Name: 评价中的连接有关的大脑兴奋患者癫痫多式联运Imaging-和激励为基础的方法 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-11-13T14:00:00.000+00:00
Duration: 8 min 23 s
Description: 了解如何使用静息态功能连接MRI引导的经颅磁刺激结合脑电图，评估癫痫患者的大脑皮层过度兴奋性。该方法有助于识别致痫网络中的异常脑区，为癫痫诊断和治疗提供新思路。

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作者谨此感谢 Emily L. Thorn（文学学士）在“诱发电活动源估计”部分提供的协助。MMS 获哈佛催化剂/哈佛临床与转化科学中心（Harvard Catalyst/The Harvard Clinical and Translational Science Center）的 KL2/Catalyst 医学研究研究员培训项目资助（美国国立卫生研究院资助号 KL2 TR001100，来自国家研究资源中心和国家转化科学促进中心）。CJC 获美国国立卫生研究院资助（资助号 5K12NS066225）。APL 的部分资助来自 Sidney R. Baer Jr. 基金会、美国国立卫生研究院（资助号 R01 HD069776、R01 NS073601、R21 MH099196、R21 NS082870、R21 NS085491、R21 HD07616）以及哈佛催化剂/哈佛临床与转化科学中心（NCRR 和 NCATS，NIH UL1 RR025758）。BSC 获美国神经疾病与中风研究所资助（R01 NS073601）。

MMS、SWG、CJC 和 BSC 无任何利益冲突需要披露。APL 任职于 Nexstim、Neuronix、Starlab Neuroscience、Neuroelectrics 和 Neosync 的科学咨询委员会，并且是多项已授权和待审专利的发明人，这些专利涉及经颅磁刺激（TMS）与脑电图（EEG）及磁共振成像（MRI）实时整合的技术。

静息态功能连接磁共振成像已被用于识别人脑中的网络连接，以及不同疾病状态下发生的连接改变26,31,32。然而，由于fMRI功能连接依赖于对BOLD信号相关性的识别，而血氧变化与潜在的神经活动之间存在复杂的关系，因此这些fMRI连接发现的因果意义和生理相关性尚不明确。经颅磁刺激（TMS）能够对特定皮层区域的脑活动进行空间和时间上的靶向调控；当与脑电图（EEG）结合使用时，TMS可用于评估大脑不同区域对刺激的响应。因此，可将TMS-EEG应用于fMRI功能连接发生改变的脑区，以评估所观察到的连接改变是否具有可对应的生理基础，从而可能与潜在疾病的病理生理机制相关联。
本文介绍了一种利用基于脑连接引导的经颅磁刺激联合脑电图（TMS-EEG）技术，评估因脑发育畸形——室周结节状异位——所致癫痫患者皮层兴奋性的实验方案，该疾病与异常功能连接网络的形成相关37。本方案用于证明，活动性癫痫患者存在皮层高兴奋性，且这种高兴奋性特异性地出现在静息态功能磁共振成像（fMRI）功能连接发生改变的脑区，并可在单个受试者水平上进行评估。在一例既往脑电图记录到癫痫发作...

经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS）是一种通过电磁感应非侵入性刺激大脑皮层区域的技术。在TMS中，利用强而空间局限的磁通量在目标皮层区域诱导产生电场，从而调节其下神经组织的活动。对运动皮层施加TMS可引发可在外周通过肌电图（electromyography, EMG）测量的运动诱发电位。当以成对或三联脉冲形式应用时，TMS可用于评估特定皮层内GABA能和谷氨酸能环路的活动状态。1-3，从而评估兴奋与抑制的平衡状态 体内 在癫痫患者中，经颅磁刺激（TMS）研究已表明，癫痫患者的皮层存在过度兴奋性4,5，并可能随着抗癫痫药物治疗的成功而恢复正常，从而预测对药物的治疗反应6此外，单次发作患者的皮层兴奋性经颅磁刺激（TMS）测量结果显示为中间值7 以及特发性全面性癫痫和获得性局灶性癫痫患者的手足8这些发现表明，经颅磁刺激（TMS）对皮层兴奋性的测量可能有助于我们识别癫痫的内表型。然而，这些测量指标的敏感性和特异性有限，原因可能是TMS-EMG只能通过刺激运动皮层环路进行评估，而许多癫痫患者的发作灶位于运动皮层之外。
脑电图（EEG）可直接测量大脑对经颅磁刺激（TMS）的反应，并可用于评估新皮层广泛区域的大脑反应性。整合TMS与EEG的研究（TMS-EEG）表明，TMS可引发在皮层中持续传播的活动波，且这些活动波具有可重复性和可靠性9,1011-13。通过评估不同行为状态和不同任务中诱发活动的传播情况，TMS-EEG已被用于因果性地探究人脑网络的动态有效连接性10,14-16。TMS-EEG测量指标在多种疾病中显示出显著异常，包括从精神分裂症17到注意缺陷多动障碍（ADHD）18，以及持续性植物状态等意识障碍19。此外，多个研究团队已发现，癫痫患者中异常的配对脉冲TMS-EMG指标存在相应的EEG相关特征20,21。尤为相关的是，既往研究还提示，癫痫患者可出现异常的刺激诱发EEG活动22-25。
评估脑环路的另一种方法是静息态功能连接磁共振成像（rs-fcMRI），该技术通过分析不同脑区血氧水平依赖（BOLD）信号随时间变化的相关性来实现26。采用rs-fcMRI的研究表明，人脑组织为多个相互作用的特定网络26-29，某些神经精神疾病可能发生在rs-fcMRI所识别的特定大规模分布式神经网络中30，且在神经精神疾病状态下，rs-fcMRI识别出的脑网络常表现出异常31,32。在潜在的临床应用方面，与传统的基于任务的功能磁共振成像（fMRI）相比，rs-fcMRI具有若干优势33，例如对受试者配合度的依赖较小，并减少了因个体任务表现差异带来的干扰。因此，近年来涌现出大量研究，致力于探索不同疾病状态下rs-fcMRI的变化。然而，rs-fcMRI的一个局限性在于难以确定BOLD信号中的相关性（或负相关性）是否以及如何反映构成神经元通信基础的电生理相互作用。另一个相关的问题是，目前尚不清楚在各种疾病状态下观察到的rs-fcMRI改变是否具有生理学意义。特别是在癫痫方面，尚不明确rs-fcMRI中的异常表现是否完全由发作间期癫痫样瞬变活动引起，还是独立于此类电生理异常而存在；需要同步进行脑电图-功能磁共振成像（EEG-fMRI）以帮助区分这些可能性34。
由于经颅磁刺激（TMS）可用于引起不同皮层区域活动的短暂或持续性改变，TMS研究为因果性评估不同静息态fMRI功能连接模式的意义提供了手段。一种方法是利用静息态功能连接MRI（rs-fcMRI）指导在不同疾病状态下进行治疗性刺激；可以预期，针对与已知参与特定疾病状态的脑区具有功能连接的区域进行TMS刺激，其治疗效果可能优于针对无此类功能连接区域的刺激，实际上已有若干研究为此提供了初步证据35,36。另一种方法则涉及使用TMS-EEG技术来因果性评估不同静息态fcMRI模式的生理学意义。具体而言，可检验如下假设：在特定疾病状态下表现出异常功能连接的脑区，患者对该区域刺激的反应应与健康受试者不同，且这些生理异常应特异性地（或主要地）出现在对异常连接脑区进行刺激时。
为了说明上述情况，我们提供了一个近期研究的示例，该研究结合了静息态功能连接MRI（rs-fcMRI）、经颅磁刺激（TMS）和脑电图（EEG），以探讨由于发育性脑异常——侧脑室周围结节性灰质异位（PNH）所致癫痫患者中的皮层高兴奋性37。PNH患者在临床上表现为青少年期或成年期发病的癫痫、阅读障碍以及正常的智力水平，神经影像学显示其侧脑室旁存在异常的灰质结节38,39。既往研究表明，这些异位的侧脑室周围灰质结节在结构和功能上均与新皮层的特定区域存在连接40,41，且癫痫发作可起源于新皮层区域、异位灰质，或两者同时发生42，提示这些患者的癫痫发生是一种环路层面的现象。通过利用静息态功能连接MRI指导TMS-EEG检测，我们证实了因PNH导致活动性癫痫的患者存在皮层高兴奋性的证据，且这种高兴奋性似乎仅局限于与深部结节存在异常功能连接的脑区。
该方案分为两次独立的实验阶段进行。在第一次实验阶段，对患者采集结构像和静息态血氧水平依赖（BOLD）对比功能磁共振成像（MRI）序列，而健康对照组仅采集结构像MRI序列。在第一次与第二次实验阶段之间，采用静息态功能连接分析来确定患者的皮层靶区，并获取这些靶区的MNI坐标。随后，根据相同的MNI坐标为每位健康对照受试者确定对应的皮层靶区。在第二次实验阶段，采集经颅磁刺激-脑电图（TMS-EEG）数据。
本文所给示例中，功能连接MRI分析采用自行开发的软件工具箱及MRI软件43,44进行。神经导航经颅磁刺激（TMS）使用配备实时MRI神经导航系统的经颅磁刺激仪实施。脑电图（EEG）通过一个60通道、与TMS兼容的系统记录，该系统采用采样保持电路以避免TMS引起的放大器饱和。EEG数据采用定制脚本及在MATLAB R2012b环境中运行的EEGLAB工具箱45（版本12.0.2.4b）进行分析。

<table><tbody><tr><td>3T MRI 扫描仪</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>MRI 功能连接性软件</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>MRI 图像查看软件</td><td></td><td></td><td>MRICron</td></tr><tr><td>经颅磁刺激仪</td><td>Nexstim</td><td>eXimia Stimulator</td><td>可使用其他供应商的刺激仪，&lt;i&gt;例如&lt;/i&gt;，Magventure、Magstim</td></tr><tr><td>MRI 神经导航系统</td><td>Nexstim</td><td>NBS v3.2.1</td><td>替代性 MRI 神经导航系统，&lt;i&gt;例如&lt;/i&gt;，Brainsight、Localite</td></tr><tr><td>兼容 TMS 的 EEG 系统</td><td>Nexstim</td><td>Eximia EEG</td><td>替代产品：Brain Products、Synamps、ANT</td></tr><tr><td>Matlab</td><td>Mathworks</td><td>R2012b</td><td>替代软件：Octave</td></tr><tr><td>EEGLab</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>最小范数估计（Minimum Norm Estimate, MNE）软件</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>FreeSurfer</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

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

A Multimodal Imaging- and Stimulation-based Method of Evaluating Connectivity-related Brain Excitability in Patients with Epilepsy

静息态功能连接磁共振成像（rs-fcMRI）是一种基于血氧水平依赖信号随时间变化的相关性，来识别不同脑区之间连接性的技术。rs-fcMRI 已被广泛应用于识别多种神经及精神疾病中脑连接性的异常。然而，rs-fcMRI 所检测到的功能连接异常与脑电生理活动及疾病状态之间的关系尚不明确，部分原因在于功能连接改变在疾病病理生理过程中的因果意义尚未确立。经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation, TMS）是一种利用电磁感应无创地引起皮层活动局部变化的技术。当与脑电图（electroencephalography, EEG）结合使用时，TMS 可用于评估大脑对外部扰动的反应。本文提供了一种联合应用 rs-fcMRI、TMS 和 EEG 的实验方案，用于评估神经精神疾病患者中功能连接改变的生理学意义。我们展示了此前一项已发表研究的代表性结果，该研究利用 rs-fcMRI 识别出因皮层发育畸形——脑室旁结节状异位（periventricular nodular heterotopia, PNH）所致癫痫患者脑内存在异常连接的区域。在癫痫患者中进行刺激后，相较于在匹配的健康对照个体相同位点的刺激，其 TMS 诱发的脑电活动表现出异常，具体表现为 TMS 诱发电位晚期成分异常增强，提示皮层高兴奋性。这种异常仅出现在具有静息态功能连接异常的脑区。在一例既往记录到癫痫发作的受试者中，电生理源分析显示，异常的 TMS 诱发活动起源部位与癫痫发作起始区共定位，提示存在致痫性神经环路。这些结果表明，rs-fcMRI、TMS 与 EEG 可联合用于识别并理解人类疾病中异常脑连接的生理学意义。

静息态功能连接fMRI可用于识别与异位室管膜周围灰质结节表现出高功能连接性的皮层区域（图1），以及无此类连接性的对照区域。为了确定这种异常功能连接是否具有生理学意义，可将具有相关静息态活动的皮层区域选为神经导航经颅磁刺激（TMS）的“连接”靶点，并将诱发的脑电图（EEG）结果与同一患者中对非连接对照靶点刺激所产生的EEG电位进行比较。此外，可在健康对照受试者中靶向相同区域（图2），以确定在PNH患者中观察到的异常功能连接是否与其临床癫痫综合征具有病理生理学意义。具体而言，可通过计算全局平均场电位的归一化曲线下面积，并评估该值在癫痫患者中是否大于其匹配对照，从而在个体患者水平上评估皮层高兴奋性的存在（图2）。对癫痫患者TMS诱发的异常晚期峰进行源定位，可识别异常活动产生的脑区，并可能在空间上与患者的癫痫发作起始区共定位（图3）。
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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。

静息态功能连接磁共振成像（rs-fcMRI）是一种基于不同脑区活动时间序列相关性来识别脑区间功能连接的技术。

本实验的总体目标是利用静息态功能连接、磁共振成像（MRI）引导的经颅磁刺激结合同步脑电图记录，评估癫痫患者大脑皮层的区域性高兴奋性。该方法有助于回答癫痫及神经生理学领域中的关键问题，例如癫痫患者在被认为属于致痫网络的脑区中是否存在皮层高兴奋性的证据。该技术的主要优势在于，可依据脑区间的功能连接性来评估大脑兴奋性的差异，并可用于评估多种不同脑区的皮层反应性。该技术对癫痫的诊断和治疗具有重要意义，因为即使常规脑电图正常，也可识别皮层过度兴奋性，并可针对致痫环路进行治疗。本实验操作将由本实验室研究助理 Tamara Gedankian 演示。测试前，通过将每位受试者的功能连接图叠加到其结构像上，确定两个经颅磁刺激（TMS）靶向区域。开始实验前，将受试者带入测试室并让其坐在椅子上。测量受试者的头围，并选择合适尺寸的脑电图（Electroencephalography，简称 EEG）帽，以确保电极阻抗较低。随后，使用棉签蘸取酒精，彻底清洁每个电极位置处的皮肤。在每个电极上添加导电凝胶，并按压电极以确保头皮、凝胶和电极之间接触良好。为尽量减少充电伪迹，确保凝胶不扩散到电极固定器外部。将参考电极和接地电极置于前额，并尽可能远离刺激线圈，以最大限度降低经颅磁刺激（TMS）诱发的电极伪迹污染整个记录信号的可能性。将这些电极放置在彼此相距几厘米范围内，以尽量减少共模噪声。然后按下脑电图（EEG）系统上的“测量阻抗”按钮。通过将EEG输出电缆插入EEG记录系统的阻抗插孔，检查电极阻抗。确保电极阻抗不超过五千欧姆。接下来，在对侧手准备肌电图电极。给受试者佩戴耳塞，以尽量降低听力损失和耳鸣的风险。然后将红外探测器放置在受试者头部，确保探测器的安置方式能够尽量降低实验过程中发生移动的风险。使用神经导航设备配套的定位指针，确定受试者头部预先选定的外部解剖标志点位置，从而完成头部与MRI图像的共配准。通过在其他部位施加刺激脉冲或在头皮上施加低强度刺激脉冲，使受试者熟悉刺激感受。通过定位受试者大脑半球中与功能连接基础靶点同侧的运动皮层来确定静息运动阈值。将线圈垂直于脑回放置，手柄朝向枕部，以预期低于阈值的强度开始刺激。随后以5%最大刺激器输出为步长逐步增加刺激强度，直至经颅磁刺激（TMS）在每次试验中均能稳定诱发出幅度超过50微伏的运动诱发电位。逐步降低刺激强度，每次减少最大刺激器输出的1%，直至每10次刺激中记录到的阳性反应少于5次。最后，将经颅磁刺激（TMS）强度设定至所需数值。使用神经导航软件，对各个目标区域施加单次TMS脉冲，脉冲之间采用可变间隔，以尽量减少皮层可塑性及受试者预期效应的影响。首先，执行一轮独立成分分析，以去除代表经颅磁刺激诱发的大幅初始肌肉激活的一至两个成分。为此，请使用此处所示的命令，采用对称性方法的快速独立成分分析算法，并选择10号对比函数来运行独立成分分析。通过选择“工具”、“使用独立成分分析剔除数据”，并选择“按地形图移除成分”来识别与经颅磁刺激伪迹一致的成分，该操作将绘制所有独立成分分析成分的地形图。然后点击各个成分对应的数字以绘制成分细节。接下来，选择“工具”菜单中的“移除成分”功能，输入需从数据中删除的成分编号。在弹出的确认窗口中，点击“绘制ERP”以查看删除所选成分后得到的事件相关电位（ERPs）。要查看单次试验的效果，请点击“绘制单次试验”。在查看事件相关电位（ERP）后，如同单次试验中所示，按下“接受”按钮以删除所选成分。进行第二轮独立成分分析（ICA），并移除对应于衰减、眨眼、肌电以及电极噪声等伪迹的成分。为此，使用快速ICA方法，采用对称方法和tanh对比函数进行ICA分析，方法与第一轮ICA相同。同样，参照第一轮ICA中的地形图方式评估各成分的特性。随后标记出与残余TMS衰减伪迹、眨眼伪迹以及肌电伪迹一致的成分。此外，根据空间和时间分布，标记出与通道噪声一致的成分。最后，如同第一轮独立成分分析（ICA）中的操作，选择“工具”→“移除成分”，在“要从数据中移除的成分”字段中输入相应的成分编号，以移除已标记的成分。静息态功能连接磁共振成像用于识别皮层表面与异位脑组织区域存在功能连接的脑区。对这些区域施加经颅磁刺激（TMS）所产生的延迟期活动，相较于无异常连接的区域以及健康对照者的相应位点，表现出异常增强。在此，通过对癫痫患者TMS诱发电位中异常晚期峰值进行源定位，可识别出异常活动的起源脑区，其空间位置可能与患者的癫痫发作灶共定位。观看本视频后，您应能充分理解如何使用静息态功能连接、MRI引导的经颅磁刺激结合脑电图（TMS-EEG）来评估癫痫及其他神经精神疾病患者大脑不同区域的皮层兴奋性。在完成该操作流程后，还可进一步开展其他方法，例如重复经颅磁刺激（rTMS），以确定降低致病神经网络相关脑区的皮层兴奋性是否能够调节疾病的活动状态。

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