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]。

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]。

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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