經(jīng)顱磁刺激運動皮層的哪個部位？結(jié)合電生理測量和實際現(xiàn)場估計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，對運動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，對刺激效果的評估是直接的，因為由此產(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，或成對的聯(lián)合刺激都是針對運動皮層進(jìn)行的研究。我們對經(jīng)顱磁刺激在微觀層面上的生理效應(yīng)的理解，大多來自針對運動皮層的復(fù)雜實驗。然而當(dāng)TMS引起肌肉抽動時，M1的哪一部分受到刺激仍不清楚。

2. 研究方法

2.1 被試

實驗招募了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周或更長時間。

2.2 實驗流程

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

圖1. (A) 9個測試線圈方向的可視化疊加在一個模范受試者的重建皮質(zhì)板上。綠色的點表示線圈中心和線顯示線圈的方向，對應(yīng)于電流在線圈中心下面流動的近似方向。(B)這兩個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，采用全磁頭模型計算。(D)和C一樣，但是使用了一個模型，在這個模型中，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被試對應(yīng)的MT曲線。(F)為可視化電場選擇的示例位置(見下面的兩個子圖)。紅色:FDI的CoG預(yù)測;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，計算示例位置上的平均電場強(qiáng)度(±SE)。曲線的顏色與對應(yīng)位置的顏色相匹配，如F. (H)垂直于皮層片的電場分量的平均值(±SE跨越受試者)，依賴于線圈方向。在示例位置評估這些值，計算固定的刺激強(qiáng)度為1 A /μs。

3. 研究結(jié)果

當(dāng)系統(tǒng)地改變線圈的測量方向時，運動皮層不同亞部分的磁場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)域的最大電場強(qiáng)度與電生理反應(yīng)顯著相關(guān)。

圖2. 將fMRI激活和運動皮層及周圍區(qū)域的場分布分組，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)度控制的實際現(xiàn)場估計鋪平了道路。

4. 結(jié)論

我們證明了基于真實頭部模型的電場計算與MT變化之間的顯著對應(yīng)關(guān)系。最佳的對應(yīng)一致見于中央前回的冠區(qū)，并且對神經(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化頭部模型會導(dǎo)致空間不明確的結(jié)果。我們的結(jié)果表明，最大電場強(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計算。

5. 名稱及DOI號

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