Name: 提取脑电数据视觉诱发电位记录在功能磁共振成像引导下经颅磁刺激 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-05-12T21:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 36 s
Description: 学习在功能磁共振成像引导下经颅磁刺激期间提取可靠脑电事件相关电位的方法。本技术通过高分辨率功能磁共振扫描定义刺激区域，设计脑电实验以提取经颅磁刺激伪影模板，并使用立体定向导航系统精确定位目标。该方法允许在经颅磁刺激期间记录脑电数据，并通过伪影减法获得干净的脑电信号。

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我们感谢 David Pitcher 在本项经颅磁刺激（TMS）实验中的宝贵贡献。本研究由 Levie-Edersheim-Gitter 脑图谱研究所向 B.S. 提供的奖学金、沃尔夫森基金会（Wolfson Foundation）的资助、以色列科学基金会（Israeli Science Foundation）资助项目 65/08 和 1657/08，以及英国文化协会研究人员交流计划（British Council Researcher Exchange Programme）向 G.Y. 提供的差旅资助支持。&#160;&#160;&#160;&#160;&#160;实验在特拉维夫索拉斯基医疗中心（Tel-Aviv Sourasky Medical Center）的 Wohl 先进影像研究所完成。

实验分为两个独立的阶段进行。在第一阶段，进行功能磁共振成像实验（例如，功能定位实验），以在个体受试者基础上确定理想的经颅磁刺激（TMS）靶区。随后将fMRI结果输入立体定向导航系统，以实现精确的TMS靶向定位。第二阶段在fMRI数据分析完成后进行，在此期间同步记录脑电图（EEG）和经颅磁刺激（TMS）信号。本文所述方案已获得特拉维夫索拉斯基因医疗中心伦理委员会的批准。
本文示例中，数据采用 MATLAB&#160;版本 7.7 (R2008b)&#160;进行分析。fMRI 数据处理使用了 MATLAB&#160;的统计参数映射软件（SPM 5）以及 SPM 23 的 MarsBar 工具箱。
1. fMRI 扫描会话及 fMRI 数据分析
<ol>
	<li>使用回波平面成像（EPI）序列进行功能性磁共振成像任务，以确定拟通过经颅磁刺激（TMS）靶向的脑区激活焦点。为了更好地分离相邻脑区（如下文示例中的枕骨下面部区[OFA]和躯体外侧区[EBA]），建议采用高分辨率扫描。推荐使用3 mm体素3 或使用8个及以上通道的MRI头部线圈获得的更小图像，足以清晰界定相邻区域。</li>
	<li>运行T1加权结构像扫描以获取神经解剖学数据。确保受试者的面部完全包含在该扫描的视野范围内，因为图像上的外部标记（例如 鼻尖将用于后续与受试者的扫描图像进行共同配准。</li>
	<li>数据采集完成后，使用 SPM 的 MarsBar 工具箱，基于实验条件之间的对比来定义感兴趣的脑区。使用 face 对比&#62;物体用于定义枕部面孔区（OFA），以及身体&#62;通过定义枕外带状体区域（EBA）的物体来确保两个皮层靶区在功能上相互区分，使用 &#34;连接&#34; （在 MarsBar 中）从每个感兴趣区（ROI）中排除对另一种实验条件有反应的体素（从 EBA 中排除对面有反应的体素，从 OFA 中排除对身体有反应的体素）。</li>
	<li>使用 SPM 将结构 T1 图像与功能扫描图像进行共配准。</li>
	<li>将结构扫描文件以及相关功能对比文件复制到便携式存储设备，以便上传至导航系统。</li>
</ol>
2. 准备可用于提取事件相关电位的脑电图-经颅磁刺激实验范式
下文所述方法可用于在经颅磁刺激（TMS）过程中采集脑电图（EEG）数据，从而提取可靠且可重复的事件相关电位（ERPs）19。该技术的优势在于能够有效处理TMS产生的次要、持续时间较长的人工伪迹，且具有足够的鲁棒性，甚至可在TMS线圈正下方的电极处恢复数据，这些位置的伪迹电压最高、持续时间最长。
<ol>
	<li>实验范式的组织
	<ol>
		<li>将不同的经颅磁刺激（TMS）条件（包括不同的目标脑区，以及无TMS条件）在独立的实验区块中进行。</li>
		<li>在每个区块内，以事件相关设计随机向被试呈现所有刺激条件（例如 面孔、物体、场景等）。</li>
		<li>为了获得更高质量的事件相关电位（ERP）和TMS噪声模板（见下文），请确保每种条件至少包含50次试验。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>设置TMS脉冲的时序，使其在图像呈现开始后的目标潜伏期触发。该操作通过向并行端口写入信号实现，该端口通过电缆连接至TMS刺激器。大多数心理学实验软件均支持此功能，例如MATLAB&#160;24中的Psychtoolbox（版本2或3）或E-Prime（参见 材料表）。通过抖动刺激间间隔（ISI）以降低刺激（及脉冲）的可预测性（例如，在每次ISI中加入0至500毫秒之间的随机值）。</li>
	<li>准备一个额外的空白屏幕条件：
	<ol>
		<li>设计一些试验，在这些试验中以相同强度施加TMS，但屏幕上不呈现任何视觉刺激。这些空白屏幕TMS试验将用于在无视觉刺激的情况下计算TMS伪迹模板。</li>
		<li>设置空白试验的重复次数，使其与区块内任一实验条件的重复次数相同。</li>
		<li>为了更准确地反映TMS残余伪迹的波形特征，应将空白试验随机分布在整个区块中，而不是全部集中在开始或结束阶段。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 设置脑电图仪与神经导航系统并开展实验
通过使用立体定向导航系统，可以实现对个体化定义的感兴趣区域（ROI）进行精确的经颅磁刺激（TMS）定位，该系统由红外相机、安装在受试者头部的红外传感器以及专用软件组成。
<ol>
	<li>根据经颅磁刺激（TMS）安全标准筛选受试者。排除有癫痫个人史或家族史、其他神经系统疾病、频繁偏头痛或正在服用精神活性药物的受试者。尽管通常不作为常规筛查项目，但怀疑患有自主神经功能障碍（如血管迷走性晕厥，主要表现为容易晕厥）的受试者也可予以排除。要求受试者从实验前一晚开始避免饮酒，并在实验前至少2小时避免摄入含咖啡因的饮料。&#160;&#160; 有关安全性的进一步说明和讨论，请参见 Rossi&#160;et al25 以及 Magstim 安全审查文件（<a href="http://joedevlin.psychol.ucl.ac.uk/tms/docs/magstim_safety.pdf">http://joedevlin.psychol.ucl.ac.uk/tms/docs/magstim_safety.pdf</a>）。</li>
	<li>准备神经导航系统：
	<ol>
		<li>在实验开始前，将结构像扫描文件导入导航系统的软件中。</li>
		<li>将功能磁共振成像（fMRI）结果（对比图）叠加到结构图像上。</li>
		<li>使用神经导航软件，在图像上标记目标区域，以及用于配准的外部解剖标志点：鼻尖、鼻梁最凹陷处（常称为鼻根点），以及双侧耳屏。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在受试者头部佩戴脑电图（EEG）帽并连接电极：
	<ol>
		<li>尽量使电极阻抗不超过5 kΩ。</li>
		<li>为避免TMS引起的电极发热，应尽可能少使用导电膏。为在少量导电膏条件下获得良好的阻抗，需进行充分的皮肤准备。可选地，可要求受试者在实验前来之前清洗头发。</li>
		<li>确保电极导线不相互交叉，并朝远离线圈位置的方向布置，避免形成导线环路。</li>
		<li>使用高采样率以更准确地表征噪声伪迹。建议采样率至少为1 kHz，这与大多数先前采用该方法的研究一致7,26-28。</li>
		<li>将参考电极和接地电极尽可能远离线圈放置。在本示例中，使用鼻尖作为参考电极、Fz作为接地电极来靶向枕叶皮层区域7。其他示例见3,4,27,29,30。需注意，数据可根据需要在离线分析时重新参考至新的参考点，例如公共平均参考。 
		注意：有关TMS-EEG设置优化的综述，请参见 Veniero et al31。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将受试者头部与扫描图像进行配准，步骤如下：
	<ol>
		<li>将红外探测器安装在受试者头部。</li>
		<li>使用预设的解剖标志点（如鼻尖等，见图&#160;3）通过导航系统完成头部位置的配准。建议在每个实验区块之间重复进行配准，以确保在所有阶段线圈位置的准确性。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>定位目标区域：
	<ol>
		<li>让受试者坐在椅子上，下巴置于颏托上，与屏幕保持适当距离。</li>
		<li>确保受试者坐姿舒适，因为在实验区块期间需尽量避免身体移动（这对准确测量噪声模板至关重要）。</li>
		<li>从导航系统中选择一个TMS靶点（见图&#160;3）。</li>
		<li>使用指针工具（见材料表），让导航系统引导操作者找到最佳线圈位置，并在电极帽上用小贴纸标记该位置。操作时应保持指针垂直于头部表面。建议在每个实验区块前重复此步骤。需要注意的是，在实验区块期间不建议使用实时导航（即手持线圈进行导航），因为为获得最佳TMS伪迹模板测量结果，应尽量避免线圈移动。研究表明，预先定义并标记TMS刺激位置是实现稳定刺激的最佳方式。</li>
		<li>将线圈的精确中心对准标记点，并由支架固定线圈。确保线圈与头部表面相切。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>将TMS刺激强度设置为所需数值，并给予一次测试脉冲以征得受试者同意。</li>
	<li>运行实验区块。</li>
	<li>无TMS条件：若无专用的假刺激TMS线圈，可将TMS线圈置于受试者头部旁边并旋转90°。按常规运行实验区块，包括空白试验。 
	读者还可参考 Andon 和 Zatorre32 发表的 JoVE 视频论文，以进一步了解导航系统的使用演示。</li>
</ol>
4. 分析脑电图数据并计算事件相关电位
<ol>
	<li>去除即时脉冲伪影，步骤如下：
	<ol>
		<li>如果无法使用裁剪装置（见上文），脑电图（EEG）数据处理的第一步应是从数据中截去紧随经颅磁刺激（TMS）脉冲出现的瞬时伪迹。注意，若不希望使用滤波器，此步骤可跳过。但如果应用了滤波器，伪迹的陡峭边缘将导致数据失真。通常在脉冲起始后 10 至 15 毫秒的窄时间窗内进行截除即可，但需通过数据的目视检查确认该时间窗的适当性。</li>
		<li>连接脉冲去除后产生的两个切割末端。此前已有研究报告提出了实现这一连接的两种主要方法：1. 直接将脉冲去除后剩余的两个末端连接在一起（参见Fuggetta）&#160;等26 和 图&#160;1）；2. 通过在两个切割端点之间生成等间距的数值，插入一条连线7用于此插值的方程如下：对于样本x处的每个缺失数据点y，计算y=y0+((y1-y0)*(x-x0))/(x1-x0）其中 x0 和 y0 是切割段之前最后一个数据点的坐标，以及 x1 和 y1 是裁剪段之后第一个数据点的坐标。这两种技术确保了可以在数据上应用滤波器，而不会因陡峭的电压阶跃产生振铃伪影，如图中所示。 图&#160;1参考Reichenbach及其同事的研究工作27 对于更复杂的3rd 阶多项式插值</li>
	</ol>
	</li>
	<li>应用减量法：
	<ol>
		<li>对于每个实验区组，若存在无经颅磁刺激（TMS）的对照条件，需将空白屏幕试验的事件相关电位（ERP）按试验起始时间点（即假设图像已呈现的时间点）进行时间锁定，并计算其平均ERP。</li>
		<li>从所有其他刺激条件的每次试验中减去该平均模板。如果同一刺激位点进行了多个区块的实验，则需对每个区块分别执行此操作，因为不同区块之间的模板会略有差异。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>所有其他预处理和处理步骤均按照常规ERP实验进行。</li>
</ol>

<ol><li>Pascual-Leone, A., Walsh, V., Rothwell, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transcranial+magnetic+stimulation+in+cognitive+neuroscience--virtual+lesion%2C+chronometry%2C+and+functional+connectivity%5BTitle%5D)+AND+%22Curr+Opin+Neurobiol%22%5BJournal%5D)">Transcranial magnetic stimulation in cognitive neuroscience--virtual lesion, chronometry, and functional connectivity.</a> Curr Opin Neurobiol. 10, 232-237 (2000).</li>
<li>Taylor, P. C., Walsh, V., Eimer, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combining+TMS+and+EEG+to+study+cognitive+function+and+cortico-cortico+interactions%5BTitle%5D)+AND+%22Behav+Brain+Res%22%5BJournal%5D)">Combining TMS and EEG to study cognitive function and cortico-cortico interactions.</a> Behav Brain Res. 191, 141-147 (2008).</li>
<li>Dugue, L., Marque, P., VanRullen, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Phase+of+Ongoing+Oscillations+Mediates+the+Causal+Relation+between+Brain+Excitation+and+Visual+Perception%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">The Phase of Ongoing Oscillations Mediates the Causal Relation between Brain Excitation and Visual Perception.</a> Journal of Neuroscience. 31, 11889-11893 (2011).</li>
<li>Massimini, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Triggering+sleep+slow+waves+by+transcranial+magnetic+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+Natl+Acad+Sci+U+S+A%22%5BJournal%5D)">Triggering sleep slow waves by transcranial magnetic stimulation.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 104, 8496-8501 (2007).</li>
<li>Taylor, P. C., Nobre, A. C., Rushworth, M. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((FEF+TMS+affects+visual+cortical+activity%5BTitle%5D)+AND+%22Cereb+Cortex%22%5BJournal%5D)">FEF TMS affects visual cortical activity.</a> Cereb Cortex. 17, 391-399 (2007).</li>
<li>Thut, G., Miniussi, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+insights+into+rhythmic+brain+activity+from+TMS-EEG+studies%5BTitle%5D)+AND+%22Trends+Cogn+Sci%22%5BJournal%5D)">New insights into rhythmic brain activity from TMS-EEG studies.</a> Trends Cogn Sci. 13, 182-189 (2009).</li>
<li>Sadeh, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stimulation+of+category-selective+brain+areas+modulates+ERP+to+their+preferred+categories%5BTitle%5D)+AND+%22Curr+Biol%22%5BJournal%5D)">Stimulation of category-selective brain areas modulates ERP to their preferred categories.</a> Curr Biol. 21, 1894-1899 (2011).</li>
<li>Bentin, S., Allison, T., Puce, A., Perez, E., McCarthy, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrophysiological+studies+of+face+perception+in+humans%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Cognitive+Neuroscience%22%5BJournal%5D)">Electrophysiological studies of face perception in humans.</a> Journal of Cognitive Neuroscience. 8, 551-565 (1996).</li>
<li>Rossion, B., Joyce, C. A., Cottrell, G. W., Tarr, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Early+lateralization+and+orientation+tuning+for+face%2C+word%2C+and+object+processing+in+the+visual+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Early lateralization and orientation tuning for face, word, and object processing in the visual cortex.</a> Neuroimage. 20, 1609-1624 (2003).</li>
<li>Baker, C. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visual+word+processing+and+experiential+origins+of+functional+selectivity+in+human+extrastriate+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+Natl+Acad+Sci+USA%22%5BJournal%5D)">Visual word processing and experiential origins of functional selectivity in human extrastriate cortex.</a> Proc Natl Acad Sci USA. 104, 9087-9092 (2007).</li>
<li>Kanwisher, N., Yovel, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+fusiform+face+area%3A+a+cortical+region+specialized+for+the+perception+of+faces%5BTitle%5D)+AND+%22Philos+Trans+R+Soc+Lond+B+Biol+Sci%22%5BJournal%5D)">The fusiform face area: a cortical region specialized for the perception of faces.</a> Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci. 361, 2109-2128 (2006).</li>
<li>Op de Beeck,, P, H., Haushofer, J., Kanwisher, N. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interpreting+fMRI+data%3A+maps%2C+modules+and+dimensions%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Rev+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Interpreting fMRI data: maps, modules and dimensions.</a> Nat Rev Neurosci. 9, 123-135 (2008).</li>
<li>Okon-Singer, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Spatio-temporal+indications+of+sub-cortical+involvement+in+leftward+bias+of+spatial+attention%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Spatio-temporal indications of sub-cortical involvement in leftward bias of spatial attention.</a> Neuroimage. 54, 3010-3020 (2011).</li>
<li>Sadaghiani, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((alpha-band+phase+synchrony+is+related+to+activity+in+the+fronto-parietal+adaptive+control+network%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci%22%5BJournal%5D)">alpha-band phase synchrony is related to activity in the fronto-parietal adaptive control network.</a> J Neurosci. 32, 14305-14310 (2012).</li>
<li>Sadeh, B., Podlipsky, I., Zhdanov, A., Yovel, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Event-related+potential+and+functional+MRI+measures+of+face-selectivity+are+highly+correlated%3A+a+simultaneous+ERP-fMRI+investigation%5BTitle%5D)+AND+%22Human+Brain+Mapping%22%5BJournal%5D)">Event-related potential and functional MRI measures of face-selectivity are highly correlated: a simultaneous ERP-fMRI investigation.</a> Human Brain Mapping. 31, 1490-1501 (2010).</li>
<li>Ilmoniemi, R. J., Kicic, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Methodology+for+combined+TMS+and+EEG%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Topogr%22%5BJournal%5D)">Methodology for combined TMS and EEG.</a> Brain Topogr. 22, 233-248 (2010).</li>
<li>Julkunen, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Efficient+reduction+of+stimulus+artefact+in+TMS-EEG+by+epithelial+short-circuiting+by+mini-punctures%5BTitle%5D)+AND+%22Clin+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Efficient reduction of stimulus artefact in TMS-EEG by epithelial short-circuiting by mini-punctures.</a> Clin Neurophysiol. 119, 475-481 (2008).</li>
<li>Siebner, H. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Consensus+paper%3A+combining+transcranial+stimulation+with+neuroimaging%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Stimulation%22%5BJournal%5D)">Consensus paper: combining transcranial stimulation with neuroimaging.</a> Brain Stimulation. 2, 58-80 (2009).</li>
<li>Thut, G., Ives, J. R., Kampmann, F., Pastor, M. A., Pascual-Leone, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+device+and+protocol+for+combining+TMS+and+online+recordings+of+EEG+and+evoked+potentials%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">A new device and protocol for combining TMS and online recordings of EEG and evoked potentials.</a> Journal of Neuroscience Methods. 141, 207-217 (2005).</li>
<li>Virtanen, J., Ruohonen, J., Naatanen, R., Ilmoniemi, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Instrumentation+for+the+measurement+of+electric+brain+responses+to+transcranial+magnetic+stimulation%5BTitle%5D)+AND+%22Med+Biol+Eng+Comput%22%5BJournal%5D)">Instrumentation for the measurement of electric brain responses to transcranial magnetic stimulation.</a> Med Biol Eng Comput. 37, 322-326 (1999).</li>
<li>Litvak, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Artifact+correction+and+source+analysis+of+early+electroencephalographic+responses+evoked+by+transcranial+magnetic+stimulation+over+primary+motor+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Artifact correction and source analysis of early electroencephalographic responses evoked by transcranial magnetic stimulation over primary motor cortex.</a> Neuroimage. 37, 56-70 (2007).</li>
<li>Morbidi, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Off-line+removal+of+TMS-induced+artifacts+on+human+electroencephalography+by+Kalman+filter%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Neuroscience+Methods%22%5BJournal%5D)">Off-line removal of TMS-induced artifacts on human electroencephalography by Kalman filter.</a> Journal of Neuroscience Methods. 162, 293-302 (2007).</li>
<li>Brett, M., Anton, J. L., Valabregue, R., Poline, J. B. The 8th International Conference on Functional Mapping of the Human Brain. , Sendai, Japan. (2002).</li>
<li>Brainard, D. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Psychophysics+Toolbox%5BTitle%5D)+AND+%22Spat.+Vis%22%5BJournal%5D)">The Psychophysics Toolbox.</a> Spat. Vis. 10, 433-436 (1997).</li>
<li>Rossi, S., Hallett, M., Rossini, P. M., Pascual-Leone, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Safety+ethical+considerations%2C+and+application+guidelines+for+the+use+of+transcranial+magnetic+stimulation+in+clinical+practice+and+research%5BTitle%5D)+AND+%22Clin+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Safety ethical considerations, and application guidelines for the use of transcranial magnetic stimulation in clinical practice and research.</a> Clin Neurophysiol. 120, 2008-2039 (2009).</li>
<li>Fuggetta, G., Pavone, E. F., Walsh, V., Kiss, M., Eimer, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cortico-cortical+interactions+in+spatial+attention%3A+A+combined+ERP%2FTMS+study%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">Cortico-cortical interactions in spatial attention: A combined ERP/TMS study.</a> J Neurophysiol. 95, 3277-3280 (2006).</li>
<li>Reichenbach, A., Whittingstall, K., Thielscher, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+transcranial+magnetic+stimulation+on+visual+evoked+potentials+in+a+visual+suppression+task%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">Effects of transcranial magnetic stimulation on visual evoked potentials in a visual suppression task.</a> Neuroimage. 54, 1375-1384 (2011).</li>
<li>Taylor, P. C., Walsh, V., Eimer, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+neural+signature+of+phosphene+perception%5BTitle%5D)+AND+%22Human+Brain+Mapping%22%5BJournal%5D)">The neural signature of phosphene perception.</a> Human Brain Mapping. 31, 1408-1417 (2010).</li>
<li>Iwahashi, M., Katayama, Y., Ueno, S., Iramina, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+transcranial+magnetic+stimulation+on+P300+of+event-related+potential%5BTitle%5D)+AND+%22Conf+Proc+IEEE+Eng+Med+Biol+Soc%22%5BJournal%5D)">Effect of transcranial magnetic stimulation on P300 of event-related potential.</a> Conf Proc IEEE Eng Med Biol Soc. , 1359-1362 (2009).</li>
<li>Zanon, M., Busan, P., Monti, F., Pizzolato, G., Battaglini, P. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cortical+connections+between+dorsal+and+ventral+visual+streams+in+humans%3A+Evidence+by+TMS%2FEEG+co-registration%5BTitle%5D)+AND+%22Brain+Topogr%22%5BJournal%5D)">Cortical connections between dorsal and ventral visual streams in humans: Evidence by TMS/EEG co-registration.</a> Brain Topogr. 22, 307-317 (2010).</li>
<li>Veniero, D., Bortoletto, M., Miniussi, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((TMS-EEG+co-registration%3A+on+TMS-induced+artifact%5BTitle%5D)+AND+%22Clin+Neurophysiol%22%5BJournal%5D)">TMS-EEG co-registration: on TMS-induced artifact.</a> Clin Neurophysiol. 120, 1392-1399 (2009).</li>
<li>Andoh, J., Zatorre, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mapping+the+after-effects+of+theta+burst+stimulation+on+the+human+auditory+cortex+with+functional+imaging%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Mapping the after-effects of theta burst stimulation on the human auditory cortex with functional imaging.</a> J Vis Exp. , (2012).</li>
<li>Thierry, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+event-related+potential+component+sensitive+to+images+of+the+human+body%5BTitle%5D)+AND+%22Neuroimage%22%5BJournal%5D)">An event-related potential component sensitive to images of the human body.</a> Neuroimage. 32, 871-879 (2006).</li>
<li>Pitcher, D., Charles, L., Devlin, J. T., Walsh, V., Duchaine, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Triple+dissociation+of+faces%2C+bodies%2C+and+objects+in+extrastriate+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Curr+Biol%22%5BJournal%5D)">Triple dissociation of faces, bodies, and objects in extrastriate cortex.</a> Curr Biol. 19, 319-324 (2009).</li>
<li>Pitcher, D., Walsh, V., Yovel, G., Duchaine, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((TMS+evidence+for+the+involvement+of+the+right+occipital+face+area+in+early+face+processing%5BTitle%5D)+AND+%22Curr+Biol%22%5BJournal%5D)">TMS evidence for the involvement of the right occipital face area in early face processing.</a> Curr Biol. 17, 1568-1573 (2007).</li>
</ol>

作者声明不存在相互竞争的经济利益。

凭借其独特的能力，可在精确的时间点和相对较高的空间精度下，暂时干扰选定皮层区域的正常神经元活动，经颅磁刺激（TMS）能够因果性地将受刺激的脑区与行为或神经生理学指标关联起来。本文介绍了一种在同步应用TMS期间记录脑电图（EEG）的方法，该方法针对功能定义的皮层区域，并采用一种可可靠测量事件相关电位（ERP）反应的分析手段。我们引用了文献中的一个示例，其中将TMS与EEG和功能磁共振成像（fMRI）结合使用，以探究特定由fMRI定义的脑区是否即 OFA 和 EBA 与其偏好刺激诱发的 ERP 反应存在因果关联即 面部和身体
所描述的减法技术已通过验证19，并在多项研究中得到应用7,26,27，具有若干显著优势：该方法可消除残余的、持续时间较长的经颅磁刺激（TMS）伪迹，从而覆盖大多数重要事件相关电位（ERP）成分的时间窗口；它同样能够消除来自肌源性、机械性（电极的电干扰）以及非目标皮层（例如听觉来源）的伪迹成分；并且即使在位于线圈正下方或邻近区域的电极上，该技术也具有良好的稳健性和可靠性...

经颅磁刺激（TMS）可对大脑目标区域的正常神经活动产生短暂干扰。通过制造这种暂时性的神经干扰并测量行为或生理变化，我们能够建立目标脑区与所测得实验效应之间的因果关系（综述见 Pascual-Leone et al. 和 Taylor et al.1,2）。此类实验效应可以是认知任务中的表现，也可以是电生理（EEG）活动的变化。事实上，近年来研究人员已开始将 TMS 与 EEG 结合使用，以直接关联皮层区域与事件相关电位（ERP）或振荡活动模式（例如2–7）。在本方法学论文中，我们将介绍一种特定且实用的 TMS 与 EEG 联用框架：在 ERP 实验期间采用 fMRI 引导的 TMS。首先，我们将详细说明如何在记录 EEG 数据的同时，对由 fMRI 预先定义的脑区施加 TMS。接着，我们将描述一种能够提取可靠 ERP 的实验设计。此类实验的目标是建立功能 MRI 所揭示的脑区与感兴趣 ERP 成分之间的因果联系。最后，我们将给出一个具体的研究实例，该研究将面孔和身体选择性 ERP 与 fMRI 所揭示的面孔和身体选择性脑区相关联。
将脑电图（EEG）信号与功能性磁共振成像（fMRI）激活关联起来有何益处？EEG 和 fMRI 是常用于测量视觉输入引起的皮层反应的研究工具。例如，针对面孔、身体部位和书面文字等不同视觉对象类别，在视觉通路中的类别选择性已通过从 EEG 数据中提取的事件相关电位（ERP）8,9 以及功能磁共振成像（fMRI）10-12 进行了评估。然而，这两种常用研究工具所测得的信号在本质上截然不同。EEG 能够以极高的时间精度反映神经电活动，但空间分辨率非常低，并且可能混杂了多个不同来源的信号。fMRI 则通过刺激呈现和/或任务执行期间发生的缓慢血流动力学变化，间接测量神经元活动，虽然时间精度较低，但具有更高的空间分辨率。因此，建立这两种测量方法之间的相关性可能具有重要意义，但这种相关性并不意味着头皮记录的电生理反应与功能磁共振成像所揭示的脑区活动之间存在因果关系。即使同时进行测量（例如13-15），也无法确定 EEG 与功能定义的皮层区域活动之间的方向性因果关系。经颅磁刺激（TMS）是一种有助于建立此类因果关系的研究工具。
同步进行 EEG-TMS 研究在方法学上具有较大挑战性，主要原因是磁刺激会在 EEG 信号中引入高电压伪迹（参见图1；综述见 Ilmoniemi 等16）。该伪迹包括一个短暂的、与脉冲相关的瞬态干扰，其后常伴随一个较慢的次级（或残留）伪迹，在脉冲发出后可持续数百毫秒图2A，从而掩盖大多数感兴趣的事件相关电位（ERP）成分。这种次级伪迹可能来源于机械因素，例如磁脉冲在导线中感应出的电流及其在皮肤上的缓慢衰减，也可能来源于生理因素，例如头皮肌肉活动以及线圈工作时诱发的听觉或躯体感觉诱发电位17-20。尽管机械干扰源产生的伪迹幅度可能大于生理源，但这些不同类型的伪迹难以分离，且信号中存在任何一类伪迹均可能干扰实验结果。一种可能的解决方案是在 EEG 记录之前施加重复性 TMS 脉冲（&#34;离线 TMS&#34;），而非同步进行 EEG-TMS。此类方案对皮层活动的抑制效应可持续数分钟甚至长达半小时，在此有效时间窗内可记录 EEG 并与刺激前基线 EEG 数据进行比较。然而，重复性刺激本质上缺乏在线 TMS 所具备的高时间分辨率，后者可在毫秒级精度上根据试验起始时间精确施加脉冲。此外，重复性刺激的影响还可能通过皮层连接扩散至比预期更广泛的脑区，从而显著降低空间分辨率。
为了充分利用经颅磁刺激（TMS）在空间和时间分辨率方面的优势，可采用同步进行的脑电图-经颅磁刺激（EEG-TMS）联合技术。然而，这种方法需要能够去除TMS磁刺激在EEG信号中产生的伪迹的技术。尽管已有极少数离线数学方法被提出用于去除TMS伪迹16,21,22，但目前尚无统一认可的方法，且可能不存在适用于所有实验设计的最优方法。一种由采样保持电路构成的&#34;截断&#34;系统也已被开发，用于在TMS脉冲发放期间瞬时中断EEG信号的采集20。该技术不仅需要专用硬件，还可能无法完全消除TMS伪迹的残留成分。本文将介绍Thut及其同事所建立的一种EEG-TMS方法的改进版本19，特别适用于事件相关电位（ERP）研究。该技术能够在消除TMS脉冲引起的所有残留噪声成分的同时，可靠地提取ERP信号图2。我们还将进一步提供关于成功构建EEG-TMS实验系统的通用指导建议。
本方法学论文所探讨的经颅磁刺激（TMS）研究中的另一个挑战，是寻找最佳的线圈位置和角度，以精确靶向目标皮层区域。我们将描述如何使用立体定向导航系统，将受试者的头部与预先获取的功能磁共振成像（fMRI）图像进行共配准。尽管导航系统可用于定位解剖学定义的脑结构，但基于fMRI引导的靶向定位尤为有用，因为对于许多功能和实验效应而言，其激活的精确位置无法仅通过解剖标志推断。对于此类功能性的感兴趣区域（ROI），每个参与者的脑区定义均需 individually 进行。
为了说明上述所有要点，我们将提供一个先前开展的研究实例，其中同步记录了由fMRI激活引导的经颅磁刺激（TMS）过程中的脑电图（EEG）7。在该研究中，我们对面孔选择性和躯体选择性事件相关电位（ERP）实现了双重分离：尽管面孔和躯体的ERP在相似的潜伏期和电极位置出现峰值，但通过靶向个体化定义的外侧枕叶中面孔选择性和躯体选择性脑区，我们成功分离了每种ERP反应背后的神经网络。最后，我们将尝试提供一些更通用的建议，以优化TMS应用期间的EEG记录。

<table><tbody><tr><td>3.0 T Signa MRI 扫描仪</td><td>General Electric</td><td></td><td></td></tr><tr><td>BrainAmp 放大器</td><td>Brain Products GmbH</td><td>BP-01300</td><td></td></tr><tr><td>电极输入盒</td><td>Brain Products GmbH</td><td></td><td>可选</td></tr><tr><td>PowerPack - 放大器用电池</td><td>Brain Products GmbH</td><td>BP-02615</td><td></td></tr><tr><td>BrainCap - 柔性帽上的 32 个平面电极&amp;nbsp;</td><td>Brain Products GmbH</td><td>BP-0300MR</td><td>应使用平面电极以确保线圈与头皮之间的距离更短。如果使用较大的电极（&lt;em&gt;例如&lt;/em&gt;针型），请移除线圈下方的电极</td></tr><tr><td>TMS Super Rapid2 刺激器</td><td>Magstim</td><td></td><td></td></tr><tr><td>50 mm 双线圈</td><td>Magstim</td><td></td><td></td></tr><tr><td>线圈支架</td><td></td><td></td><td>任何可固定线圈、调节至合适角度和位置，并在刺激过程中保持线圈稳定的机械臂或三脚架</td></tr><tr><td>颏托</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Polaris 红外相机</td><td>Rogue Research Inc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Polaris 跟踪器和指针工具</td><td>Rogue Research Inc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>BrainSight 工作站及软件</td><td>Rogue Research Inc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>BrainVision Recorder 软件</td><td>Brain Products GmbH</td><td>BP-00010</td><td></td></tr><tr><td>MATLAB 软件</td><td>The MathWorks Inc</td><td></td><td></td></tr><tr><td>SPM for Matlab</td><td>英国伦敦，Wellcome 成像神经科学系</td><td></td><td></td></tr><tr><td>SPM 的 MarsBar 感兴趣区工具箱</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>MATLAB 的 Psychtoolbox 工具箱</td><td></td><td></td><td>该工具箱和以下 E-prime 软件是能够以可靠时序向 TMS 刺激器和 EEG 记录仪发送指令的刺激呈现软件示例</td></tr><tr><td>E-Prime 软件</td><td>Psychology Software Tools, Inc.</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

从经功能性磁共振成像引导的经颅磁刺激期间记录的脑电图数据中提取视觉诱发电位

Extracting Visual Evoked Potentials from EEG Data Recorded During fMRI-guided Transcranial Magnetic Stimulation

经颅磁刺激（TMS）是一种建立皮层区域与认知/神经生理效应之间因果关系的有效方法。具体而言，通过暂时干扰目标脑区的正常活动，并测量脑电生理信号的变化，我们能够确立被刺激脑区或脑网络与所记录的脑电生理信号之间的因果关系。如果目标脑区是通过先前的功能磁共振成像（fMRI）扫描进行功能定位的，则可利用TMS将fMRI激活区域与诱发的电位记录关联起来。然而，此类实验面临重大的技术挑战，主要源于磁脉冲在脑电图（EEG）信号中引入的高幅伪迹，以及难以精准定位fMRI所定义的功能性脑区。本文介绍一种整合三种常用工具——TMS、EEG和fMRI——的方法学。我们阐述如何利用结构或功能MRI数据引导刺激线圈至目标脑区，如何在TMS同步进行时记录EEG信号，如何设计适用于EEG-TMS联合研究的事件相关电位（ERP）实验，以及如何从记录的数据中提取可靠的ERP成分。我们将展示一项已发表研究的代表性结果，该研究采用fMRI引导的TMS与EEG同步记录，证明ERP中对面孔选择性反应的N1成分和对身体选择性反应的N1成分与纹外皮层中不同的神经网络相关。该方法使我们能够结合fMRI的高空间分辨率与TMS和EEG的高时间分辨率，从而全面理解各种认知过程的神经基础。

本研究采用同步脑电图-经颅磁刺激（EEG-TMS）方法，旨在揭示记录于枕颞部头皮的面孔和身体刺激事件相关电位（ERP）反应是否存在分离。当呈现视觉刺激时，在后侧电极位点可记录到显著的N1成分。特别是，与其他刺激类别相比，面孔和身体刺激通常诱发更大的N1成分8,33。通过评估基于fMRI定义的面孔和身体选择性脑区在各自对应的面孔和身体N1成分上的刺激效应，我们试图揭示面孔和身体的N1反应是否反映了（至少部分）非重叠的神经源，还是仅仅同一神经网络活动在激活水平上的定量差异。
我们在图像呈现后60毫秒和100毫秒施加双脉冲刺激（例如参见Pitcher 等et al.34,35），靶向外侧枕叶皮层中对面孔和身体选择性反应的区域——枕部面孔区（OFA）和外纹状体身体区（EBA）（图4A，相关fMRI对比定义见上文第1.3节）。这两个区域在不同的刺激区块中分别进行刺激，同时受试者观看面孔和无头身体的图像。结果显示，对OFA的刺激增强了面孔诱发的N1波幅，但对身体无此效应；而对EBA的刺激则增强了身体...

本文介绍了一种在功能性磁共振成像（fMRI）揭示的脑区激活引导下，同步采集经颅磁刺激（TMS）期间脑电图（EEG）数据并进行分析的方法。同时描述了TMS伪迹去除及事件相关电位提取的方法，以及实验范式设计和实验设置中的注意事项。

经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation, TMS）是一种有效建立皮层区域与认知/神经生理功能之间因果关系的方法……

本实验的总体目标是从功能磁共振成像（fMRI）引导的经颅磁刺激过程中记录的脑电图（EEG）数据中提取可靠的事件相关电位（ERPs）。首先进行高分辨率功能磁共振成像扫描，以确定皮层区域，从而实现这一目标。为了进行刺激，后续步骤是设计一项脑电图（EEG）实验，以提取经颅磁刺激（TMS）伪迹模板，随后从记录的 EEG 数据中减去该模板，从而获得干净的事件相关电位（ERP）。接下来，使用立体定向导航系统仔细准备 TMS-EEG 实验装置。为了在受试者头部定位由功能性磁共振成像（fMRI）确定的目标区域，最后一步是在应用 TMS 的同时同步记录 EEG 数据，最终通过减去 TMS 伪迹模板来获得可靠的 ERP。与现有的同时进行 G-F-M-R-I 等方法相比，该技术的主要优势在于，它使我们能够对通过功能性磁共振成像（fMRI）定义的脑区以及通过脑电图（EEG）测量的电生理信号进行推断。E-E-G-T-M-S 同时结合的主要挑战在于去除由经颅磁刺激（TMS）产生的伪迹。这一目标首先通过截除在磁脉冲期间采集的脑电图数据，然后校正与经颅磁刺激相关的其他残余伪迹来实现。Ziv Perman 将演示该操作流程，他由 Boaz Ade 培训掌握此技术。使用高分辨率回波平面成像序列进行功能性磁共振成像任务，以确定需采用经颅磁刺激（TMS）靶向的目标激活区域。随后进行T1加权结构扫描，以获取神经解剖学数据。确保受试者整个面部均包含在成像视野内。稍后将使用鼻尖等外部标记来对受试者的头部与其扫描图像进行共配准。扫描完成后，使用 SPM 的 Mars Bar 工具箱，基于实验条件之间的对比来定义感兴趣脑区。例如，通过从面孔刺激的激活中减去物体刺激的激活来定义枕部面孔区，并排除任何对身体选择性激活的体素，以确定外纹状体身体区。通过从身体刺激的激活中减去物体刺激的激活，并排除任何对面孔选择性激活的体素。设计一种实验范式，呈现所有刺激条件。每种条件下随机进行至少50次试验，并采用时间上的随机化刺激间隔。设置一个空白屏幕条件，即施加TMS脉冲但不呈现视觉刺激。这对于生成TMS伪迹模板非常重要。然后设置在试验开始后触发TMS的延迟时间。在此示例中，双脉冲TMS将在60毫秒和100毫秒时施加。刺激开始后，将结构T1扫描图像输入神经导航系统软件，然后将功能磁共振成像对比图叠加到结构图像上。使用神经导航软件标记目标脑区。同时确定用于配准头部位置的体表标记点，例如鼻尖、鼻根以及双侧耳屏。当受试者到达后，将 EEG 帽戴在其头部，并连接电极。使用尽可能少的导电膏，以保持阻抗低于五千欧姆。确保电极导线不相互交叉或形成环路，并朝远离线圈位置的方向排列。同时，在测量脑电图信号时，将参考电极和接地电极尽可能远离线圈放置。为更准确地呈现经颅磁刺激伪迹，应使用至少每秒一千赫兹的高采样率。接下来，将红外探测器安装在受试者头

extracting-visual-evoked-potentials-from-eeg-data-recorded-during

Research

科研

JoVE Journal

Neuroscience

神经科学

提取脑电数据视觉诱发电位记录在功能磁共振成像引导下经颅磁刺激

经颅磁刺激（TMS）是一种非侵入性工具，可用于深入了解人类神经系统的生理学和功能。本文中，我们介绍利用TMS技术研究上肢和腰段肌肉皮质兴奋性的方法。...

利用经颅磁刺激研究人类神经肌肉系统

来源：Stefanou, M., et.al. 基于脑状态的脑刺激结合实时脑电图触发经颅磁刺激。J. Vis. Exp.

实时脑电图触发的经颅磁刺激用于皮层兴奋性研究

来源：Lioumis, P. 等。背外侧前额叶皮层的经颅磁刺激联合脑电图记录。 J. Vis. Exp.

背外侧前额叶皮层的经颅磁刺激联合脑电图检测

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.

使用经颅磁刺激联合脑电图评估大脑过度兴奋性

静息态功能连接磁共振成像已发现，包括因大脑皮层发育畸形所致癫痫在内的多种神经精神疾病患者均存在异常。经颅磁刺激联合脑电图可证实，癫痫患者在功能连接异常的脑区表现出皮层过度兴奋性。...

一种基于多模态成像与刺激的癫痫患者脑连接相关兴奋性评估方法

本文所述方案适用于采用皮层内兴奋性测试-重测设计范式的经颅磁刺激-脑电图（TMS-EEG）研究。该方案旨在获得可靠且可重复的皮层兴奋性测量指标，用于评估与神经精神疾病（如重度抑郁症）治疗中治疗干预相关的神经生理功能。...

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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