TMS经颅磁刺激兼容电极帽

2023-03-13

TMS简介

 　　经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation，TMS)是Barker等于1985年首次创立的一种皮质刺激方法，具有无痛、无创，操作简便和安全可靠等优点，很适合临床及实验室的脑功能研究。

 　　经颅磁刺激（TMS）是一种非侵入式的神经调控技术。其通过放置在头皮的通电线圈产生的脉冲磁场，透过颅骨到达靶向脑区并产生感应电场，感应电场使神经元去极化产生动作电位调节神经元活动，影响大脑认知功能。自20世纪80年代以来经颅磁刺激（TMS）技术即开始广泛应用于神经和心理学研究领域。

 

经颅磁刺激联合脑电图（TMS-EEG）技术简介

 　　近几年来，随着技术的进步，发明了磁兼容的脑电电极和放大器，使得TMS刺激下同步记录不受干扰的脑电成为可能，为了评价TMS对大脑神经元活动的调节作用，研究者将TMS与脑电（EEG）技术相结合展开研究，经颅磁刺激联合脑电图（TMS-EEG）技术因此诞生。TMS-EEG技术的结合由于其具有简便和较高时间分辨率等优点而收到了广大科研工作者的推崇。

 　　TMS-EEG已被证明是一种非常有前景的技术，可以提高我们在健康和疾病状态下的无创探测大脑功能的能力，提供与兴奋、抑制、振荡神经元活动、连通性和可塑性相关的可靠、客观和可量化的信息。迄今为止，临床研究表明TMS-EEG可应用于神经病学和精神病学领域的大量临床人群。未来的研究还应集中于使用TMS-EEG来监测临床人群中药物治疗和心理治疗等治疗的效果。通过TMS-EEG发展个体化治疗也是一个非常有趣的用途。TMS-EEG与其他神经成像技术结合使用也具有巨大的临床前景。

 

图 1 由 TMS 脉冲触发的一系列事件。(图片来自参考文献)

 

• (1-2) 电流脉冲流过 TMS 线圈（最大 I ~ 5 kA）并产生短暂（~100 ms）但强的磁场（最大 1-3 T）。
• (3) 变化的磁场在大脑中感应出电场 (~50-100 V/m)，进而产生电场 (~50-100 V/m)。
• (4) 在组织中产生电流 (~0.1 mA/mm2)。
• (5) 电流（即离子）的流动。 产生局部膜去极化（>~10 mV）。
• (6) 电压门控离子通道打开。
• (7) 在去极化达到放电阈值的轴突中产生动作电位。
• (8)神经递质在突触间隙释放。
• (9) 产生突触后电流，导致突触后兴奋（和抑制）电位，如果超过放电阈值，反过来会导致动作电位的产生。 这种跨突触激活代表网络的激活。 突触后电流产生的电位差（电场）驱动头部和头皮内的体积电流。
• (10) TMS 诱导的激活可以用 EEG 记录。 脑电图信号可以用线性模型来描述。

 

 　　TMS 与脑电图的结合有助于以新的方式研究基础神经科学问题。TMS 提供的因果信息克服了脑电图数据的相关性，使用 TMS-EEG 的主要优点之一是，从 EEG 对 TMS 的反应（即诱发电位或脑振荡）得出的结果，可以用作大脑区域的兴奋性或连接性的神经生理学标记。TMS-EEG 数据可以在时域和频域进行分析，目前为止多数研究都集中在前者，即 TMS 诱发电位（TEP）。TEP 是与 TMS 脉冲时间锁定的脑诱发电位。 为了研究 TEP，需要对试验中的信号进行平均。最初的 TMS 诱发反应可能是由集中在目标区域的神经元的激活产生的，随后是轴突互连区域的激活。TEP 由正 (P) 和负 (N) 偏转组成，反映兴奋性和抑制性突触后电位的时空叠加。尽管 TEP 的神经生理学基础仍有待完全阐明，但它们被认为是一种真正的、可重复的皮质反应性测量方法 。初级运动皮层 (M1) 的 TMS 会引起几个峰值，如N15、P30、N45、P60、N100)和 P180。

 　　在刺激区域以及远处互连的大脑区域中，TEP 的可检测时间达 400−500 毫秒。 因此，对于某些 TEP 成分，最大幅度由靠近刺激部位的电极记录，而其他成分可能在较远的电极（例如，在对侧半球）上更为突出。 有证据表明 TEP 与不同的神经递质有不同程度的相关性。 TEP 峰值和时间进程取决于刺激区域、线圈方向和底层皮层的功能状态； 后者可能取决于行为、意识水平和神经精神疾病等因素。 此外，TEP 幅度还受到所施加的 TMS 脉冲强度的影响。

 　　TMS 对大脑活动的影响也可以在频域中进一步研究。 当皮质区域受到 TMS 干扰时，脑电图测量的神经元反应往往会以特定的自然频率振荡。 这种反应的部分原因可能是通过 TMS 脉冲对目标皮层的影响，持续的局部大脑振荡的相位对齐来解释。 因此，TMS-EEG 可通过测量 TMS 脉冲对 EEG 的影响以及相关的行为效应来操纵和研究大脑节律。 用于研究 EEG 振荡的相同方法也可用于 TMS 触发的振荡。 然而，研究人员应仔细区分 TMS 诱发的反应（即锁相信号，因此在单次试验的平均后留下来的）和 TMS 诱发的反应（即非锁相信号，因此在平均过程中被抵消）。 后者需要在单次试验水平上计算时频(TFR)，并随后进行平均，以保留与 TMS 脉冲相关但不锁相的振荡活动。 这种测量还可能涉及某些基线归一化操作，有时被称为 TMS 相关频谱扰动 (TRSP)，它揭示了难以分离的锁相和非锁相响应的混合。

 

TMS-EEG联用的优点？

 　　可以实时测量TMS刺激部位和刺激传导，了解TMS的刺激效果。

 　　可以实时观察TMS刺激的脑电反应，同时根据脑电反应调整 TMS 治疗参数，达到评估与治疗干预相结合的目的，为将来做靶向治疗、精准治疗奠定基础。

 　　可以探讨TMS治疗机制。

 

TTMS-EEG联合的技术难点

 　　TMS与EEG结合并不是简单的技术堆叠，二者的结合需要克服很多技术问题。

 　　对特殊噪音的处理是关键难点，比如TMS脉冲后几百毫秒内将会在电极处产生很大的电流噪音，另外还存在很多其他噪声，如眼电噪声、肌电噪音、电极噪音等，这些情况都会带来伪迹。

 　　TMS刺激联合EEG同步记录对设备的硬件和软件有较高要求，要能尽量减少伪迹。

 　　脑电电极需要特制的磁兼容电极，定位精准的高密度脑电，通常选用64及以上导联脑电图帽。

 　　如果使用标准EEG电极，当TMS线圈与电极接触时，变化的磁场在电极中产生的较大的电流回路将会损坏电极 ；并且电流回路会产生热量，电极迅速升温会灼伤皮肤。因此，TMS下的 EEG 信号采集需要采用特殊设计的EEG系统和电极。TMS下的电极必须要满足如下条件：具有足够小的直径以保证电极不会过热烫伤皮肤；包裹有合适的表面材料，保证电极不会被变化磁场产生的电流影响。目前有两种方法来减少电极中电流涡流加热 ：①减少电流回路的面积或者降低电极的传导性。②使用很小的丸状电极，减少电极面积从而达到降低热量的效果。

 

格林泰克TMS-EEG联用电极帽解决方案

 　　格林泰克TMS-EEG联用电极帽解决方案具有以下优点：

 　　TMS-EEG兼容电极轻薄，厚度小于5毫米，不会因为电极高度过高影响TMS刺激效果。

 　　能保证线圈尽量贴近头皮，保证使用刺激能量最小，即使较低刺激强度亦可诱发受试者出现反应。

 　　电极能旋转，可以在刺激前整理电极连线，保证刺激干扰最小。

 

 

 

     如您有TMS-EEG联用电极帽方面的需求，请联系格林泰克科研领域技术人员，联系人：李明哲，电话15926282558。

 

参考文献 

1. TMS combined with EEG：Recommendation and open issues for data collection and analysis. Brain Stimulation 16 (2023) 567-593.