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大脑活动变化可见—TMS联合fNIRS的高效应用
专栏: 应用研究
发布日期: 2019-05-10
阅读量: 1267
作者: 临床医学中心
来源: 应用研究
fNIRS是近年来新兴的一种非侵入式脑功能成像技术。它能实时、直接检测大脑皮层的血液动力学活动。

经颅磁刺激(TMS)是一种安全、无创的新型神经调控技术,它利用脉冲磁场作用于中枢神经系统(主要是大脑),改变皮质神经细胞的膜电位,使之产生感应电流,影响脑内代谢和神经电活动,从而引起一系列生理生化反应,且所产生的生物学效应可持续到刺激停止后的一段时间。目前已被广泛应用于精神病学和神经病学的临床检测与治疗,如抑郁症、帕金森病、睡眠障碍、脑卒中等。


近红外脑功能成像技术(fNIRS)是一种在脑血氧监测中有着广泛应用的光学技术,能有效地监测大脑代谢变化,且其设备具有应用便捷和非侵入的特点,可对脑血氧进行长时间监测。fNIRS联合经颅磁刺激(TMS)应用可以直接研究大脑皮质的激活和连通性。在不同脑区,rTMS的影响可以通过fNIRS客观地测量。且由于fNIRS是一种光信号,TMS使用期间产生的强磁场不会造成fNIRS数据中的伪影或干扰。因此,fNIRS正被评估为一种潜在的生物标志物,用于评估rTMS治疗的效果。


2000 年,Eschweiler【1】等利用近红外脑功能成像技术研究抑郁症患者 rTMS 的治疗效果,刺激部位为左侧前额叶背外侧皮质,刺激强度为10 Hz,治疗方案包括连续5天的经颅磁刺激治疗期和间隔9天的休息期,治疗时间为4周。


结果:抑郁症患者经过 5天的真刺激后,HAMD 评分显著地降低了5.4分,而假刺激组,HAMD 评分没有明显变化。通过多部位的近红外脑功能成像监测发现,在没有认知任务的刺激之下,首次TMS刺激能引起前额叶背外侧部位的总血红蛋白浓度增加,其他部位没有明显变化。结论提示通过局部的脑血流变化能有效预测rTMS的治疗效果,并且能为TMS定位靶点的激活提供理论支持。


神经生物学上,惊恐障碍(PD)的特征是大脑额叶功能低下。Deppermann【2】等采用TMS中的间歇性theta脉冲磁刺激(iTBS)调节皮质活动。iTBS模式可诱发长时程增强(LTP),诱导神经功能产生长时程兴奋性增加。该研究用了44例PD患者,随机分为假刺激组或真刺激组,除接受心理治疗外,还接受了15次位于左背外侧前额叶皮质(DLPFC)上方的iTBS治疗。在第一次和最后一次iTBS治疗后,通过fNIRS评估语言流畅任务期间的皮质活动,并与23名健康者的氧合血红蛋白的结果进行比较。


结论探讨:既往研究表明通过重复的iTBS 刺激,DLPFC的低激活可以正常化。本次研究我们无法证实真性 iTBS后皮质激活的增加,考虑到所涉及的复杂生理心理因素,因此需要进一步的研究来控制与任务相关的生理心理唤醒,以评估在何种情况下iTBS能作为治疗PD的有效工具。还需要更多的循证依据来探讨iTBS治疗PD的效果以及机制。


近红外脑功能成像通道排布:DLPFC—背外侧前额叶皮质;IFG—额下回,MSTG—颞上中回



对照组与PD患者在语音任务中基线期浓度差异比较


另一项研究中,在重复经颅磁刺激(rTMS)期间,同时测量大脑相应脑区近红外脑功能成像(fNIRS)的血红蛋白数据。该研究从当地社区招募18-50岁健康未用药的被试。他们接受了两次同时进行的rTMS/fNIRS测试,间隔2至3天。在每个测试期间,运动皮层和前额皮质(运动皮层前5厘米)被刺激(1 Hz, 最大 120% MT,10秒的1 Hz刺激和80秒的休息,重复15次),同时用fNIRS测量同侧和对侧大脑区域。


结果:fNIRS在第1次测量和第2次测量后,运动皮质和前额叶皮质的经颅磁刺激导致同侧和对侧氧合血红蛋白(HBO2)浓度显著降低,且两次结果没有显著差异。同侧和对侧的变化显示出很高的时间一致性。结论表明同步rTMS/fNIRS提供了一个可靠的方法测量区域皮质脑激活和连接性,这对于研究大脑疾病以及rTMS引起的皮质变化会非常有用。


头上经颅磁刺激线圈相对于功能性近红外光谱的位置


用近红外脑功能成像技术测量经颅磁刺激运动区和前额皮质血红蛋白相对浓度的变化。

氧合血红蛋白(HBO2)和脱氧血红蛋白(HB)测量从刺激的第6秒到第10秒;

平均前额叶皮质空间反应包括4名受试者和平均运动皮层空间反应包括3名受试者;


结果表明:局部rTMS的大脑空间分布确实发生了变化。线圈正下方区域及其镜像对侧脑区显示了氧合血红蛋白浓度显著降低。


重复经频磁刺激(rTMS)作为一种神经刺激手段,可以调控被刺激脑功能区的神经兴奋性,并可通过电生理、生物化学等多种参数予以反映。同时使用TMS和近红外脑功能成像提供了灵活的方法来研究人类的皮质动力学和连通性。可以获得有关皮质功能、神经血管耦合和神经可塑性的独特信息。


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