Name: 磁共振波谱的用途，用于对初级运动皮层新陈代谢双半球经颅电刺激效果的测量工具一 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-11-19T13:00:00.000+00:00
Duration: 13 min 56 s
Description: 了解经颅直流电刺激结合质子磁共振波谱技术，用于测量双侧刺激对初级运动皮层代谢的影响。该方法可检测GABA和GLX浓度变化，为神经调控研究提供新工具。

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本研究工作获得了加拿大卫生研究院和加拿大自然科学与工程研究理事会资助项目的资助。ST 获得了加拿大卫生研究院提供的加拿大范尼尔研究生奖学金的支持。MM 感谢生物技术研究中心（BTRC）资助项目 P41 RR008079 和 P41 EB015894（NIBIB），以及 NCC P30 NS076408 提供的支持。
我们感谢 Romain Valabrègue（法国巴黎神经影像研究中心——CENIR）和 Brice Tiret（加拿大蒙特利尔大学老年医学研究所研究中心（CRIUGM）；法国巴黎原子能和替代能源委员会（CEA））在开发处理工具方面所做的贡献，以及 Edward J. Auerbach（美国明尼苏达大学磁共振研究中心及放射学系）。MEGA-PRESS 和 FASTESTMAP 序列由 Edward J. Auerbach 和 Małgorzata Marjańska 开发，并由明尼苏达大学根据 C2P 协议提供。

该研究获得了功能神经影像学单位和蒙特利尔大学研究与社区伦理委员会的批准，并遵循《赫尔辛基宣言》中规定的伦理准则进行。所有受试者在经过仔细的磁共振成像兼容性筛查后，均签署了书面知情同意书，并因其参与而获得了经济补偿。
1. 经颅直流电刺激材料
<ol>
	<li>开始实验前，请确保所有必要材料均已备齐（参见 图1 中的清单）。 
	注意：经颅直流电刺激（tDCS）可使用不同尺寸的电极。本研究将采用两个 5 × 7 cm 的橡胶电极。可根据刺激区域及所需的刺激聚焦性选择其他尺寸48。</li>
	<li>务必检查直流刺激仪的电池是否已充电，并定期为其充电，出于安全考虑，设备在刺激过程中无法充电或连接电源。</li>
</ol>
2. 刺激条件的规划
<ol>
	<li>根据设备附带的说明打开经颅直流电刺激（tDCS）设备。预先将 tDCS 设备设置为两种不同的刺激模式（真实刺激和假刺激）。</li>
	<li>由于某些设备没有预设模式，因此在开始刺激前需选择合适的假刺激参数。
	<ol>
		<li>通过加载设定来预定义一组参数。按下按钮 2 或 4，在主菜单中选择 &#34;system&#34; 选项（见图 2）。</li>
		<li>按下按钮 3，将光标移至显示屏的第 2 行。</li>
		<li>按下按钮 2 或 4，直到显示屏上显示 &#34;load setting&#34;，然后按下按钮 3。</li>
		<li>通过按下按钮 2 或 4 选择设定的字母（A、B、C 或 D）。</li>
		<li>使用按钮 1 将光标向上移动，显示屏将自动显示 &#34;parameters&#34; 选项。</li>
		<li>将 tDCS 设备设置为 1 mA 的电流。为此，按下按钮 1 以选择显示屏上 &#34;parameters&#34; 菜单的第 3 行，然后按下按钮 2 或 4 选择 &#34;current&#34; 选项。按下按钮 3 进入第 4 行，并通过按下按钮 2 或 4 将电流强度调整为 1,000 μA。</li>
		<li>按下按钮 1 返回第 3 行。通过按下按钮 2 或 4 从设备屏幕菜单中选择 &#34;fade in&#34; 选项。按下按钮 3 进入第 4 行，并按下按钮 2 和 4 将持续时间调整为 15 秒。 
		注：渐入时间可进行修改。</li>
		<li>按下按钮 1 返回第 3 行。通过按下按钮 2 或 4 从设备屏幕菜单中选择 &#34;fade out&#34; 选项。按下按钮 3 进入第 4 行，并按下按钮 2 和 4 将持续时间调整为 15 秒。 
		注：渐出时间可进行修改。</li>
		<li>按下按钮 1 返回第 3 行。按下按钮 2 或 4，直到显示屏菜单中出现 &#34;duration&#34; 选项。按下按钮 3 进入第 4 行，并按下按钮 2 和 4 将持续时间调整为设备支持的最短时间（当前设备为 15 秒；见图 3b）。 
		注：这将引起与真实刺激相似的刺痛感。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>同时按下按钮 1 和 3 以保存设定的更改。</li>
	<li>预先编程真实刺激参数。操作方法与假刺激设定相同，但将刺激持续时间设为 1,200 秒（20 分钟；见图 3a）。</li>
	<li>预先编程测试刺激参数。操作方法与假刺激设定相同，但将刺激持续时间设为 45 秒。 
	注：测试刺激将用于实验前的阻抗测量。</li>
	<li>将刺激条件伪随机分配给受试者。</li>
	<li>为实现盲法实验，为三种条件分别编号：1）双侧：右侧阳极，左侧阴极；2）双侧：左侧阳极，右侧阴极；3）假刺激：右侧阳极，左侧阴极。</li>
</ol>
3. 参与者知情同意
<ol>
	<li>向参与者说明实验流程并签署知情同意书。
	<ol>
		<li>确认参与者不存在经颅直流电刺激（tDCS）的任何禁忌症：精神或神经系统病史、装有心脏起搏器、颅内金属植入物、晕厥史、癫痫史、物质滥用史、家族癫痫史、发热性惊厥史、前一晚睡眠不足、皮肤敏感史，以及前一天曾饮酒。</li>
		<li>告知参与者tDCS最常见的不良反应：轻微刺痛感；中度疲劳；电极下轻微瘙痒感；轻微烧灼感。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>向参与者说明磁共振（MR）检查常见的禁忌症及不良反应。</li>
</ol>
4. 电极放置的测量方法
<ol>
	<li>使用国际10/20系统在受试者头部确定以下解剖标志点：鼻根（nasion）和枕外隆凸（inion）（图4a）、耳前点以及两个目标区域：C3和C4（图4b）。
	<ol>
		<li>鼻根位于两眼之间的鼻梁上，为明显的凹陷区域；枕外隆凸位于颅骨后下方，是枕骨最突出的骨性标志；耳前点位于两侧耳部附近，为颧弓切迹上方的凹陷处。C3和C4的位置应根据下述测量方法确定。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用卷尺沿头部中线测量鼻根至枕外隆凸之间的距离，并用非永久性水性标记笔在该距离50%处做一标记。</li>
	<li>使用卷尺测量两侧耳前点之间的距离，并在该距离50%处、与前述标记对齐的位置，用非永久性水性标记笔做一标记。该点对应于Cz（头顶点）。</li>
	<li>从Cz点开始，沿两侧耳前点之间的连线，分别向左右两侧用非永久性水性标记笔标记两点，每点距Cz为总距离的20%。这两个标记点即为目标区域（C3和C4，图4b）。 
	注意：也可使用其他方法（如经颅磁刺激TMS或神经导航）来定位初级运动皮层（M1）。</li>
</ol>
5. 电极放置
<ol>
	<li>尽可能将目标刺激区域的毛发移开。使用棉签蘸取脑电图（EEG）专用去角质凝胶清洁目标区域。</li>
	<li>用含70%异丙醇和浮石的清洁垫擦拭目标区域，以增强电极接触效果。</li>
	<li>在电极整个表面充分涂抹脑电图（EEG）专用导电膏，确保导电膏厚度均匀，约5 mm。确保电极的全部橡胶区域均被导电膏覆盖。用生理盐水溶液轻轻润湿目标区域及电极上的导电膏。</li>
	<li>按照图4b所示位置放置电极，并用力将电极压紧在目标区域。在受试者头部佩戴橡胶带，以确保电极的稳定性。调整松紧度，使受试者在扫描过程中无任何疼痛或不适感。</li>
	<li>确保导线不与皮肤接触，以防可能的灼伤。</li>
</ol>
6. 扫描室外的tDCS测试
<ol>
	<li>使用万用表检查电极电缆的功能是否正常以及电阻值是否符合要求。</li>
	<li>打开经颅直流电刺激（tDCS）设备，并加载测试刺激参数。
	<ol>
		<li>按下按钮 2 或 4，从主菜单中选择&#34;system&#34;选项。通过按下按钮 3 将光标移至显示屏的第 2 行。按下按钮 2 或 4，直到显示屏上显示&#34;load setting&#34;。按下按钮 3。通过按下按钮 2 或 4 选择预设的测试参数字母（A、B、C 或 D）。</li>
		<li>使用按钮 1 将光标向上移动。显示屏将自动显示&#34;parameters&#34;选项。在第一行，按下按钮 2。显示屏将显示&#34;stimulation?&#34;，并列出不同的预设参数。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>按下按钮 1 以启动刺激。显示屏将显示阻抗水平，若阻抗超过 20 kΩ，设备将自动停止。如果阻抗水平超过 20 kΩ，需从内箱拔下电极导线，并离开扫描室以检查电极的位置是否正确。</li>
	<li>重新进行测试刺激。当达到理想的阻抗水平且测试刺激完成后，从内箱拔下电极。</li>
</ol>
7. tDCS 设置
<ol>
	<li>如图5所示，将tDCS设备及外盒放置在扫描控制室内。 
	注意：tDCS设备及外盒不兼容磁共振（MR），不得带入磁体环境。</li>
	<li>将外盒的导线插入tDCS设备，然后将长盒电缆插入外盒中。</li>
	<li>从扫描控制室向MRI室引出tDCS盒电缆。引线时应尽可能保持平直，避免弯折或打结，沿MRI室墙壁通向MRI扫描仪后方。如图5所示，在电缆上放置多个MR兼容的沙袋，以确保其稳定。</li>
	<li>将内盒带入MRI室，并将长盒电缆插入内盒（图5）。</li>
</ol>
8. MRI 扫描准备
<ol>
	<li>如果参与者尚未在磁共振成像（MRI）检查室内（例如未从经颅直流电刺激测试直接进入），请其进入MRI室并佩戴耳塞。</li>
	<li>在MRI检查床的线圈区域下方放置一个薄垫。请参与者仰卧于检查床上，在其腿部下方放置垫子以增加舒适度，必要时提供毛毯。为安全起见，将紧急报警按钮交予参与者手中。</li>
	<li>在参与者双耳上分别佩戴独立的耳机，以便实现控制室与MRI检查室内参与者之间的信息传递。</li>
	<li>尽可能将参与者的头部抬高，置于头部线圈将要安放的位置下方（头部顶端尽可能靠近线圈将放置处的检查床顶部）。按照经颅直流电刺激设备公司的建议，将电极导线沿参与者头部右侧布设。</li>
	<li>将32通道仅接收线圈环绕于参与者头部。将电极导线从线圈右侧穿出。使用红色定位激光（扫描仪内置功能）尽可能使参与者的头部保持正中位置。</li>
	<li>请参与者将手臂和腿部调整至舒适位置，同时确保双手不相互接触。提醒参与者在整个检查过程中尽量保持不动。当参与者准备就绪后，将检查床移过中线位置，以便接触扫描仪后方的电极导线。</li>
	<li>使用医用胶带将线圈背部右侧的电极导线固定。将位于扫描仪内部的电极导线插入经颅直流电刺激内盒接口。将内盒置于扫描仪右侧，并在其上放置沙袋以确保最大程度的稳定性。</li>
	<li>将检查床移回最终成像位置。在整个MRI检查过程中保持经颅直流电刺激设备开启状态，并确保电极导线始终连接在外盒上。</li>
</ol>
9. 经颅直流电刺激前的1H-MRS检测
<ol>
	<li>运行定位序列以获取图像，用于验证头部位置是否正确，并与扫描结束时获取的第二个定位图像进行比较，以检查整体移动情况。</li>
	<li>采集解剖学T1加权MPRAGE图像，用于确定M1体素的位置并检测可能的结构异常（TR = 2,300 msec；TE = 2.91 msec；FA：9°；FOV = 256 x 256 mm；256 x 256矩阵；TI：900 msec；176层；方位：矢状位；采集时间：4分12秒）。</li>
	<li>对图像进行多平面重建，生成更适合显示波谱感兴趣体积（VOI）的切面。
	<ol>
		<li>在3D界面中浏览MPRAGE原始图像（矢状位方向）。在&#34;创建平行范围&#34;窗口中选择&#34;轴向2X2&#34;。调整平行线位置，点击“保存”以生成轴向正交视图。</li>
		<li>在&#34;创建平行范围&#34;窗口中选择&#34;冠状位2X2&#34;。调整平行线位置，点击&#34;保存&#34;以生成冠状位正交视图。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>根据Yousry及其合作者49提出的解剖标志，在三个方向的切片上定位左侧M1区域，随后将VOI（30 x 30 x 30 mm3）置于相对于扫描仪轴无任何角度倾斜的区域（图6）。</li>
	<li>采集线宽扫描数据（21秒）。
	<ol>
		<li>选择波谱分析界面，测量该线宽扫描信号实部中的水峰线宽。从浏览器加载线宽原始数据，加载线宽测量协议（在协议菜单中选择相应协议）。</li>
		<li>使用扫描仪软件的交互式后处理工具调整相位。进入相位校正模块，用光标调整基线相位。</li>
		<li>为减小线宽，连续运行FAST(EST)MAP50序列三次。重复线宽扫描及线宽测量（步骤9.5），记录最终的水峰线宽。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用MEGA-PRESS序列44,45开始4组共64次代谢物扫描（32次&#34;EDIT OFF&#34;和32次&#34;EDIT ON&#34;，交替进行），启用VAPOR51、OVS51及FID单独存储功能（TR = 3 s，TE = 68 msec，总采集时间：12分钟）。</li>
	<li>使用MEGA-PRESS序列采集水参考信号，不启用MEGA水抑制，但启用VAPOR抑制（&#34;仅射频关闭&#34;），并在0 ppm处进行delta测量。采集单组4次代谢物扫描而非64次（采集时间：42秒）。</li>
</ol>
10. tDCS 操作步骤
<ol>
	<li>告知受试者经颅直流电刺激（tDCS）即将开始，且在整段刺激过程中扫描仪将保持静音。</li>
	<li>根据实验条件选择之前设定好的两组参数中的一组，并启动刺激。在20分钟的刺激过程中持续监测阻抗和电压。刺激结束后，通知受试者即将开始刺激后磁共振波谱（MRS）扫描。请勿关闭tDCS设备。</li>
</ol>
11. tDCS 后 1H-MRS 检测
<ol>
	<li>使用MEGA-PRESS序列进行与tDCS前扫描相同的代谢物扫描，但将采集的区块数量加倍（共8个区块，每个区块64次扫描，包括32次&#34;EDIT OFF&#34;和32次&#34;EDIT ON&#34;，交替进行），以在tDCS后的两个不同时间点采集代谢物信号。</li>
	<li>与tDCS前扫描相同，使用相同的参数采集水参考扫描，并以定位序列结束本次扫描会话。</li>
	<li>通过视觉比较扫描会话开始和结束时采集的定位图像，评估头部运动情况。</li>
	<li>进入阅片卡并打开浏览器菜单，选择第一和第二幅定位原始图像，将图像加载至阅片卡中进行比对，并通过服务器以DICOM格式导出数据。</li>
</ol>
12. 1H-MRS 数据分析
<ol>
	<li>使用编程和处理软件导入数据，并利用2.85至3.40 ppm范围内的tCr和tCho信号，调整各个存储的自由感应衰减信号（FIDs）的频率和相位。具体操作是使用该软件的lsqnonlin函数，将每个单独进行傅里叶变换后的FIDs（即谱图）拟合到该扫描会话的平均谱图上。 
	注意：这是一种特定于实验场所的方法，采用其他数据导入和分析方法不一定会影响数据质量。</li>
	<li>为获得最终谱图，需从交替扫描信号中减去在4.7 ppm和7.5 ppm处施加选择性双频带脉冲（&#34;EDIT OFF&#34;）以及在1.9 ppm和4.7 ppm处施加脉冲（&#34;EDIT ON&#34;）所得到的信号（图7）。</li>
	<li>使用LCModel52对差值谱图和&#34;EDIT OFF&#34;谱图进行分析。关闭默认的模拟功能和基线建模功能。</li>
	<li>对谱图进行视觉检查，排除来自肩胛下脂质信号污染的扫描数据（见图9）。</li>
	<li>作为质量控制的一部分，排除tCr-CH3线宽超过10 Hz的谱图。仅纳入Cramer-Rao下限（CRLB）低于35%的代谢物（GABA、Glx、tCr、tNAA）进行分析。 
	注意：CRLB提供了代谢物定量估计误差的指标。根据LCModel用户手册建议，CRLB &#62; 50%的结果不可靠，应予以排除。领域内许多研究者已将CRLB低于35%作为标准53-55。此外，在解释结果时也应始终考虑CRLB的数值。</li>
	<li>从&#34;DIFF&#34;谱图中获取GABA和Glx的定量结果，从&#34;EDIT OFF&#34;谱图中获取tCr，tNAA则从&#34;EDIT OFF&#34;和&#34;DIFF&#34;两种谱图中获取。将各目标代谢物的浓度表示为相对于tCr的比值。对于GABA和Glx，需将该比值乘以以下组平均校正因子，以校正分子与分母所用基集不同带来的影响（即&#34;EDIT OFF&#34;谱图中的tNAA / &#34;DIFF&#34;谱图中的tNAA）。 
	注意：GABA和Glx浓度也可通过水信号或NAA信号进行定量。</li>
</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

本文旨在描述使用3 T磁共振扫描仪联合应用经颅直流电刺激（tDCS）和氢质子磁共振波谱（1H-MRS）的标准操作流程。下一节将讨论方法学因素。
关键步骤 
禁忌症筛查 
实验前，必须对参与者进行筛查，以排除任何与使用经颅直流电刺激（tDCS）相关的禁忌证 1氢质子磁共振波谱（H-MRS）。建议对经颅直流电刺激（tDCS）采用以下排除标准：有精神或神经系统疾病史、安装心脏起搏器、颅内植入金属物、晕厥史、癫痫史或物质滥用史。由于仅采集左侧初级运动皮层（M1）的代谢物数据，建议将左利手受试者排除于研究之外。事实上，最近一项研究显示，根据手部偏好，优势半球与非优势半球之间的半球间抑制存在差异，这可能影响刺激的效果 15此外，在开始实验前，应检查头皮是否有任何损伤，并询问受试者是否有皮肤疾病。 56如果存在病灶，应尽量避免直接刺激受累区域。刺激后还建议检查皮肤状况。 57同时，需筛查受试者是否对电极安装所用的任...

自古以来，人们就已开始研究通过向人脑施加电流以调节其活动。事实上，早在公元11世纪的文献中就已有相关记载。th 本世纪已发现有关使用电鳐鱼治疗癫痫发作的记载1然而，直到最近，非侵入性脑刺激才在科学界引起广泛关注，因其被证实可对认知功能和运动反应产生调节作用2自20世纪80年代初以来，经颅磁刺激（TMS）已得到广泛研究3近年来，经颅直流电刺激（tDCS）受到越来越多关注，因其现已被视为治疗多种神经病理疾病（如中风）的一种可行治疗方案4酒精成瘾5，以及慢性疼痛6与TMS等神经刺激技术相比，tDCS具有多种优势，例如相对成本较低、无痛、患者耐受性良好，并且具有便携性，因此可在床旁进行施用7事实上，只有一小部分患者在刺激过程中会出现轻微的刺痛感8然而，这种感觉通常在几秒钟后消失9因此，由于大多数受试者无法区分假刺激与真实刺激，tDCS能够实现可靠的双盲、假刺激对照研究。9,10.
经颅直流电刺激（tDCS）通过放置在受试者头皮表面的电极施加恒定的低电流（1-2 mA）来实现。电极通常置于浸有生理盐水的海绵中，或使用脑电图（EEG）类型的导电膏直接放置在头皮上。进行tDCS研究时，实验者需控制四个主要参数：1）刺激持续时间；2）刺激强度；3）电极尺寸；以及4）电极布局。在标准方案中，“主动”电极置于目标脑区上方，而参考电极通常置于眶上区域。电流从带正电的阳极流向带负电的阴极。tDCS对初级运动皮层（M1）的影响取决于刺激的极性：阳极刺激增强神经元群体的兴奋性，而阴极刺激则降低其兴奋性11。与经颅磁刺激（TMS）不同，tDCS诱导的电流不足以在皮层神经元中引发动作电位。皮层兴奋性的改变被认为是由神经元膜电位阈值的调节所致，根据电流方向的不同，可导致膜电位超极化或促进神经元去极化8,11。兴奋性的改变在刺激结束后可持续长达90分钟，具体持续时间取决于刺激的持续时长11,12。
经颅直流电刺激与运动功能康复
自可以通过单脉冲经颅磁刺激（TMS）诱发的运动诱发电位（MEPs）来量化经颅直流电刺激（tDCS）引起的兴奋性变化以来，初级运动皮层（M1）已被广泛用作刺激靶点3。早期证明tDCS可诱导出极性特异性兴奋性变化的研究即以M1作为刺激靶区11,12。此后，由于M1在运动功能、记忆形成以及运动技能巩固中的重要作用，其一直是tDCS研究中针对临床人群和健康受试者的主要刺激靶点之一12。
大脑执行运动依赖于两个半球运动区域之间复杂的相互作用14。当某一区域受损时（例如中风后），半球间的相互作用会发生改变。关于脑可塑性的研究表明，大脑的运动区域会以多种方式适应这种改变15。首先，受损区域周围完好的区域可能过度激活，从而抑制受损区域，这一过程称为同侧半球内抑制。其次，受损区域的对侧同源区域也可能过度激活，并对受损半球施加抑制，这一过程称为半球间抑制。因此，受影响的初级运动皮层（M1）可能遭受双重抑制：第一次来自病灶本身，第二次来自未受损的M1以及受影响M1周围区域的抑制作用16。最近一项研究显示，未受损半球兴奋性的增强与康复速度减慢相关17，这种现象被称为适应不良的半球间竞争18。
理解卒中后发生的可塑性变化，可能有助于开发能够恢复半球间相互作用的神经调控方案19。针对卒中后出现运动功能障碍的患者，已提出三种主要的经颅直流电刺激（tDCS）治疗方法20,21。第一种治疗旨在通过单侧阳极刺激（a-tDCS）重新激活受损的运动皮层。在此情况下，刺激旨在直接增强病灶周围区域的活动，这些区域被认为对功能恢复至关重要。事实上，已有研究显示，接受该治疗后，患者的偏瘫上肢或下肢功能得到改善22-26。第二种治疗旨在通过在未受损半球的初级运动皮层（M1）施加单侧阴极tDCS（c-tDCS），以降低对侧半球的过度激活。该方法通过半球间相互作用，间接增强病灶周围区域的活动。这些研究的结果表明，c-tDCS后运动功能有所改善4,27-29。最后，第三种治疗旨在利用双侧tDCS，将阳极tDCS对受损M1的兴奋效应与阴极tDCS对未受损M1的抑制效应相结合。研究结果显示，双侧tDCS后运动功能得到改善27,30,31。此外，一项研究证明，与两种单侧方法相比，双侧tDCS带来的改善更为显著32。
经颅直流电刺激的生理机制
尽管经颅直流电刺激（tDCS）在中风治疗中的应用日益增多，但其作用的生理机制仍不明确33。更深入地理解其生理效应有助于开发更有效的治疗方案，并推动标准化治疗流程的建立。如前所述，tDCS 的效应可在刺激结束后持续长达 90 分钟11,12。因此，仅用超极化/去极化过程无法完全解释其持久效应33,34。关于 tDCS 对初级运动皮层（M1）产生后效应的生理机制，已有多种假说被提出，包括神经递质释放、蛋白质合成、离子通道功能或受体活性的改变34,35。最早通过药理学研究获得了相关线索，研究发现谷氨酸能N-甲基-D-天冬氨酸（NMDA）受体拮抗剂右美沙芬可抑制阳极和阴极刺激对M1兴奋性的后效应36,37，而使用NMDA受体激动剂则产生相反效果38。NMDA受体被认为通过长时程增强（LTP）和长时程抑制（LTD）参与学习与记忆功能，这两种过程均由谷氨酸能和GABA能神经元介导39,40。动物研究也支持这一假说，已证实阳极tDCS（a-tDCS）可诱导LTP13。
尽管在理解经颅直流电刺激（tDCS）作用机制方面已取得重要进展，药理学方案仍存在重要局限性。事实上，药物作用在空间特异性上无法达到tDCS的水平，尤其是在人体实验背景下，其作用机制主要依赖于突触后受体 34因此，有必要更直接地研究tDCS对人脑的影响。质子磁共振波谱（1氢质子磁共振波谱（H-MRS）是一个理想的选择，因其具有非侵入性 体内 检测特定感兴趣区域内的神经递质浓度。该方法基于以下原理：大脑中每种含质子的神经化学物质都具有特定的分子结构，因而会产生化学特性明确的共振信号，这些信号可被检测到 1H-MRS 41来自大脑感兴趣区域的信号由化学位移在1至5 ppm范围内的所有质子共振产生。所获得的神经化学物质在谱图上以其化学位移为函数进行表示，呈现出若干可清晰分辨的峰，但也有许多来自不同神经化学物质的共振峰相互重叠。每个峰的信号强度与相应神经代谢物的浓度成正比。 41可定量的神经化学物质数量取决于磁场强度 42,43然而，在较低场强（如3 T）下，浓度较低的代谢物由于被极强的共振信号掩盖，难以准确定量。获取这些重叠信号信息的一种方法是通过谱编辑技术去除强共振信号。其中一种技术是MEGA-PRESS序列，可实现γ-氨基丁酸（GABA）信号的检测 44,45.
仅有少数研究使用1H-MRS探讨了经颅直流电刺激（tDCS）对运动34,46和非运动区域47脑代谢的影响。Stagg及其同事34评估了阳极tDCS（a-tDCS）、阴极tDCS（c-tDCS）和假刺激对初级运动皮层（M1）代谢的影响。他们发现，a-tDCS后γ-氨基丁酸（GABA）浓度显著降低，c-tDCS后谷氨酸+谷氨酰胺（Glx）和GABA浓度均显著降低。另一项研究表明，在M1区施加a-tDCS所引起的GABA浓度变化程度与运动学习能力相关46。
这些研究凸显了将1H-MRS与tDCS结合使用的潜力，有助于加深我们对tDCS影响运动功能的生理机制的理解。此外，使用如a-tDCS和c-tDCS等临床方案作用于M1区具有优势，因为其行为效应已被广泛研究，可直接与生理结果相关联。因此，本文在健康受试者中演示了一种结合双侧tDCS与1H-MRS的标准方案，所用设备为3 T MRI系统。采用双半球tDCS旨在与先前一项MRS研究的数据形成对比，该研究在运动皮层施加了单侧阴极或单侧阳极tDCS34。本方案具体针对在西门子3 T磁共振扫描仪中使用NeuroConn刺激器进行MEGA-PRESS 1H-MRS检测时的刺激操作进行描述。

<table><tbody><tr><td>DC刺激器plus</td><td>NeuroConn</td><td>30DCS01E</td><td>MR兼容设备</td></tr><tr><td>NuPrep制备凝胶</td><td>Weaver and Co.</td><td>#10-61</td><td></td></tr><tr><td>Ten20导电膏</td><td>Weaver and Co.</td><td>#10-20-4</td><td></td></tr><tr><td>电极预处理垫</td><td>Grass technologies</td><td>MD0017</td><td>含70%异丙醇和浮石粉</td></tr><tr><td>生理盐水溶液</td><td>本地药店样品</td><td></td><td>0.9%氯化钠</td></tr><tr><td>非永久性水性标记笔</td><td>Sharpie</td><td>SHPE20WH</td><td></td></tr><tr><td>SYNGO MR VB17</td><td>Siemens AG</td><td></td><td>MRI软件</td></tr><tr><td>MAGNETOM Trio A Tim系统</td><td>Siemens AG</td><td></td><td>MRI扫描仪版本</td></tr><tr><td>Matlab 2013a (版本8.1)</td><td>MathWorks Inc</td><td></td><td>数据处理与分析软件</td></tr><tr><td>LCModel 6.3</td><td>LC MODEL inc</td><td></td><td>参见：s-provencher.com</td></tr></tbody></table>

利用磁共振波谱作为测量双侧经颅电刺激对初级运动皮层代谢影响的工具

The Use of Magnetic Resonance Spectroscopy as a Tool for the Measurement of Bi-hemispheric Transcranial Electric Stimulation Effects on Primary Motor Cortex Metabolism

经颅直流电刺激（tDCS）是一种神经调节技术，在过去十年中 increasingly 被用于治疗中风和抑郁症等神经病学及精神疾病。然而，tDCS 调控大脑兴奋性以改善临床症状的潜在机制仍不甚清楚33。为了增进对此的理解，可采用质子磁共振波谱（1H-MRS），因其能够在特定脑区实现对脑代谢物（如 γ-氨基丁酸（GABA）和谷氨酸）的体内定量分析41。事实上，最近一项研究证实，1H-MRS 确实是深入理解 tDCS 对神经递质浓度影响的有力手段34。本文旨在详细描述将 tDCS（NeuroConn MR 兼容刺激器）与 3 T 磁共振系统上的 1H-MRS 结合使用的完整实验方案，其中采用 MEGA-PRESS 序列。我们将重点介绍一种在治疗中风后运动功能障碍方面展现出巨大潜力的方案，该方案包括对初级运动皮层进行双侧刺激27,30,31。同时，本文也讨论了需考虑的方法学因素以及对该方案可能进行的修改。

图6 显示了位于M1区手部表征区域上的感兴趣体积（VOI）位置，所有磁共振波谱（MRS）测量均在此区域进行。在图6D中，三维可视化图像清晰地展示了经颅直流电刺激（tDCS）电极放置在头皮上初级运动皮层（M1）上方的位置。图7 显示了在M1区采集的代表性“EDIT OFF”谱图及差值（“DIFF”）谱图。可清晰观察到对应于谷氨酸复合物（Glx）、γ-氨基丁酸+大分子（GABA+MM）以及N-乙酰天门冬氨酸（NAA）的峰。
图8展示了单个参与者在三种不同条件下，经颅直流电刺激（tDCS）前和tDCS后MRS采集数据的变化百分比。tDCS后的结果分为两个时间点，以说明随时间变化的演变情况。图8a显示了Glx的变化百分比。在假刺激条件下，Glx浓度未表现出显著的调节作用。在双侧刺激1（左侧阳极、右侧阴极）条件下，Glx浓度同样未观察到明显调节；然而，其随时间变化的调节趋势与假刺激条件相反。最后，在双侧刺激2（左侧阴极、右侧...

本文旨在介绍一种将经颅直流电刺激（tDCS）与质子磁共振波谱（1H-MRS）测量相结合的基本实验方案，以研究双侧刺激对初级运动皮层代谢的影响。

经颅直流电刺激（tDCS）是一种神经调控技术，过去十年中在治疗……方面应用日益广泛

本实验的总体目标是将经颅直流电刺激与质子磁共振波谱（MRS）测量相结合，以研究双侧刺激对初级运动皮层代谢的影响。首先，在受试者位于扫描仪外部时，将刺激电极精确放置于目标区域，并固定在受试者的头皮上。随后，通过受试者脑部的解剖学扫描确定MRS体素的位置，接着使用MRS MEGA-PRESS序列进行四组、每组64次的代谢物扫描。接下来，在受试者仍处于磁共振成像（MRI）扫描仪中的情况下，以1毫安的强度对初级运动皮层进行双侧刺激，持续20分钟。在此步骤中，最后的操作是运行与经颅直流电刺激前（即pre-TDCS）相同的代谢物扫描。最终，将经颅直流电刺激与磁共振波谱技术相结合，用于显示初级运动皮层双侧刺激所相关的GABA和GLX浓度的变化。该方法有助于解答神经调节领域中的关键问题，例如特定刺激方案会影响哪些神经递质？刺激效应的定位有多精确？双侧刺激是否比单侧刺激产生更大的效应？那么，经颅直流电刺激（TDCS）的效果能持续多久？该技术还具有临床意义，因为已有研究表明，TDCS 可以缓解抑郁症症状。更深入地理解 TDCS 的作用机制，有助于更精确地定义刺激参数，并可能实现个体化治疗。它还可以作为一种更准确预测哪些患者会对该技术产生反应、哪些不会的方法。按照文字版方案中所述的准备步骤开始本方案，使用万用表验证电极导线的功能是否正常以及阻抗是否符合要求。确定电极位置后，尽可能将目标刺激区域的毛发移开。使用棉签将 EEG 型去角质凝胶涂抹于目标区域进行清洁。随后使用 70% 异丙醇和浮石预处理垫进一步清洁目标区域，以增强电极接触效果。然后在电极表面充分涂抹 EEG 型导电膏，确保完全覆盖整个电极。确保在整个表面的导电膏厚度约为五毫米。确保橡胶区域的全部表面均被导电膏覆盖。用生理盐水溶液轻轻润湿目标区域以及电极上的导电膏。按照此处所示方式放置电极，并将电极牢固地按压在目标区域。在受试者头部缠绕一根橡皮带，以确保电极的稳定性。调整至受试者在扫描过程中不会感到任何疼痛或不适的程度。然后打开经颅直流电刺激设备，并按照文本方案中所述加载测试刺激参数。按下按钮一以开始刺激。显示屏将显示阻抗水平，若阻抗超过 20 千欧姆，设备将自动停止。如果阻抗水平超过20千欧姆，则应从内箱上拔下电极导线，并检查电极的放置位置。当达到理想的阻抗水平后，重新进行测试刺激；测试刺激结束后，将电极从内箱上拔下。将经颅直流电刺激（TDCS）设备及外箱放置于扫描控制室内。将外盒的导线插入经颅直流电刺激（TDCS）设备，然后将长盒的电缆连接到外盒。将TDCS设备的电缆从扫描控制室引至磁共振成像（MRI）室。确保电缆尽可能沿直线布设，避免在MRI室墙壁上出现任何弯折或环路。靠近 MRI 扫描仪的后部。在电缆上放置多个与 MRI 兼容的沙袋，以确保其稳定性。将内盒带入 MRI 房间，并将长盒电缆插入内盒中。开始 MRI 扫描准备时，按照文本方案中的说明向受试者发出指示，并将受试者在扫描仪中进行定位；使用医用胶带将电极电缆固定在线圈右侧背面。将位于扫描仪内部的电极导线插入经颅直流电刺激（TDCS）内盒中。将内盒置于扫描仪右侧，并在其上放置沙袋以确保最大程度的稳定性。将操作台移回其最终位置。在整个 MRI 检查过程中，保持经颅直流电刺激（TDCS）设备开启，并将电极连接在外置盒上。在经颅直流电刺激-磁共振成像（T-D-C-S-M-R-S）检查前，运行定位序列以获取图像，用于验证头部位置是否正确，并与检查结束时获取的第二次定位图像进行比较，以检测整体移动情况。然后获取解剖学T1加权MPRAGE图像，用于定位M1体素并检测可能存在的结构异常。接下来，在3D卡片中浏览MPRAGE原始图像，对图像进行多平面重建，选择更适合显示波谱感兴趣体积（VOI）的平面。随后，在创建平行范围窗口中，选择轴向2×2模式。调整平行线的位置，然后单击保存，以在创建平行范围窗口中生成轴向正交视图，选择冠状面二乘二。再次调整平行线的位置，然后单击保存，以生成冠状面正交视图。在三个方向的切片上定位左侧M1解剖标志。然后将感兴趣体积（VOI）置于相对于扫描仪轴无任何角度倾斜的区域。执行线宽扫描。随后打开波谱卡，测量此次线宽扫描信号实部中的水峰线宽。从浏览器加载带有原始数据的线条。然后加载线宽测量协议。接下来，使用扫描软件的交互式后期处理工具调整相位。选择相位校正部分，使用光标调整基线的相位。为了减小线宽，连续运行最快的地图序列三次。重复进行线宽扫描和线宽测量。记录最终的水峰线宽。随后，使用 MEGA-PRESS 序列开始四组各 64 次的代谢物扫描，其中启用 VAPOR OVS 及单个 FID 存储功能。使用仅含 MEGA-PRESS 序列的水参考信号进行采集，不启用 MEGA 水信号抑制，VAPOR 抑制设置为仅射频关闭，并在 0 PPM 处进行 delta 测量。水参考扫描应包含一个由四次代谢物扫描组成的单一块，而不是64次。首先，告知受试者经颅直流电刺激（TDCS）即将开始，并且在整个刺激过程中扫描仪将保持静音。然后根据实验条件选择之前编程好的两个参数之一，并启动刺激。在20分钟的刺激过程中，持续监测阻抗和电压。刺激结束后，告知参与者刺激后T-D-C-S-M-R-S阶段将立即开始。在刺激后T-D-C-S-M-R-S阶段期间，请勿关闭TDCS设备。运行与预经颅直流电刺激（TDCS）扫描相同的代谢物扫描，但将采集块数加倍，以在两个不同时间点采集代谢物。在TDCS后扫描中，如同预TDCS扫描一样，使用相同参数采集水参考扫描。最后以定位序列结束扫描 session。访问查看卡并进入浏览器菜单。选择第一和第二张局部定位原始图像。将图像加载到查看卡中以比较两张图像。然后将图像与扫描开始时获取的定位图像进行视觉比较，以评估头部运动情况。最后，通过服务器以 DICOM 格式导出数据。此处所示数据分析文本方案中，为初级运动皮层内感兴趣体积的位置，所有 MRS 测量均在此处进行。3D 图像清晰展示了经颅直流电刺激（TDCS）电极放置在头皮上，位于假定的主要运动皮层（M1）区域的位置，以及在 M1 区域获取的不同波谱。图中可见对应于谷氨酸复合物（GLX）、γ-氨基丁酸（GABA）加巨分子，以及 N-乙酰天门冬氨酸（NAA）的明显峰。展示了单个受试者在三种不同条件下，TDCS 刺激前与刺激后 MRS 采集结果之间的变化百分比。刺激后（post TDCS）的数据结果进一步分为两个时间点。为了说明随时间变化的演变情况，在假刺激和双侧刺激中，GLX 变化百分比均未显示出显著调节。一。在双侧刺激后的第二个时间点，观察到 GLX 浓度略有下降。二。GABA 浓度在假刺激或双侧刺激中均未显示出显著调节。二。相比之下，在双侧刺激一次完成后，第二个时间点的 GABA 浓度出现显著升高。一旦掌握，该技术若操作得当，可在两小时内完成。观看本视频后，您应能充分理解如何测量 TTC S 对特定脑代谢物（如 GABA 和谷氨酸）的影响。

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