系统的配准工具和追踪器均具备磁共振兼容性，多关节臂也具备兼容性。此处使用的红外相机不具备磁共振兼容性，因此必须放置在扫描室内靠近扫描仪门、距离扫描床两米远的位置。

TMS 刺激系统应放置在靠近 MRI 扫描室的相邻房间内。在扫描室内，将使用一个与 MRI 兼容的 TMS 线圈，通过一根七米长的电缆，经射频滤波管负载连接至 TMS 系统，并将受试者的解剖和功能图像以及刺激靶点导入立体定向软件包。在开始扫描前，我们将定位受试者的右侧颞横回作为刺激靶点。

让受试者填写磁共振筛查表，并移除所有金属物品。然后开始磁共振数据采集，进行与定位扫描会话中相同的解剖和功能扫描。接下来，将扫描仪床滑出，并在整个经颅磁刺激（TMS）会话期间保持体位平台处于抬高状态。

取下头部上方的 Mr.Head 线圈，将头带和追踪器组固定在受试者的头部，并将多关节臂安装到扫描仪床体上。然后将与磁共振兼容的 TMS 线圈固定在机械臂上。在此处确认所有追踪器和线圈均位于相机的视野范围内。

摄像头位于受试者右侧稍偏的位置，以便更方便地追踪线圈的位移。当靶向右半球时，使用立体定位导航工具校准受试者的头部，将鼻尖、鼻根点以及双侧耳廓的耳屏与解剖数据中的相同标志点进行共配准。此过程需要两名实验人员共同完成。

第一步，在受试者头部位置和计算机旁操作，于计算机上执行注册。下一步，将磁共振兼容的经颅磁刺激线圈置于紧贴头皮的位置，线圈追踪器朝向红外相机。线圈应调整为手柄朝后，且与中线平行。

使用多关节臂上的螺丝固定线圈位置。现在打开经颅磁刺激（TMS）系统并开始刺激。TMS 应按照模式化方案进行，例如持续性theta脉冲刺激，即以50赫兹频率发出三个脉冲，以5赫兹频率重复，持续40秒。

该方案已被证明可在健康人群中调节皮层可塑性，持续时间可达刺激结束后30分钟。刺激完成后，应尽快将受试者重新放回扫描仪中。移除所有经颅磁刺激（TMS）设备，并将受试者的头部滑入MR头部线圈中。

确保扫描序列已准备就绪，定位扫描的次数和持续时间已减少到最低限度。由于重复经颅磁刺激（rTMS）的效果是暂时的，最终的扫描应以功能扫描开始。再次，在旋律任务持续12分钟的过程中进行功能磁共振成像（fMRI）扫描。

功能扫描完成后，接着进行解剖扫描。实验结束后，分别对每次 FMRI 会话的 T-M-S-F-M-R-I 会话前和会话后 FMRI 数据进行独立分析。对旋律任务与听觉控制任务之间的差异进行对比。

然后，为了评估T-M-S-F-M-R-I干预前后会话之间的差异，使用学生的配对T检验进行随机效应分析。此处显示的是单个参与者在T-M-S-F-M-R-I干预前会话和干预后会话中，旋律辨别任务减去听觉控制任务对比的结果。T-M-S-F-M-R-I干预前后会话的坐标均显示在MNI 152标准空间中，以展示刺激部位对侧左半球的改变，包括Heschl回。此处我们可以看到使用学生的配对T检验对T-M-S-F-M-R-I干预后减去干预前会话进行对比的结果。

数据表明，针对右侧Heschl回的CTBS可诱导对侧听觉皮层及其他对侧区域信号增强。此外，我们还观察到两侧半球听觉皮层之间功能连接性的变化。观看本视频后，您应能够充分理解如何使用TMS神经导航设备定位特定脑区，以及如何在磁共振（ML）环境中进行TMS操作。

该方法使研究人员能够利用功能磁共振成像（fMRI）绘制经颅磁刺激（TMS）对听觉皮层的影响。然而，该方法也可用于靶向其他感兴趣区域，例如额叶或顶叶区域。