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临床必看!TMS与fNIRS联合应用全解析
专栏: 应用研究
发布日期: 2019-10-28
阅读量: 90
作者: 临床医学中心
来源: 应用研究
经颅磁刺激(TMS)自20世纪80年代引入国内以来,被认知神经科学家迅速采用,并被广泛用于研究知觉、运动和认知过程。前景总之,TMS与fNIRS技术的联合应用,为研究人体皮质动力学和连接性提供了灵活且经济的方法。

经颅磁刺激(TMS)自20世纪80年代引入国内以来,被认知神经科学家迅速采用,并被广泛用于研究知觉、运动和认知过程。其技术发展已经相当成熟,临床应用价值也得到普遍认可,但TMS技术的价值绝不仅限于此。


近年来,国内外最新的技术研究主要集中在联合应用方面。将TMS与神经成像技术相结合,可以用来研究以往单独用TMS或神经影像学无法解决的问题,为理解人类大脑功能提供了广阔的前景[1]


 01  技术优势


近红外脑功能成像技术(fNIRS)是一种基于近红外光学的神经影像学方法,可提供血流动力学反应的测量。通过发射近红外光穿透生物体表面,利用近红外光被大脑皮层血红蛋白吸收的原理,检测大脑皮层血液量的分布变化,通过一定的规律来反推大脑的神经活动情况。



TMS与fNIRS的联合应用是一种非常吸引人的技术联姻,可以直接研究大脑皮质的激活和连通性,与其他并行TMS神经成像方法相比,它具有一些优势:


首先,近红外光信号基于光强度,不易受到来自TMS脉冲的电磁干扰。相比而言,TMS-EEG和TMS-fMRI分别测量电场和磁场,需要大量的技术创新来克服TMS诱发的电磁伪影;


第二,光学成像方法允许TMS刺激任何目标头皮位置,并且不受MRI扫描仪中TMS线圈定位的实用性限制;

 

第三,fNIRS提供了氧合血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(Hb)浓度的测量,允许对TMS诱发的人体血流动力学反应进行更详细的研究;

 

最后,光学成像设备性价比高,使得在实验室环境中可以很容易地研究皮质连接、兴奋性和动力学。


fNIRS正被评估为一种潜在的生物标志物,用于评估rTMS治疗的结果[2]


 02  研究案例

★ Thomson, R. H等人用fNIRS来测量TMS治疗的神经机制,取得了不少成果。其中有一项研究采用fNIRS来确定TMS治疗非运动皮层的最佳线圈方向,这有利于探测出前额叶区域的最佳线圈定向。


近红外光谱(NIRS)通过测量前额叶氧合血红蛋白(HbO2)的变化来探测线圈的定向对TMS治疗的影响。该研究对左前额叶进行单脉冲和1Hz rTMS治疗,同时记录双侧刺激皮层处的脑血流变化,线圈方向的变化是从中线逆时针检查45°、135°和225°角。



结果发现在45°方向上观察到HbO2的最大变化,单脉冲和rTMS治疗均适用,但在135°和225°处仅观察到细微变化。这表明在本研究充分显示了近红外光谱在非运动区TMS诱发生理反应检测中的应用,且在大多数临床研究中使用的45°角可能证明是最佳的[3]


★ 2017年有团队运用近红外脑功能成像,对脑卒中后失语症患者进行选择性重复经颅磁刺激(rTMS)的疗效研究。


他们选取了8名卒中后慢性期失语症患者,基于治疗前fNIRS的语言任务测试,被试被分为了左半球激活和右半球激活。其中左半球激活的患者接受右下额叶的1-Hz TMS治疗(RtIFG;低频rTMS [LFS]组),右半球激活者接受右下额叶的10-Hz TMS治疗(RtIFG;高频rTMS [HFS]组)。


患者接受了为期11天的rTMS治疗和强化语言治疗(iST)计划,结果两组均显示语言功能的显着改善。这说明fNIRS指导的选择性rTMS治疗和强化语言治疗(iST)对失语后中风患者的治疗产生了语言功能的显着改善,两组均表现出相似程度的改善[4]



图1 上边显示的是fNIRS任务方案,下边显示的fNIRS的排布方案。其中红色的表示发射光源,蓝色的表示接收器,共48个通道,其中5通道和30通道是对应BA4区和BA5区。



图2 低频刺激组和高频刺激组治疗前后的fNIRS测试图。


结果显示在LFS组,与治疗前相比左右半球的激活都减少,而相对于对侧健康半球,病变同侧的半球表现出更强的激活作用;相反,在HFS组,与治疗前相比,大脑半球相对于同侧半球表现出更强的激活。


★ 有研究报道过用TMS治疗的抑郁症患者会引起脑血流的改变,但刺激期间这些活动变化与TMS有效性之间的关系尚不清楚。


2018年由Shinba等人进行的临床试验研究,用120%RMT、10Hz rTMS治疗耐药性精神病患者的左侧前额叶背外侧区,刺激期间发现该区域HbO2显着增加。在为期6周的治疗过程中,作者观察到刺激反应中HbO2持续增加,与抑郁量表所描述的临床改善结果一致[5]


 03  前景


总之,TMS与fNIRS技术的联合应用,为研究人体皮质动力学和连接性提供了灵活且经济的方法。神经血管耦合和神经可塑性的独特机制,可以通过在使用TMS的同时测量血液动力学响应(fNIRS)来揭示,这为认知神经科学的研究带来巨大的优势。



武汉依瑞德联合资联虹康设计了国内首款与TMS专用线圈适配的光纤支架,这项独创的技术一方面保证了TMS治疗线圈可以密切贴合头皮相应部位,保证了TMS的治疗效果;


另一方面将光纤支架嵌入在TMS线圈拍中,保证了fNIRS检测的准确性,避免了TMS治疗中fNIRS出现的运动伪影和近红外光被线圈遮挡,达到TMS治疗期间能同步、实时、连续检测大脑皮层血红蛋白相对浓度的变化。


参考文献:

[1] Parks, N. A. (2013). Concurrent application of TMS and near-infrared optical imaging: methodological considerations and potential artifacts. Frontiers in human neuroscience, 7, 592.

[2] Curtin, A., Tong, S., Sun, J., Wang, J., Onaral, B., & Ayaz, H. (2019). A systematic review of integrated functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) and transcranial magnetic stimulation (TMS) studies. Frontiers in neuroscience, 13, 84.

[3] Thomson, R. H., Daskalakis, Z. J., and Fitzgerald, P. B. (2011a). A near infra-red spectroscopy study of the effects of pre-frontal single and paired pulse transcranial magnetic stimulation. Clin. Neurophysiol. 122, 378–382. doi: 10.1016/j.clinph.2010.08.003

[4] Hara, T. , Abo, M. , Kakita, K. , Mori, Y. , Yoshida, M. , & Sasaki, N. . (2017). The effect of selective transcranial magnetic stimulation with functional near-infrared spectroscopy and intensive speech therapy on individuals with post-stroke aphasia. European Neurology, 77(3-4), 186-194.

[5] Shinba, T., Kariya, N., Matsuda, S., Matsuda, H., and Obara, Y. (2018). Increase of frontal cerebral blood volume during transcranial magnetic stimulation in depression is related to treatment effectiveness: a pilot study with near-infrared spectroscopy. Psychiatry Clin. Neurosci. 72, 602–610. doi: 10.1111/pcn.12680





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