从经功能性磁共振成像引导的经颅磁刺激期间记录的脑电图数据中提取视觉诱发电位

摘要

本文介绍了一种在功能性磁共振成像（fMRI）揭示的脑区激活引导下，同步采集经颅磁刺激（TMS）期间脑电图（EEG）数据并进行分析的方法。同时描述了TMS伪迹去除及事件相关电位提取的方法，以及实验范式设计和实验设置中的注意事项。

摘要

经颅磁刺激（TMS）是一种建立皮层区域与认知/神经生理效应之间因果关系的有效方法。具体而言，通过暂时干扰目标脑区的正常活动，并测量脑电生理信号的变化，我们能够确立被刺激脑区或脑网络与所记录的脑电生理信号之间的因果关系。如果目标脑区是通过先前的功能磁共振成像（fMRI）扫描进行功能定位的，则可利用TMS将fMRI激活区域与诱发的电位记录关联起来。然而，此类实验面临重大的技术挑战，主要源于磁脉冲在脑电图（EEG）信号中引入的高幅伪迹，以及难以精准定位fMRI所定义的功能性脑区。本文介绍一种整合三种常用工具——TMS、EEG和fMRI——的方法学。我们阐述如何利用结构或功能MRI数据引导刺激线圈至目标脑区，如何在TMS同步进行时记录EEG信号，如何设计适用于EEG-TMS联合研究的事件相关电位（ERP）实验，以及如何从记录的数据中提取可靠的ERP成分。我们将展示一项已发表研究的代表性结果，该研究采用fMRI引导的TMS与EEG同步记录，证明ERP中对面孔选择性反应的N1成分和对身体选择性反应的N1成分与纹外皮层中不同的神经网络相关。该方法使我们能够结合fMRI的高空间分辨率与TMS和EEG的高时间分辨率，从而全面理解各种认知过程的神经基础。

引言

经颅磁刺激（TMS）可对大脑目标区域的正常神经活动产生短暂干扰。通过制造这种暂时性的神经干扰并测量行为或生理变化，我们能够建立目标脑区与所测得实验效应之间的因果关系（综述见 Pascual-Leone et al. 和 Taylor et al.^1,2）。此类实验效应可以是认知任务中的表现，也可以是电生理（EEG）活动的变化。事实上，近年来研究人员已开始将 TMS 与 EEG 结合使用，以直接关联皮层区域与事件相关电位（ERP）或振荡活动模式（例如^2–7）。在本方法学论文中，我们将介绍一种特定且实用的 TMS 与 EEG 联用框架：在 ERP 实验期间采用 fMRI 引导的 TMS。首先，我们将详细说明如何在记录 EEG 数据的同时，对由 fMRI 预先定义的脑区施加 TMS。接着，我们将描述一种能够提取可靠 ERP 的实验设计。此类实验的目标是建立功能 MRI 所揭示的脑区与感兴趣 ERP 成分之间的因果联系。最后，我们将给出一个具体的研究实例，该研究将面孔和身体选择性 ERP 与 fMRI 所揭示的面孔和身体选择性脑区相关联。

将脑电图（EEG）信号与功能性磁共振成像（fMRI）激活关联起来有何益处？EEG 和 fMRI 是常用于测量视觉输入引起的皮层反应的研究工具。例如，针对面孔、身体部位和书面文字等不同视觉对象类别，在视觉通路中的类别选择性已通过从 EEG 数据中提取的事....

方案

实验分为两个独立的阶段进行。在第一阶段，进行功能磁共振成像实验（例如，功能定位实验），以在个体受试者基础上确定理想的经颅磁刺激（TMS）靶区。随后将fMRI结果输入立体定向导航系统，以实现精确的TMS靶向定位。第二阶段在fMRI数据分析完成后进行，在此期间同步记录脑电图（EEG）和经颅磁刺激（TMS）信号。本文所述方案已获得特拉维夫索拉斯基因医疗中心伦理委员会的批准。

本文示例中，数据采用 MATLAB 版本 7.7 (R2008b) 进行分析。fMRI 数据处理使用了 MATLAB 的统计参数映射软件（SPM 5）以及 SPM 23 的 MarsBar 工具箱。

1. fMRI 扫描会话及 fMRI 数据分析

1. 使用回波平面成像（EPI）序列进行功能性磁共振成像任务，以确定拟通过经颅磁刺激（TMS）靶向的脑区激活焦点。为了更好地分离相邻脑区（如下文示例中的枕骨下面部区[OFA]和躯体外侧区[EBA]），建议采用高分辨率扫描。推荐使用3 mm体素³ 或使用8个及以上通道的MRI头部线圈获得的更小图像，足以清晰界定相邻区域。
2. 运行T1加权结构像扫描以获取神经解剖学数据。确保受试者的面部完全包含在该扫描的视野范围内，因为图像上的外部标记（例如 鼻尖将用于后续与受试者的扫描图像进行共同配准。

结果

本研究采用同步脑电图-经颅磁刺激（EEG-TMS）方法，旨在揭示记录于枕颞部头皮的面孔和身体刺激事件相关电位（ERP）反应是否存在分离。当呈现视觉刺激时，在后侧电极位点可记录到显著的N1成分。特别是，与其他刺激类别相比，面孔和身体刺激通常诱发更大的N1成分^8,33。通过评估基于fMRI定义的面孔和身体选择性脑区在各自对应的面孔和身体N1成分上的刺激效应，我们试图揭示面孔和身体的N1反应是否反映了（至少部分）非重叠的神经源，还是仅仅同一神经网络活动在激活水平上的定量差异。

我们在图像呈现后60毫秒和100毫秒施加双脉冲刺激（例如参见Pitcher 等et al.^34,35），靶向外侧枕叶皮层中对面孔和身体选择性反应的区域——枕部面孔区（OFA）和外纹状体身体区（EBA）（图4A，相关fMRI对比定义见上文第1.3节）。这两个区域在不同的刺激区块中分别进行刺激，同时受试者观看面孔和无头身体的图像。结果显示，对OFA的刺激增强了面孔诱发的N1波幅，但对身体无此效应；而对EBA的刺激则增强了身体.......

讨论

凭借其独特的能力，可在精确的时间点和相对较高的空间精度下，暂时干扰选定皮层区域的正常神经元活动，经颅磁刺激（TMS）能够因果性地将受刺激的脑区与行为或神经生理学指标关联起来。本文介绍了一种在同步应用TMS期间记录脑电图（EEG）的方法，该方法针对功能定义的皮层区域，并采用一种可可靠测量事件相关电位（ERP）反应的分析手段。我们引用了文献中的一个示例，其中将TMS与EEG和功能磁共振成像（fMRI）结合使用，以探究特定由fMRI定义的脑区是否即 OFA 和 EBA 与其偏好刺激诱发的 ERP 反应存在因果关联即 面部和身体

所描述的减法技术已通过验证¹⁹，并在多项研究中得到应用^7,26,27，具有若干显著优势：该方法可消除残余的、持续时间较长的经颅磁刺激（TMS）伪迹，从而覆盖大多数重要事件相关电位（ERP）成分的时间窗口；它同样能够消除来自肌源性、机械性（电极的电干扰）以及非目标皮层（例如听觉来源）的伪迹成分；并且即使在位于线圈正下方或邻近区域的电极上，该技术也具有良好的稳健性和可靠性.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
3.0 T Signa MRI 扫描仪	General Electric
BrainAmp 放大器	Brain Products GmbH	BP-01300
电极输入盒	Brain Products GmbH		可选
PowerPack - 放大器用电池	Brain Products GmbH	BP-02615
BrainCap - 柔性帽上的 32 个平面电极	Brain Products GmbH	BP-0300MR	应使用平面电极以确保线圈与头皮之间的距离更短。如果使用较大的电极（例如针型），请移除线圈下方的电极
TMS Super Rapid2 刺激器	Magstim
50 mm 双线圈	Magstim
线圈支架			任何可固定线圈、调节至合适角度和位置，并在刺激过程中保持线圈稳定的机械臂或三脚架
颏托
Polaris 红外相机	Rogue Research Inc
Polaris 跟踪器和指针工具	Rogue Research Inc
BrainSight 工作站及软件	Rogue Research Inc
BrainVision Recorder 软件	Brain Products GmbH	BP-00010
MATLAB 软件	The MathWorks Inc
SPM for Matlab	英国伦敦，Wellcome 成像神经科学系
SPM 的 MarsBar 感兴趣区工具箱
MATLAB 的 Psychtoolbox 工具箱			该工具箱和以下 E-prime 软件是能够以可靠时序向 TMS 刺激器和 EEG 记录仪发送指令的刺激呈现软件示例
E-Prime 软件	Psychology Software Tools, Inc.