經(jīng)顱磁刺激運(yùn)動(dòng)皮層的哪個(gè)部位？結(jié)合電生理測(cè)量和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)估計(jì)揭示受影響的皮層位置

1. 研究背景

自1985年經(jīng)顱磁刺激（TMS）首次展示以來，對(duì)運(yùn)動(dòng)皮層的刺激一直是經(jīng)顱磁刺激研究的主流。在這種情況下，對(duì)刺激效果的評(píng)估是直接的，因?yàn)橛纱水a(chǎn)生的肌肉反應(yīng)可以很容易地用肌電圖（EMG）記錄下來。各種刺激協(xié)議的發(fā)展，如成對(duì)脈沖經(jīng)顱磁刺激，有規(guī)律和模式的重復(fù)性經(jīng)顱磁刺激，或成對(duì)的聯(lián)合刺激都是針對(duì)運(yùn)動(dòng)皮層進(jìn)行的研究。我們對(duì)經(jīng)顱磁刺激在微觀層面上的生理效應(yīng)的理解，大多來自針對(duì)運(yùn)動(dòng)皮層的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)。然而當(dāng)TMS引起肌肉抽動(dòng)時(shí)，M1的哪一部分受到刺激仍不清楚。

2. 研究方法

2.1 被試

實(shí)驗(yàn)招募了11名健康、右利手的志愿者（年齡22-44歲，5名女性），他們都沒有神經(jīng)或精神疾病史，也沒有接受常規(guī)藥物治療，兩名被試排除在最終的數(shù)據(jù)分析之外。每位被試均參加了1次MRI和3次TMS，經(jīng)顱磁刺激治療間隔1周或更長(zhǎng)時(shí)間。

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

我們使用有限元方法（FEM）和基于磁共振圖像的個(gè)人頭部模型，以獲得真實(shí)估計(jì)的電場(chǎng)誘導(dǎo)經(jīng)顱磁刺激。

圖1. (A) 9個(gè)測(cè)試線圈方向的可視化疊加在一個(gè)模范受試者的重建皮質(zhì)板上。綠色的點(diǎn)表示線圈中心和線顯示線圈的方向，對(duì)應(yīng)于電流在線圈中心下面流動(dòng)的近似方向。(B)這兩個(gè)ROI包括中央前回的手把手區(qū)域的冠(藍(lán)色)和后溝部分(綠色)。(C) GM中的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，在1 A /μs的固定刺激強(qiáng)度下，采用全磁頭模型計(jì)算。(D)和C一樣，但是使用了一個(gè)模型，在這個(gè)模型中，顱骨內(nèi)的區(qū)域被視為均勻的。(E)黑線顯示了受試者之間FDI的平均(±SE) MT曲線。彩色的線條表示單個(gè)被試對(duì)應(yīng)的MT曲線。(F)為可視化電場(chǎng)選擇的示例位置(見下面的兩個(gè)子圖)。紅色:FDI的CoG預(yù)測(cè);藍(lán)色:位于中央前回后緣;綠色:手把手最后外側(cè)的溝位置。淺藍(lán)色:手把手外側(cè)溝位置;紫色:手把手內(nèi)側(cè)的溝位置。(G)根據(jù)線圈方向，在固定刺激強(qiáng)度為1 A /μs時(shí)，計(jì)算示例位置上的平均電場(chǎng)強(qiáng)度(±SE)。曲線的顏色與對(duì)應(yīng)位置的顏色相匹配，如F. (H)垂直于皮層片的電場(chǎng)分量的平均值(±SE跨越受試者)，依賴于線圈方向。在示例位置評(píng)估這些值，計(jì)算固定的刺激強(qiáng)度為1 A /μs。

3. 研究結(jié)果

當(dāng)系統(tǒng)地改變線圈的測(cè)量方向時(shí)，運(yùn)動(dòng)皮層不同亞部分的磁場(chǎng)變化與兩塊手部肌肉的電生理閾值變化進(jìn)行了比較。我們證明經(jīng)顱磁刺激作用于腦回冠周圍的區(qū)域，該區(qū)域的最大電場(chǎng)強(qiáng)度與電生理反應(yīng)顯著相關(guān)。

圖2. 將fMRI激活和運(yùn)動(dòng)皮層及周圍區(qū)域的場(chǎng)分布分組，如Freesurfer平均模板所示。

這些結(jié)果有助于我們進(jìn)一步了解顱磁刺激的基本機(jī)制，也為系統(tǒng)地探索經(jīng)顱磁刺激強(qiáng)度控制的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)估計(jì)鋪平了道路。

4. 結(jié)論

我們證明了基于真實(shí)頭部模型的電場(chǎng)計(jì)算與MT變化之間的顯著對(duì)應(yīng)關(guān)系。最佳的對(duì)應(yīng)一致見于中央前回的冠區(qū)，并且對(duì)神經(jīng)激活模型的假設(shè)是可靠的。使用類似于球形頭部模型的簡(jiǎn)化頭部模型會(huì)導(dǎo)致空間不明確的結(jié)果。我們的結(jié)果表明，最大電場(chǎng)強(qiáng)度是目前最好的參數(shù)，以進(jìn)一步探索可用的定量劑量場(chǎng)計(jì)算。

5. 名稱及DOI號(hào)

Bungert, A., Antunes, A., Espenhahn, S., & Thielscher, A. (2017). Where does TMS stimulate the motor cortex? Combining electrophysiological measurements and realistic field estimates to reveal the affected cortex position. Cerebral Cortex, 27(11), 5083-5094.

Doi: 10.1093/cercor/bhw292