Name: 同时经颅交替电流刺激和功能磁共振成像 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-06-05T14:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 25 s
Description: 学习将经颅交流电刺激与功能性磁共振成像相结合的方法，用于研究脑振荡和认知神经科学。该技术可在特定频率下调控神经振荡并同步测量脑功能变化，为诊断和治疗神经系统疾病提供新途径。

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我们感谢 Ilona Pfahlert 和 Britta Perl 在功能成像实验中的技术支持，以及 Severin Heumüller 提供的出色计算机支持。本工作由 Herman 和 Lilly Schilling 基金会及脑部纳米级显微与分子生理学中心（CNMPB）资助。

所有实验均须按照机构伦理委员会的指南进行。本论文中提到的所有研究，其所有操作步骤均遵循《赫尔辛基宣言》的规定，并经哥廷根大学医学中心当地伦理委员会批准。
1. 实验前的刺激与计算机设置
<ol>
	<li>刺激器设置 
	注意：本fMRI实验所使用的刺激器是一种特殊设计的磁共振（MR）兼容系统，配备有MR安全的内滤波盒、外滤波盒、安全电阻、耦合电缆以及MR安全材料。部分操作说明具体遵循制造商的指导，若使用其他型号的刺激器，这些步骤可能有所不同，因此请务必遵循设备制造商提供的操作说明，其中可能存在与本设置不同的例外情况。图1A展示了本实验设置中所用的刺激器组件。
	<ol>
		<li>通过刺激器菜单设置所需的实验参数（详见用户手册）。例如，在我们的实验中，若刺激频率为10 Hz，则设置1秒的上升/下降时间对应10个周期，30秒刺激时间对应300个正弦波周期，电流强度设为1,000 µA，并选择重复触发模式（除非另有说明）。保存该程序，以便每次运行实验时直接调用。</li>
		<li>使用BNC电缆将刺激呈现计算机的触发输出连接至刺激器。</li>
		<li>将一根非磁性、屏蔽的局域网（LAN）电缆通过射频（RF）波导管从扫描室内引出。为避免谐振电容耦合，确保电缆无环状缠绕，并沿房间墙壁布设，延伸至磁体孔道后部，再沿孔道内右侧扫描床栏杆布线，最终到达内滤波盒位置（参见图1C以及步骤2.4中关于电缆位置的安全提示）。沿电缆长度方向间隔使用胶带将其固定。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在一台独立于扫描仪控制计算机的专用呈现计算机上加载视觉刺激程序。如图1C所示，通过光电转换器将呈现计算机连接至扫描仪触发输出，并连接至输出设备（即投影仪），该设备应置于屏蔽箱内或磁体室外。使用非磁性反射镜将投影引导至扫描仪孔道内的屏幕上。</li>
</ol>
2. 受试者到达与准备
<ol>
	<li>对招募的受试者进行预筛选，排除所有磁共振扫描的禁忌症（例如，无金属植入物、无幽闭恐惧症、符合实验特定的受试者先决条件），以及经颅交流电刺激（tACS）的禁忌症（例如，有癫痫发作史、慢性头痛、妊娠）26,27。</li>
	<li>当受试者到达后，向其说明fMRI实验的详细信息，并描述预期的体验（例如，视觉刺激、tACS引起的刺痛感或光幻视、特殊任务指令）。</li>
	<li>根据10-20 EEG系统放置电极并准备刺激器。
	<ol>
		<li>使用卷尺测量受试者头部从鼻根至枕外隆突的距离，以及从耳至耳跨越头顶的距离。根据10-20 EEG系统，这两条长度的交点即为Cz的位置。使用记号笔在头皮上标记Cz位置。</li>
		<li>将无电极的EEG帽戴在受试者头部，使Cz对准头皮上的标记点，确定电极所需位置并进行标记。 
		注：所有实验人员必须使用相同的放置系统，以确保所有实验之间的一致性；10-20 EEG系统在经颅刺激实验中广泛使用，具有特定的指导原则以保证电极放置的准确性26,28。</li>
		<li>使用酒精和棉片清洁受试者头皮上标记位置及其周围的头发和皮肤，去除油脂和护发产品。</li>
		<li>在橡胶电极上涂抹适量导电凝胶，并将每个电极牢固地按压在已清洁并标记的头皮位置，确保电极、导电凝胶与头皮之间充分接触，阻抗尽可能低。</li>
		<li>使用备用的屏蔽LAN电缆，按照图1A所示，将滤波盒和MR安全电缆连接至刺激器和橡胶电极。</li>
		<li>打开刺激器并测试阻抗（详见用户手册）。如果阻抗未低于20 kΩ，需进一步按压电极或添加电极凝胶，直至达到该阻抗标准。</li>
		<li>当阻抗低于20 kΩ时，允许刺激器输出电流数秒，使受试者熟悉感官体验。询问受试者在此测试期间的感知情况，包括是否存在刺痛感及其是否可耐受，以及刺激期间光幻视的范围或位置。</li>
		<li>此时，受试者已准备移至扫描床。保持电极电缆连接在受试者头皮的橡胶电极上，断开刺激器、备用LAN电缆以及外层和内层滤波盒的连接。</li>
		<li>将外层滤波盒连接至穿过波导通向MR扫描仪的LAN电缆，尽量减少波导外暴露的LAN电缆长度（见图1B）。使用刺激器电缆将刺激器连接至外层滤波盒，并仔细检查刺激器是否已连接至呈现计算机的触发输出端。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在MR扫描仪内准备受试者。 
	注：图1C展示了实验过程中完整的tACS-fMRI设置。必须按照规定布置电缆和内层滤波盒，使电极电缆与扫描床平面成约90°角，内层滤波盒放置在扫描孔右侧的扫描床护栏上。若未正确布置，可能损坏电极电缆的安全电路；此配置适用于开放式和封闭式射频线圈。
	<ol>
		<li>确认受试者无任何磁性材料且已准备好进行MRI实验后，引导其进入扫描室。</li>
		<li>为受试者提供耳塞以保护听力，并指导其躺上扫描床，在头下及周围和腿下放置枕头以提高舒适度并减少移动。在头部后方放置枕头时，需特别注意将电极电缆平放并置于受试者在整个实验过程中躺卧时感到舒适的位置。</li>
		<li>将报警球和MR安全反应按钮盒交予受试者手持，使其在实验中按按钮响应时所需移动最小。</li>
		<li>用附有镜子的射频头线圈固定在受试者头部上方，使其能够以正确方向看到投影屏幕的反射图像。</li>
		<li>将来自橡胶电极的电极电缆自由端临时固定在头线圈内的某个位置，防止床移动时电缆被卡住。图1D显示了在将床移至头线圈中心进行成像前，受试者头部在头线圈中的位置，枕头、镜子和tACS电缆均已就位。图中还展示了滤波盒放置在扫描床护栏上的示例，说明当扫描床处于测量位置时，滤波盒相对于头线圈的正确位置。</li>
		<li>将扫描床移至测量位置。从扫描孔后端，按照图1C所示，将来自橡胶电极的电极电缆连接至连接LAN电缆的内层滤波盒。为防止扫描过程中产生过多移动，使用胶带和沙袋将电缆和滤波盒沿扫描孔右侧的扫描床护栏固定。将投影屏幕放入扫描孔后端。</li>
		<li>再次测试刺激器上的阻抗，以确保电缆、滤波盒与刺激器之间的所有连接均正确无误。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 磁共振扫描与实验
<ol>
	<li>扫描开始前，测试呈现计算机是否能正确记录受试者按压反应按钮的操作。</li>
	<li>获取高分辨率T1加权解剖学数据（例如，三维快速小角度激发序列，回波时间（TE）：3.26 毫秒，重复时间（TR）：2,250 毫秒，反转时间：900 毫秒，翻转角 9°，各向同性分辨率为 1 × 1 × 1 毫米3).
	<ol>
		<li>采集完成后，通过将解剖 MRI 的对比度和窗宽调整至最低和最高极限，目视检测扫描过程中可能由刺激器设置引起的噪声。在功能图像采集的同时，持续进行此类噪声的视觉监测。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>在呈现计算机上启动实验，准备接收扫描仪触发信号，同时启动刺激器以等待呈现计算机的输出触发信号。在整个fMRI实验过程中保持刺激器开启并连接，以避免刺激器开启与关闭条件下时间信噪比（tSNR）的差异22.</li>
	<li>开始fMRI扫描（例如二维T2*加权梯度回波平面成像；TE：30 ms，TR：2,000 ms，翻转角70°，33层，层厚3 mm，层间无间隙，面内分辨率为3 × 3 mm2，每次扫描持续七分钟，共210个体积），以触发呈现计算机上的实验开始。监测刺激器显示，确保在整个实验过程中电流在预期时间点准确发送。</li>
</ol>
4. 实验结论
<ol>
	<li>实验运行完毕且扫描结束后，在移动扫描仪床之前，先将内层滤波盒从连接橡胶电极的电缆上拔下，然后将受试者从扫描仪中移出，并取下电极，使受试者可以自由洗头。</li>
	<li>关闭刺激器，并将其插上电源进行充电。用水清洁橡胶电极，以备下次使用。</li>
</ol>

<ol><li>Thut, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modulating+brain+oscillations+to+drive+brain+function%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+Biol%22%5BJournal%5D)">Modulating brain oscillations to drive brain function.</a> PLoS Biol. 12 (12), e1002032(2014).</li>
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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

本文介绍了使用磁共振兼容的经颅交流电刺激（tACS）系统进行同步 tACS-fMRI 实验的设置与实施步骤。该流程中的某些步骤需要特别注意，尤其是受试者的准备工作。本实验所使用的磁共振兼容刺激器及其配置在仅连接电缆、滤波盒和电极时的最小阻抗约为 12 kΩ，制造商建议在电极连接至受试者时阻抗至少达到 20 kΩ；此要求取决于具体刺激器产品及其制造商。在将电极施加于受试者时，若阻抗过高，除按压电极外，还可采取其他措施降低阻抗值。例如，可先在头皮上已标记并清洁的部位（包括有毛发的区域）涂抹电极凝胶，再将电极压紧于头皮。这有助于电流穿过非导电性材料；但需注意控制电极凝胶的覆盖范围，使其大致与电极表面积相当，以确保电流集中在目标刺激区域。当电极间距较近时尤需特别注意，因为过多的电极凝胶可能导致电极间发生电流分流。若电极位于头部后侧，且受试者将直接仰卧于其上，则必须特别注意在头后放置枕头，以避免实验过程中受试者逐渐感到不适；这种不适在初期可能并不明显，但经验表明，随着时间推移，疼痛感会逐渐出现并加剧。此外，与所有 fMRI 实验一样，受试者的运动将引入显著的混杂因素，因此必须确保受试者在电缆和电极全部就位后仍感到舒适。
在设置过程中需要考虑的最重要方面是可能引入磁共振（MR）环境的噪声，这种噪声会引发图像伪影和失真。在实验开始前，应谨慎地对完整的经颅交流电刺激（tACS）装置进行图像伪影测试。可以使用一个标准的球形模体，并用导电凝胶固定电极。必须提供电流在电极之间传导的路径，这可以通过在两个电极之间涂抹足量的导电凝胶来实现。应按照计划用于受试者的完整实验流程运行，包括频率和电流等参数的变化。在扫描过程中，通过将MR扫描仪控制计算机上图像查看器的对比度和窗宽调整至极端水平，可以更易于目视检测噪声。在实验前和实验过程中进行视觉监测时，噪声可能表现为图像中高强度的尖峰、在不应出现信号的区域出现的异常模式，或随时间变化的信号强度等。关闭射频激发脉冲后采集功能性磁共振成像（fMRI）数据，可获得扫描过程中扫描仪环境噪声的信息，而不采集实际的图像信号（见图2）。该噪声测试可在每次扫描会话中进行。如果发现噪声存在变化，应检查所有电缆是否完好并牢固连接至刺激器、电极和滤波盒，电缆不应形成环路。噪声或失真可能来源于损坏的电缆、橡胶中含有金属杂质的电极（即使标称为MR兼容）、连接不良等其他因素。刺激器采用电池供电，以最大限度减少装置中的电噪声；务必确保每次实验前刺激器已充满电，并在整个实验过程中保持开启和连接状态。当刺激器连接时，功能图像的时间信噪比（TSNR）会下降约5%，但不同刺激条件下的数值应保持稳定22。在尸体上进行的同步经颅电刺激-fMRI测试表明，交流电刺激不会产生与之相关的伪影，这是相较于直流电刺激的一个优势30。理论上，这种无伪影现象可归因于图像采集时刻净电流为零30。然而，在我们实验室开展的部分实验中，图像采集时间或重复时间（TR）并非刺激频率的整数倍。在执行本方案所述的噪声测试并检查图像是否存在伪影（未观察到可见伪影）后，我们得出结论：任何偏离零净电流的情况均很小，其影响微不足道，不足以引发可检测的伪影。
成功实验的另一个关键点是，刺激呈现计算机需接收磁共振扫描仪的触发输出，同时刺激器需接收来自呈现计算机的触发信号。实验前，需使用合适的软件对视觉刺激的设计和时序进行编程。该程序必须使用触发信号，以实现视觉刺激呈现与磁共振扫描仪及刺激器之间的同步；程序的启动由磁共振扫描仪输出的触发信号触发，并在预定的刺激时间点向刺激器发送输出触发信号。在系统设置过程中，可通过将示波器使用BNC电缆连接至扫描仪的触发输出端以及呈现计算机的输出端，以方便地检测触发信号的通信情况。在我们的系统中，磁共振扫描仪每采集一个功能像体积即输出一个触发信号（翻转信号），而呈现计算机则根据呈现软件的编程输出相应的信号。一个设计良好的实验的分析结果，高度依赖于精确时序的刺激实施。
本实验的某些步骤可根据实验室环境的要求进行适当调整。例如，本方案描述了使用投影仪和镜子来呈现视觉刺激，但也可根据实验需求或实验室条件选择使用磁共振成像兼容的液晶显示护目镜或磁共振成像兼容显示器作为视觉刺激输出设备。此外，MRI扫描参数应根据具体实验进行优化设置。值得注意的是，对于经颅交流电刺激（tACS）实验，应审慎选择合适的对照条件，尽管目前尚无明确统一的答案。一种可能的对照方法是采用短暂的伪刺激（如30秒），以模拟tACS引起的躯体感觉，这种感觉会随着刺激时间延长而逐渐减弱；然而，一些研究表明，即使短时间的刺激也可能诱导节律性神经同步化12。另一种可用于tACS的对照方法是使用无效频率进行刺激，即选择与目标研究频率不同的刺激频率。但需注意的是，躯体感觉和光幻视感知会随刺激频率的不同而变化31。最后，在评估受试者的主观刺激体验方面，tACS诱导的光幻视在个体间存在差异，因此为了充分捕捉个体差异，建议采用详细的评分系统记录光幻视感知，并花一定时间向受试者说明可能出现的光幻视特征（如e.g.，位置、强度等），以便其在刺激过程中能够仔细评估自身的感受32,33。
此处展示的代表性结果表明，经颅交流电刺激（tACS）的效果具有电流依赖性和频率依赖性，且其调节作用不仅局限于电极下方区域，还会延伸至较远的、可能功能上相互连接的脑区。该技术的一个局限性在于功能磁共振成像（fMRI）以及血氧水平依赖（BOLD）反应的时间分辨率。数据采集和血流动力学反应的速度无法与刺激频率或大脑电活动的速度相匹配，因此无法直接测量tACS频率特异性效应的即时相互作用。然而，鉴于目前关于tACS效应的科学文献大多为行为学研究，且tACS显然影响着一个完整而复杂的神经系统，可以明确的是，同步进行的tACS-fMRI实验在揭示tACS对大脑作用方面具有重要价值。脑电图（EEG）和脑磁图（MEG）能够提供与神经活动相匹配的时间分辨率信息。但EEG和MEG在空间分辨率、皮层深度探测能力方面存在局限，或依赖计算量巨大的源重建技术。此外，在相同频率下记录时，刺激频率及其谐波伪迹会掩盖感兴趣的脑信号，进一步增加了EEG和MEG分析的复杂性。研究人员已采用一些创新性方法来应对这些挑战。Helfrich等人采用了一种新颖的技术，通过伪迹模板减除法和主成分分析，从EEG数据中去除tACS伪迹15。他们发现，在顶枕区域施加10 Hz的tACS可增强顶叶和枕叶皮层的α节律活动，并促使具有相似固有频率的皮层振荡器产生同步化。Witkowski及其同事则应用了调幅式tACS，成功基于MEG构建出被驱动脑振荡的皮层图谱34。为了在研究中更好地理解正常与异常脑功能，并最终将其应用于临床诊断或治疗，应将tACS分别与EEG、MEG和fMRI结合，以互补的方式建立针对特定预期效应的最佳实践方案，并可根据个体特征进行定制化调整。当这些实践方案建立之后，便可开展有效的研究，以更深入地理解神经振荡的功能（例如，明确定义不同频段的功能角色及其相互关系）以及tACS对神经振荡的调节机制（例如，该机制是通过节律驱动还是可塑性改变实现的35）。
展望未来发展方向，本文所述的实验装置专为研究感知或认知功能的fMRI实验而设计，正如本文及其他研究中所描述的结构-from-运动实验所示。Cabral-Calderin及其同事表明，在观看视频与手指敲击任务的对比实验中，枕叶皮层区域的激活程度依赖于任务类型和tACS频率22。在一项同时进行tACS与静息态fMRI的研究中，Cabral-Calderin及其同事展示了tACS对内在功能连接性和静息态网络具有频率依赖性的影响23。Vosskuhl 等 将tACS与fMRI结合，显示在个体α频率刺激下执行视觉警觉任务期间BOLD信号降低24。Alekseichuk及其同事表明，10 Hz tACS的即时后效应会调制棋盘环形和楔形视觉感知过程中的BOLD信号，提示被动感知任务中神经代谢发生了改变36。这些研究为同时进行tACS-fMRI研究奠定了基础，使其能够在从代谢到认知的多个层面上探究功能机制。在tACS用于转化研究的这一早期阶段，同时进行tACS-fMRI实验具有巨大潜力，有助于加深对刺激技术本身以及神经振荡在认知功能中作用的理解。

经颅交流电刺激（tACS）是一种非侵入性脑刺激技术，有望用于研究健康个体的神经振荡和频率特异性脑功能，同时也可用于研究和调控临床人群中的脑振荡1。该技术通过在头皮上放置两个或多个导电电极，向大脑施加低强度（峰峰值1-2 mA）的正弦波电流，频率可根据需要设定，以与正在进行的神经振荡发生交互。已有tACS研究检测到频率和任务特异性的行为或认知改变，包括但不限于运动功能2、工作记忆表现3、躯体感觉4以及视觉感知5,6,7。以非侵入性方式施加交流电还显示出对神经系统疾病患者的功能改善作用，例如帕金森病患者的震颤减轻8、视神经病变患者的视力改善9，以及中风后言语、感觉和运动功能恢复速度的提升10。尽管目前使用tACS开展的研究日益增多，并且已有证据表明其在临床治疗中具有潜力，但该技术的作用效果尚未被充分阐明，其作用机制也尚未完全明确。
在受控条件下，模拟研究和动物实验可以揭示交流电刺激在细胞或神经网络水平上的效应11,12，但由于有效刺激技术具有状态依赖性13,14，此类研究无法呈现完整的图景。将经颅交流电刺激（tACS）与脑电图（electroencephalography, EEG）15,16,17、脑磁图（magnetoencephalography, MEG）18,19,20或功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging, fMRI）21,22,23,24等神经影像技术结合，有助于了解大脑功能在系统层面的调控机制。然而，每一种组合均面临技术挑战，主要源于刺激在目标频率测量中引发的人工伪迹15。尽管fMRI的时间分辨率无法与EEG或MEG相比，但其在皮层及皮层下脑区的空间覆盖范围和分辨率更优。
最近，在一项联合使用经颅交流电刺激（tACS）与功能性磁共振成像（fMRI）的研究中，我们发现tACS对fMRI测量的血氧水平依赖（BOLD）信号的影响具有频率特异性和任务特异性，且刺激的最大效应不一定直接出现在电极下方，而可能出现在距离电极更远的脑区22。在后续研究中，我们利用低频波动振幅和静息态功能连接性，考察了tACS电极位置和频率对脑网络功能的影响，并结合基于个体电流密度模拟所确定的最直接受刺激区域作为相关性种子点进行分析。该研究最显著的发现是，α波段（10 Hz）和γ波段（40 Hz）刺激常在网络连接性或区域调节方面产生相反的作用23。此外，受影响最显著的静息态网络为左侧额顶叶控制网络。这些研究凸显了利用fMRI确定有效且可控刺激最优参数的潜力。同时，它们也提供了证据表明，除了任务条件、时间、刺激频率和电极位置等可控制参数外，还存在影响tACS效果的个体特异性因素。在优化刺激参数时被视为不可控变量的个体特征实例包括固有的功能连接性、内源性振荡峰值频率（e.g.，个体α频率）以及颅骨和皮肤厚度25。鉴于当前关于tACS的文献，未来需要更多将tACS与神经影像等神经活动测量技术相结合的研究，以建立全面有效的脑刺激技术操作流程。
本文介绍了一种在视觉任务的fMRI扫描期间同步应用tACS实验的安全且可靠的设置方案，重点阐述了该设置与实施过程中能够实现tACS与无伪影fMRI数据采集成功同步的关键环节。

<table><tbody><tr><td>无</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>DC-Stimulator MR</td><td>NeuroConn，德国伊尔梅瑙</td><td></td><td>包含：内层滤波盒、外层滤波盒、磁共振安全电极和刺激器电缆（各1根）、刺激器、2个表面电极和1根屏蔽LAN电缆；注意：本文描述的是使用NeuroConn磁共振安全刺激器进行tACS-fMRI设置的方法，但若采用其他厂商的同类设备，也可接受，需根据厂商说明书进行相应调整。</td></tr><tr><td>3特斯拉Tim Trio磁共振扫描仪</td><td>西门子，德国埃尔朗根</td><td></td><td></td></tr><tr><td>刺激呈现计算机</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>刺激呈现软件（&lt;em&gt;例如&lt;/em&gt;；Matlab）</td><td>MathWorks公司，美国纳蒂克</td><td></td><td></td></tr><tr><td>屏蔽LAN电缆</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>投影仪</td><td>InFocus公司，美国威尔逊维尔</td><td>IN-5108</td><td></td></tr><tr><td>Ten20导电膏</td><td>Weaver公司，美国奥罗拉</td><td></td><td></td></tr><tr><td>脑电帽——EASYCAP 32通道系统</td><td>Brain Products GmbH，德国</td><td></td><td></td></tr><tr><td>卷尺</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>标记笔</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>枕头</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>按钮反应盒</td><td>Current Designs，美国费城</td><td></td><td></td></tr><tr><td>异丙醇</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>棉垫</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>胶带</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>磁共振安全沙袋</td><td>西门子，德国埃尔朗根</td><td></td><td></td></tr><tr><td>磁共振安全镜</td><td>西门子，德国埃尔朗根</td><td></td><td></td></tr><tr><td>磁共振安全显示屏</td><td></td><td></td><td>可根据具体场地参数在本地机械加工车间定制</td></tr><tr><td>E-A-Rsoft耳塞</td><td>3M，英国布拉克内尔</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

同步经颅交流电刺激与功能磁共振成像

Simultaneous Transcranial Alternating Current Stimulation and Functional Magnetic Resonance Imaging

经颅交流电刺激（tACS）是一种用于无创研究脑振荡的有前景的工具。tACS 通过将电流施加到头皮表面的电极，实现对人脑的频率特异性刺激。目前关于该技术的大多数知识均基于行为学研究；因此，将该方法与脑成像技术结合，有望更深入地理解 tACS 的作用机制。然而，由于电学干扰和磁化率伪影的存在，将 tACS 与脑成像结合具有挑战性。但有一种脑成像技术非常适合与 tACS 同时应用，即功能性磁共振成像（fMRI）。在我们的实验室中，已成功将 tACS 与同步 fMRI 测量相结合，结果表明 tACS 的效应依赖于脑状态、电流强度和刺激频率，且对脑活动的调节不仅局限于电极正下方的区域。本文介绍了一种在视觉任务 fMRI 研究中同步应用 tACS 的安全且可靠的实验设置，该方法有助于理解脑的振荡功能以及 tACS 对脑的影响。

图2 和 图3 分别展示了在模体和人体受试者中进行设备噪声测试所获得的代表性图像。每一行中，图2 和 图3 显示了从采集的体数据或计算得到的图谱中选取的代表性轴向切片，切片上方标注了相应说明。每行最右侧的图像为对应体数据或计算图谱的矢状面表示，蓝色线条标示了轴向切片的位置。除第一行以白色显示电极放置位置外，其余各图中的数据均叠加在T1加权图像上。请注意，在T1加权图像中，电极未引起任何图像畸变或信号丢失。在 图2 的第二行中，展示了在tACS装置就位并开启时采集的代表性功能MRI数据。在 图2 的模体图像中，可见由于电极存在导致的部分信号衰减和畸变；然而，图3 的第二行显示，在人体受试者中，这些畸变并未超出头皮范围。图2 的第三行和第四行展示了在体数据中的噪声测量结果，这些数据使用与fMRI数据相同的参数采集，但未施加射频激发脉冲。图像反映了扫描过程中扫描室及MR硬件产生的噪声水平。第三行为tACS关闭时的噪声测量结果，第四行为tACS开启时的测量结果。图2 的第五行和第六行分别为在tACS装置就位且刺激器关闭和开启条件下功能扫描的tSNR图谱。在 图3 中，第三行和第四行分别展示了在人体受试者中采集数据所计算出的tACS关闭和开启条件下的tSNR图谱。请注意，在不同刺激条件下，图像强度无明显差异。正如我们在先前研究中所展示的，与未使用tACS装置采集的图像相比，tACS设备会导致图像tSNR下降约5%，但tSNR在刺激开启和关闭条件下应保持稳定22。
图4 展示了一系列图像，说明了使用非磁共振兼容电极时可能出现的信号丢失现象。对一名带有含金属污染物电极的受试者进行功能磁共振成像（fMRI）扫描，其图像切片显示，在大致位于初级运动皮层上方的电极下方出现信号丢失，如红色圆圈所示。
图5展示了在仅执行中央十字注视任务的受试者中，测试16 Hz Cz-Oz经颅交流电刺激（tACS）不同电流强度对BOLD信号影响的实验结果。在整个实验过程中，12秒的tACS刺激期与24–32秒的非刺激期交替进行。在四个实验轮次中，以伪随机顺序分别施加不同的电流强度（500 µA、750 µA、1,000 µA、1,500 µA）。图5A显示了具有统计学显著性的脑区簇的BOLD信号事件相关平均结果，表明随着电流强度增加，对BOLD信号的影响也增强。此外，图5B展示了与不同电流强度对应的T分数图，揭示了效应的区域特异性以及随着电流强度增加而扩大的空间效应范围。值得注意的是，额叶区域的BOLD活动也发生了显著变化，表明调节效应并不总是直接位于电极下方。更多细节请参见Cabral-Calderin及其同事的研究22。
图6 展示了在视觉感知任务中测试经颅交流电刺激（tACS）效应频率依赖性的实验代表性结果。受试者报告对一个双稳态旋转球体所感知的旋转方向。同时，在三次独立实验环节中，分别在Cz和Oz位置放置电极，并以三种刺激频率之一（10 Hz、60 Hz或80 Hz）施加tACS。 图6A 通过视觉呈现展示实验时间安排以及在中央十字注视区块之间的经颅交流电刺激（tACS）时段。tACS条件与频率效应的交互作用图谱及聚类事后检验显示顶叶皮层存在频率特异性效应，其中10 Hz tACS降低信号，而60 Hz tACS增强信号（图6B). 图6C 显示了60 Hz tACS特定效应的T分数图，其影响范围超出顶叶皮层，延伸至部分枕叶和额叶区域。有关实验与分析细节，请参阅Cabral-Calderin, 等22.
<img alt="图 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55866/55866fig1.jpg" /> 
图 1：扫描仪中的经颅交流电刺激（TACS）装置设置。（A）包含所有必要组件的 TACS 装置设置。刺激器和电缆连接位于磁共振屏蔽室外。图中还显示了用于电极放置的脑电图（EEG）帽、卷尺和导电凝胶。（B）放置在扫描室外部的外部滤波器盒和刺激器。网线（图中不可见）通过射频波导管从扫描室引出，并连接至外部滤波器盒，尽可能减少扫描室外暴露的网线长度。刺激器应同时连接至外部滤波器盒以及呈现计算机的触发输出电缆。（C）实验设置下的扫描环境。图示为经颅交流电刺激（tACS）装置，包括呈现计算机、扫描计算机及触发输出装置、投影仪。（D）实验中的受试者体位。重要组件包括枕头、电缆布置、观察镜和头部线圈。滤波器盒放置于扫描仪床体护栏上，作为放置于孔径内部的一个示例。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55866/55866fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="图2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55866/55866fig2.jpg" /> 
图2：模体磁共振图像的质量评估。 第1行：高分辨率解剖T1加权轴向切片图像，其位置由右侧矢状切片上的蓝线标示（在以下每一行中均可看到）。在矢状面上，电极位置以白色显示。第2行：T2*加权平面回波成像切片，品红色箭头指示由于电极和/或电极凝胶引起的信号丢失和图像畸变。在矢状面上，相应成像体积的位置以叠加形式显示（在以下每一行中均可看到）。第3行：在tACS装置就位并开启但未进行刺激的情况下，使用fMRI实验参数采集且无射频激发脉冲的噪声图像切片。第4行：在tACS装置就位、刺激器开启并以16 Hz进行刺激时，采集的无射频激发图像。第5行：在tACS装置就位并开启但未刺激的情况下，基于采集数据计算得到的TSNR图。第6行：在tACS装置就位并以16 Hz进行刺激的情况下，基于采集数据计算得到的TSNR图。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55866/55866fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="图3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55866/55866fig3.jpg" /> 
图3：受试者磁共振图像的质量评估。 第1行：高分辨率解剖图像的轴向切片，其位置由右侧矢状切片上的蓝线标示（每行均如此显示）。电极位置在矢状面图中以白色标出。第2行：T2*加权回波平面成像切片，显示由于电极和/或电极凝胶未引起信号丢失。在矢状面上，相应体积的位置以叠加方式显示（后续每行同样显示）。第3行：在tACS装置就位并开启但未进行刺激时，基于采集数据计算得到的TSNR图。第4行：在tACS装置就位并以16 Hz进行刺激时，基于采集数据计算得到的TSNR图。&#160; <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55866/55866fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="图4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55866/55866fig4.jpg" /> 
图4：因电极污染导致的信号丢失。 对一名受试者进行功能磁共振成像（fMRI）扫描时，使用了被污染的电极，该电极大致放置于运动皮层手结区域。红色圆圈标示出电极下方出现信号丢失的区域。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55866/55866fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="图 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55866/55866fig5.jpg" /> 
图 5：电流强度对 tACS 调控 BOLD 信号的影响。（A）F 分数图显示电流强度对 16 Hz tACS 效应的主效应。单因素重复测量方差分析 [组内因素：电流强度（500、750、1,000、1,500 µA）] 显示电流强度存在显著的主效应。图中展示了每个电流强度下 tACS 开启期间 BOLD 信号的事件相关平均时间进程。阴影区域表示受试者间的平均标准误。MedialFG = 撄额中回，IPS = 顶内沟，IFG = 撄额下回，PrC = 中央前回，L = 左侧，R = 右侧，*表示未对多重比较进行校正的簇。（B）T 分数图显示 16 Hz tACS 期间各电流强度下 BOLD 活动的变化。500 µA tACS 未发现显著效应。LH = 左半球；RH = 右半球。本图改编自 Cabral-Calderin 等29。<a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55866/55866fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处查看本图的放大版本。</a>
<img alt="图6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55866/55866fig6.jpg" /> 
图6：经颅交流电刺激对视觉感知任务中BOLD信号的影响 (A实验示意图。视觉刺激和经颅交流电刺激（tACS）采用区组设计，视觉刺激持续120秒，期间tACS以30秒开/30秒关的周期进行。每个频率在不同实验阶段分别测试。SfM = 运动结构。B) TACS 条件与频率交互效应。F 统计量图显示双因素重复测量方差分析 [组内因素：TACS（开启、关闭）、频率（10 Hz、60 Hz、80 Hz）] 的显著性结果，以及中央后回两个代表性簇的贝塔估计值。实线与黑色星号标记了事后比较中 10 Hz 与 60 Hz、10 Hz 与 80 Hz 的 TACS 开启-关闭交互效应的显著差异，红色星号表示 TACS 开启与关闭之间事后检验的显著差异。PoC = 中央后回，IPS = 顶内沟。C60 Hz tACS的T分数图。比较60 Hz tACS开启与关闭状态下的显著差异。此图片已重新印自Cabral-Calderin 等29. <a href="http://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55866/55866fig6large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>

经颅交流电刺激（tACS）是一种用于无创研究脑振荡的有前景的工具，但其效应尚未完全明确。本文介绍了一种安全且可靠的实验装置，可实现经颅交流电刺激与功能性磁共振成像的同步应用，有助于加深对脑部振荡功能及tACS效应的理解。

经颅交流电刺激（transcranial alternating current stimulation, tACS）是一种用于无创研究脑振荡的有前景工具。tACS 采用……

本实验方案的总体目标是测量经颅电刺激期间血氧水平依赖性活动的变化。将经颅交流电刺激与功能性磁共振成像相结合，有望解答认知神经科学中的关键问题。这两种技术结合的主要优势在于，能够在以频率特异性方式调控神经振荡的同时，测量大脑功能。该技术的应用前景涵盖与异常同步相关的神经系统疾病的诊断与治疗。尽管该技术可为人类视觉认知研究提供深入见解，也可应用于其他系统，如运动、行为和记忆等领域的研究。通常，初次接触该方法的研究人员可能难以掌握实验装置的复杂性，而复杂的设置对于确保无噪声干扰且触发信号同步的实验至关重要。我们对经颅交流电刺激（TCS）产生兴趣，是因为它为我们提供了一种研究所有振荡现象如何导致意识感知的途径。我们的MRI技术人员是Ilona Pfahlert，受试志愿者为Paule Wunsch。应对所有受试者进行筛查，排除任何磁共振扫描以及经颅交流电刺激的禁忌证。受试者到达后，向其详细说明实验内容并获取知情同意。首先使用卷尺测量受试者头部从鼻根至枕外隆凸的距离，然后测量从一侧耳经头顶至另一侧耳的距离。根据10-20脑电图系统，将这些长度的交点标记为C-Z位置。然后，将不带电极的脑电帽放置在受试者头部，使C-Z对准已标记的位置。接着，确定并标记电极的预期位置，所有受试者均采用相同的定位方式，以确保实验的一致性。接下来，使用酒精和棉片清洁头皮上标记位置及其周围的毛发和皮肤，以去除油脂和护发产品残留。然后，在橡胶电极上涂抹导电凝胶，并将每个电极牢固地按压在标记位置，确保电极、导电凝胶与头皮之间充分接触，以尽量降低阻抗。使用屏蔽的局域网电缆和磁共振兼容的安全电缆，将滤波盒连接至刺激器和橡胶电极。然后，打开刺激器并测试阻抗。如果阻抗未低于 20 千欧姆，则将电极按压在头皮上，或根据需要添加电极凝胶。注意将电极凝胶的覆盖范围限制在与电极大致相同的表面积内，并清除该区域多余的凝胶。接下来，让刺激器输出电流数秒钟，使受试者熟悉这种感官体验。在测试过程中询问受试者的感官感知情况，包括是否能感觉到刺痛感及其耐受程度，以及刺激期间任何光幻视（phosphines）的范围和位置。此时，将电缆保留在受试者身上的橡胶电极上，但断开刺激器、备用LAN电缆以及内外滤波盒，以便受试者移动至扫描仪处。随后，将外层滤波盒连接到穿过波导管的LAN电缆上，尽量减少波导管外的电缆长度。然后，连接刺激器电缆。同时仔细检查刺激器是否已连接至呈现计算机的触发输出。在确认受试者身上无任何磁性材料且已做好磁共振成像实验准备后，引导其进入扫描室。提供耳塞以保护听力，然后让受试者躺到扫描仪床面上。将电极电缆平放于受试者在实验过程中能够舒适躺卧的位置，然后在受试者头部周围及下方放置枕头。同时，在受试者腿部下方放置枕头以增加舒适度，并减少身体移动。提供一个报警球以及一个适用于磁共振成像环境的安全反应按钮盒，将其置于受试者只需轻微移动即可按压按钮的位置。现在，固定带有镜子的头部线圈，使受试者能够以正确的方向看到投影屏幕。然后，将橡胶电极的电极线自由端暂时固定在头部线圈上，以防止床体移动时发生缠绕。将扫描仪床移动到指定位置。然后，从扫描仪孔道的后端，将橡胶电极的电极线缆连接到与网线相连的内部滤波盒。为防止扫描过程中产生过多移动，使用胶带和沙袋将线缆和滤波盒固定在孔道右侧的扫描仪床栏杆上。接着，将投影屏幕放置到扫描仪孔道的后端。最后，再次测试刺激器上的阻抗，以确保在开始实验前所有电缆连接均正确无误。首先测试被试按压反应按钮时，刺激呈现计算机能否正常记录。然后，采集一张分辨率为1毫米各向同性的高分辨率T1加权解剖图像。获取图像后，将该图像的对比度和窗宽水平分别调整至最低和最高极限，以直观检测可能由刺激器设置引起的噪声。在功能成像采集过程中持续进行此项监测。现在，在呈现计算机上启动实验，使其随扫描仪触发信号开始，并启动刺激器以等待该计算机的输出触发信号。此时，开始进行功能磁共振成像（fMRI）数据采集。在整个fMRI实验过程中保持刺激器开启并连接，以避免刺激器开启与关闭条件下时间信噪比出现差异。同时，监测刺激器显示屏，以确保在实验运行期间电流在预定时间准确输出。扫描完成后，将内层滤波盒从连接橡胶电极的电缆上拔下。受试者离开扫描仪后，取下电极，使其可自由洗头。该图显示了在中央十字注视期间，16赫兹CZOZTACS电流强度对bold信号影响的测试结果。显示了统计学显著簇的信号事件相关平均值，随着电流强度的增加，信号效应也随之增强。在此，我们观察到与特定电流强度相关的T分数图，揭示了效应的区域特异性，以及随着电流强度增加，对BOLD活动的影响也逐渐增强。该图展示了在视觉感知任务中测试经颅交流电刺激（TACS）效应频率依赖性的代表性结果。该示意图展示了实验的时间安排，包括中央注视十字区块之间的视觉呈现和经颅交流电刺激（TACS）时段。TACS条件与频率效应的交互作用图谱及聚类事后检验显示，顶叶皮层存在频率特异性效应，其中10赫兹TACS降低信号，而60赫兹TACS增强信号。这些T分数图谱显示，60赫兹TACS的特异性效应不仅延伸至顶叶皮层之外，还涉及部分枕叶和额叶区域。一旦掌握，该实验可在短短两小时内完成，具体时长取决于实验设计的持续时间。在实施该操作过程中，尤其重要的是确保刺激器与 MRI 采集时间正确同步。观看本视频后，您应能够充分理解如何开展联合 TACS-fMRI 实验。

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同步经颅交流电刺激与功能磁共振成像

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