脑状态依赖性脑刺激与实时脑脑图触发颅内磁刺激
2019年8月20日
本文介绍了实时脑电图触发的颅内磁刺激，以研究和调节人脑网络。
该方法结合了脑电图和 TMS，用于实时大脑状态依赖性大脑刺激。这使得 TMS 宗地能够与持续内源大脑振荡的特定阶段同步。大脑刺激是一种通过将单个 TMS 脉冲与特定的脑电图定义的大脑状态同步来调节大脑的技术。
刺激的效果可以优化。标准 TMS 已经用于治疗神经和精神疾病，如中风和抑郁症。EEG 同步 TMS 具有使用个性化刺激方案改善治疗结果的潜力。
我们还使用EEG同步的TMS来研究人类大脑振荡的基本神经生理学，通过比较刺激的影响，这些影响是相同的，但在不同的大脑状态中应用。其影响可能是微妙的，很容易被其他实验变异源冲走。我们发现，低刺激强度对观察感觉运动节律对皮质脊柱兴奋性的影响效果最好。
进行闭环实验，大脑活动通过头皮表面的脑电位记录，这些电位由EEG放大器数字化。然后，信号传递到EEG主单元，并从那里传递到控制刺激器的实时设备，从而关闭测量和调节大脑活动之间的信号环路。实时设备分析 EEG 振荡，并在满足预定触发条件时向 TMS 刺激器发送触发信号，以便通过放置在头部的 TMS 线圈传递短暂电流脉冲。
在实验过程中，用神经导航装置监测线圈在头部的位置。将 EEG 系统的实时输出连接到实时设备输入，将实时设备的输出连接到 TMS 刺激器的触发输入。在系统中注册研究参与者，确保协议与 EEG 上限的布局匹配，并且相关通道发送到实时输出。
在控制实时设备的计算机上加载软件，以控制实时设备，确保实时输入通道与EEG系统的配置相匹配。然后打开 TMS 刺激器，将配置设置为外部触发。为了监控线圈位置，并在会话内和跨会话中实现准确和一致的 TMS 定位，在开始针对每个参与者的实验之前，将单个结构 MRI 数据加载到导航系统软件中。
然后将线圈跟踪器连接到刺激线圈并校准线圈。当系统准备就绪时，在研究参与者的头上放置一个适当大小的 EEG 盖，并使用测量胶带正确定位盖。将头发推到一边，使头皮可见，并准备头皮与磨蚀性凝胶应用。
接下来，将导电凝胶涂抹到电极上，并检查 EEG 电极阻抗是否低于 5 千瓦。用塑料包装盖住 EEG 盖，并在塑料包装上方安装网盖，使电缆保持固定位置，以减少 EEG 伪影的变异性。然后应用胶带，提高多层的稳定性，将反光头跟踪器胶带固定到主体的头部，以确保整个实验的稳定性。
将表面 EMG 电极连接到清洁和磨损的目标肌肉上，目视检查正在进行的 EEG 和 EMG 信号，看中有不良电极。使双极 EMG 电缆靠近研究参与者的身体，以减少线路噪音拾取。然后使用指针工具与相关的解剖地标共同注册头部模型，并精确定位 EEG 传感器位置，以便随后估计 EEG 活动的单个来源。
要执行实时 EEG 同步 TMS 实验，首先确定运动皮层的 TMS 引起手部肌肉最强运动响应的确切位置。然后在神经导航软件中标记此热点和线圈位置。接下来用真空枕头固定主体的头部，用机械臂固定热点位置的线圈。
要确定阈值刺激强度，逐渐调整刺激强度，直到50%的 TMS 脉冲产生运动响应。此处的强度已设置为阈值强度的 110%。要配置实时系统以组合多个 EEG 通道来提取特定的振荡，请使用以电极 C3 为中心的五通道拉帕拉西亚空间滤波器来提取感觉电机节奏。
要在此振荡的正峰或负峰值触发 TMS，请将相位触发条件设置为每次试验的相位零或相位 pi 随机，然后武装实时设备，并设置每两秒钟在环路上重复一次序列。然后运行大约10分钟的实验，以获得足够数量的试验，以区分相位特定的刺激效果。在实验过程中，将在神经导航系统上监控线圈位置，在脑电图系统上监控脑电图和E电磁感应器信号。
EEG 系统还显示原始数据以及刺激前 EEG 和每个条件的刺激后肌肉响应。实时设备将执行空间滤波，以目标为感兴趣的大脑区域，并采用带通滤波来隔离兴趣振荡，利用自动回归正向预测和希尔伯特变换估计瞬时振幅和相位。然后将此信号与触发条件进行比较。
如果达到功率阈值和相位条件，将触发刺激器。使用显示的在线运行平均值，在实验期间可以估计相位定位的准确性和相位对肌肉反应的影响。在这些数字中，在 TMS 脉冲之前 400 毫秒内，显示从右手肌肉记录的平均刺激前 EEG 信号和平均引出的电机电位。
综合这些结果表明，微节律的负EEG偏转对应于更高的皮质兴奋状态，导致更大的电机唤起电位振幅相比，正EEG偏转与低试验间变异性注意到的皮质神经兴奋效应。我们需要一个稳定干净的脑电图信号。关键是一个准备充分的学习参与者谁是放松，舒适，能够坐不动。
这是一种易于使用的即插即用方法，用于研究大规模皮质连接状态在基于扰动的实验中是否有因果关系。看着一个局部振荡，这只是第一步。我们已经能够使用这项技术的发现来表明，重复的TMS具有持续感觉运动振荡结果和长期强能（如可塑性）的负峰值。
TMS 是一种安全无痛的程序。一个非常罕见的副作用是癫痫发作在脆弱的人和偶尔轻微的暂时性头痛可能发生。
概述
本研究提出了一种结合实时脑电图（EEG）与经颅磁刺激（TMS）的方法，用于研究和调控人类大脑网络。该方法能够将TMS脉冲与持续进行的大脑振荡特定相位同步，从而有望提升神经科和精神科疾病治疗的效果。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 电生理学
- 脑刺激技术
背景
- 标准经颅磁刺激（TMS）用于治疗多种神经及精神疾病。
- 与脑电图（EEG）同步的经颅磁刺激可提供个体化的刺激方案。
- 研究不同脑状态下刺激的影响，有助于揭示细微的神经生理学机制。
- 低强度刺激可能更有利于观察特定的脑部反应。
研究目的
- 探究同步经颅磁刺激（TMS）对脑振荡的影响。
- 优化脑刺激技术以提高治疗效果。
- 通过实时调控理解脑振荡的神经生理机制。
使用的方法
- 通过实时记录和分析脑电图（EEG）数据来触发经颅磁刺激（TMS）。
- 使用神经导航系统定位TMS线圈，以实现精确靶向。
- 受试者接受一系列试验，以评估特定相位刺激的效果。
- 监测脑电图（EEG）和肌电图（EMG）数据，以评估肌肉反应。
主要结果
- 实时脑电图分析可实现经颅磁刺激脉冲的精确定时。
- 在试验过程中可区分特定相位的刺激效应。
- 低强度刺激有助于更清晰地观察大脑反应。
- 精确的线圈定位可提高刺激结果的可靠性。
结论
- 与脑电图同步的经颅磁刺激（EEG-synchronized TMS）是一种研究脑网络的有前景的技术。
- 该方法可能有助于改善脑部疾病治疗策略。
- 尚需进一步研究以充分理解相位依赖性刺激的影响。
常见问题
行业执行相关性
实时 EEG 触发的 TMS 能够通过将刺激与内源性脑节律同步，精确调节皮层兴奋性，为神经调控治疗中的靶点验证降低风险提供了途径。该方法支持对脑状态依赖性反应的机制性探究，提高了在神经系统疾病适应症的刺激方案早期发现中的预测可信度。通过分离特定相位效应，该方法增强了从基础神经生理学向个性化治疗开发的转化连续性。
生物制药研发中的战略应用
早期发现与靶点验证
- 科学价值：通过检测脑状态如何影响皮层兴奋性和可塑性诱导，实现对治疗假设的验证。
- 操作价值：提供一个受控系统，用于分离刺激时机对神经生理学结果的影响。
- 预测价值：通过识别高效神经调控的最佳脑状态，提升靶向信心。
筛选与检测方法开发
- 检测准备就绪：提供可量化的、与相位相关的运动诱发电位读数，用于标准化刺激筛选。
- 可重复性：采用实时脑电图触发，以最小化刺激反应测量中的试验间变异性。
- 可扩展性：通过神经导航实现线圈位置的一致性，支持重复试验，确保可靠的数据采集。
转化与临床前研究
- 转化连续性：通过识别增强可塑性的脑状态，将基础振荡研究与临床方案开发相衔接。
- 机制去风险化：阐明内源性节律如何调节刺激效应，降低剂量-反应关系中的不确定性。
- 临床前一致性：通过靶向人类运动皮层的感觉得运动节律，支持与疾病相关的系统验证。
流程与工作流整合
该方法通过实现对神经调节干预措施的脑状态分层评估，契合从靶点验证到先导化合物发现直至临床前优化的整个发现流程。
- 发现生物学：通过振荡相位调控皮层对刺激的反应性，促进相关假设的验证。
- 筛选：利用锁相刺激和基于肌电图的可量化运动诱发电位测量，实现检测方法的标准化。
- 分析：提供特定相位的振幅和潜伏期读数，可用于比较不同脑状态下刺激条件的效果。
- 转化研究：通过将脑电图相位模式与诱导可塑性的刺激时间窗相联系，支持生物标志物的对齐与验证。
- 企业级复用：建立可重复使用的平台，用于评估刺激时机在不同靶点、强度和振荡频段中的效果。
运营与企业影响
- 科学价值：通过揭示神经环路的状态依赖性调节，提高对靶点作用的预测可信度。
- 操作价值：通过闭环脑电触发和标准化线圈定位，增强实验的可重复性。
- 战略价值：通过识别最有可能诱导可塑性的刺激参数，优化“进行/不进行”的决策。
- 组合影响：基于脑状态响应性，实现对神经调控候选方案的风险调整优先排序。
实施注意事项
- 需要具备脑电图信号处理、经颅磁刺激安全规程和神经导航方面的专业知识，以实现精确定位。
- 依赖能够进行带通滤波、相位估计和触发延迟控制的实时处理基础设施。
- 需要电生理学、刺激和运动结果测量团队之间进行跨团队标准化。
- 将该方法应用于感觉运动节律以外的不同振荡频段或皮层靶区时，需考虑适应性调整。
- 依赖低强度刺激范式以检测细微的状态依赖效应，因为较高强度可能掩盖相位特异性调节作用。
