經(jīng)顱磁刺激聯(lián)合經(jīng)顱直流電刺激在大腦皮層電場(chǎng)分布的研究*

王賀，王欣，靳靜娜，李穎，劉志朋，殷濤 ，2△

(1.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程研究所, 天津 300192; 2.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)中心，北京 100730)

1 引 言

經(jīng)顱磁刺激和經(jīng)顱直流電刺激是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的兩種非侵入性的大腦刺激方法[1-8]。目前，我們已經(jīng)了解，低頻重復(fù)經(jīng)顱磁刺激可以降低大腦皮層的興奮性，意味著磁刺激運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位的降低，高頻重復(fù)經(jīng)顱磁刺激提高大腦皮層的興奮性。對(duì)于經(jīng)顱直流電刺激來說，陽極刺激可以增加大腦皮層的興奮性，陰極刺激降低大腦皮層的興奮性。此外，相關(guān)研究表明，經(jīng)顱磁刺激和經(jīng)顱直流電刺激不僅調(diào)控目標(biāo)區(qū)域，而且會(huì)影響與目標(biāo)區(qū)域相互連接的大腦區(qū)域[9-11]。

兩種技術(shù)均可用于調(diào)控大腦皮層的興奮性，因此，結(jié)合兩種技術(shù)的大腦調(diào)控方法可以產(chǎn)生更好的刺激效果[12-14]。相關(guān)研究表明，使用tDCS預(yù)先刺激被試初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層后再使用rTMS刺激，可以增加興奮性的持續(xù)時(shí)間。一些相關(guān)研究使用TMS和EEG探究tDCS對(duì)大腦皮層某個(gè)區(qū)域的興奮性調(diào)控[15-18]。

即使兩種技術(shù)均可用于增加或降低皮層興奮性，但是此前很少被用于同時(shí)刺激大腦皮層的兩個(gè)不同區(qū)域。人類大腦皮層包含200多個(gè)功能亞區(qū)，且有些亞區(qū)彼此間相互連接[19-21]。因此，刺激兩個(gè)相互連接的大腦區(qū)域可能增加刺激效果。例如，胼胝體連接左右大腦的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層。因?yàn)殡蓦阵w抑制機(jī)制，抑制一側(cè)的初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的興奮性可以增加對(duì)側(cè)的皮層興奮性[22-25]。近期一些研究表明，低頻rTMS作用于健側(cè)同時(shí)將陽極tDCS作用于患側(cè)，可以提高腦卒中患者的康復(fù)效果[26]。此前，本課題組的研究表明，同時(shí)應(yīng)用rTMS和tDCS可以顯著增加皮層興奮性的調(diào)制效果[27]。

雖然目前已有將rTMS和tDCS應(yīng)用刺激于左右側(cè)初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的相關(guān)研究，但目前國(guó)際上并未有相關(guān)數(shù)據(jù)確保實(shí)驗(yàn)的安全性。且如果應(yīng)用兩種技術(shù)同時(shí)刺激其他相互連接的大腦皮層區(qū)域，也沒有方法確保實(shí)驗(yàn)的安全性。為了解決上述問題，本研究提出了基于SimNibs的仿真方法[28-29]，用以評(píng)估兩種技術(shù)同時(shí)作用情況下電場(chǎng)之間的相互影響。使用被試頭部的MRI影像建立有限元模型，將TMS刺激線圈和tDCS刺激電極放置于模型的頭皮相應(yīng)位置?；谟邢拊惴?，計(jì)算TMS和tDCS產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度在大腦皮層的分布情況。最后基于計(jì)算獲取的電場(chǎng)分布情況，分析兩種技術(shù)同時(shí)應(yīng)用情況下的相互影響。

2 方法

基于MRI影像，建立有限元模型。并將有限元模型分割成5種不同的組織，分別包括白質(zhì)(WM), 灰質(zhì) (GM), 腦脊液 (CSF), 顱骨 (Skull) 和皮膚 (Skin)。對(duì)于每種組織設(shè)定不同的電導(dǎo)率，Skin= 0.465 S/m,Skull = 0.01 S/m, CSF=1.654 S/m, GM=0.275 S/m 和WM= 0.126 S/m。本研究中所有電極和線圈的位置均基于標(biāo)準(zhǔn)64導(dǎo)腦電帽。其中TMS刺激線圈放置于C3。線圈的電流變化率為1 A/us。為了研究陰極位置不同對(duì)電場(chǎng)相互作用的影響，首先將陽極固定于C4位置，陰極選擇10個(gè)不同的位置 (Fp2, F8, T8, P8, O2, O1, P7, T7, F7 和 Fp1) 進(jìn)行仿真。為了研究陽極位置不同對(duì)電場(chǎng)相互作用的影響，將陰極放置于Fp1和Fp2位置。陽極選擇5個(gè)不同的位置(C1, Cz, C2, C4, 和 C6)。電極大小為25 cm2，電流為1 mA。

3 結(jié)果

我們首先仿真獲取了陽極位置對(duì)電場(chǎng)交互的影響。圖1展示了使用SimNibs仿真獲取的10幅歸一化電場(chǎng)分布圖。為了獲取這些電場(chǎng)分布圖，使用SimNibs分別計(jì)算TMS和tDCS單獨(dú)作用時(shí)大腦皮層的電場(chǎng)分布結(jié)果，之后使用Matlab計(jì)算兩種電場(chǎng)分布結(jié)果之和。最后將仿真結(jié)果歸一化顯示于同一視圖中。每個(gè)圖像包含兩個(gè)組成部分，TMS仿真結(jié)果位于線圈下部，即C3位置。tDCS的仿真結(jié)果位于兩個(gè)作用電極之間，tDCS的陰極固定于C4處，陽極選擇了10個(gè)不同的位置。所有選擇的位置均展示于圖1中。從圖1中我們可以看到，相較于tDCS，TMS具有較好的聚焦性。TMS的電場(chǎng)均集中于刺激位置附近，而tDCS的電場(chǎng)彌散分布于兩個(gè)電極之間。因此，在后續(xù)計(jì)算中，我們僅僅考慮tDCS對(duì)TMS的影響。首先我們確定TMS單獨(dú)作用時(shí)大腦皮層上的電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值(Emax(TMS))，以及產(chǎn)生最大值的坐標(biāo)位置 (Xmax,Ymax,Zmax)。之后，我們計(jì)算tDCS在坐標(biāo)位置 (Xmax,Ymax,Zmax)產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度(EtDCS(Xmax,Ymax,Zmax))。之后我們通過公式(1)定義tDCS對(duì)TMS的電場(chǎng)之間的影響。

(1)

在不同電極位置計(jì)算獲取的Ef值,展示于圖2中。從圖中我們可以看到，Ef的最大最小值為11.3%和2.9%，分別由陽極位于T7和T8位置獲取。這些結(jié)果表明，當(dāng)TMS線圈置于兩個(gè)電極之間時(shí)，tDCS對(duì)TMS的影響最大。當(dāng)陽極放置于線圈相反的位置時(shí)，tDCS對(duì)TMS的影響最小。從而證明了電極和線圈之間的相對(duì)位置顯著影響兩種技術(shù)之間的相互作用。需要指出的是，即使線圈位于兩個(gè)電極之間的情況下，tDCS也僅僅使TMS的電場(chǎng)強(qiáng)度增加了11.3%，在TMS推薦的安全范圍之內(nèi)。

圖1大腦中模擬的電場(chǎng)分布，用于研究陽極位置的影響。在TMS的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，八字形線圈的位置固定在C3上。在這組模擬中改變tDCS陽極的位置。陽極和陰極位置展示于圖上。

Fig1Thesimulatedelectricfielddistributioninthebrainforinvestigatingtheinfluencesofanode’sposition.Thepositionofthefigure-of-eightcoilwasfixedoverC3forthedurationofTMS.MaintainingtherTMSparametersusedinFig3,thepositionsofthetDCSelectrodesarevariedinthissetofsimulations.Anodeandcathodepositionsarepresentedineachoftheaboveimages.

圖2陽極位置對(duì)相互作用參數(shù)Ef的影響。將陰極置于右側(cè)C4上，并將陽極定位在十個(gè)不同位置：Fp2，F(xiàn)8，T8，P8，O2 ，O1，P7，T7，F(xiàn)7和FP1。在仿真過程中，TMS的八字形線圈的位置固定在C3上。

Fig2DependenceoftheinteractionparameterEfondifferentanodepositions.ThecathodeisplacedovertherightC4,andtheanodeispositionedovertendifferentpositions:Fp2,F8,T8,P8,O2,O1,P7,T7,F7,andFP1.Thepositionofthefigure-of-eightcoilisfixedoverC3forthedurationofTMS.

之后我們將陽極固定于Fp1和Fp2位置，陰極選擇5個(gè)不同的位置，重復(fù)上述仿真分析，結(jié)果展示于圖3中。結(jié)果表明，線圈與電極之間的距離顯著影響TMS和tDCS之間的相互作用，距離越近作用越強(qiáng)。在不同電極位置計(jì)算獲取的Ef值，展示于圖4中。在電極位置位于C1/Fp1 和C1/Fp2時(shí)，獲取的Ef分別為6.4%和5.8%。在電極位置位于Cz/Fp1 和Cz/Fp2 時(shí)，獲取Ef的最大值分別為7.9%和6.3%，最小值在電極位置 C6/Fp1 (Ef= 4.7%) 和C6/Fp2 (Ef= 0.3%)獲取。

圖3大腦中模擬的電場(chǎng)分布，用于研究陰極位置的影響。在TMS的持續(xù)時(shí)間內(nèi)，八字形線圈的位置固定在C3上。在這組模擬中改變tDCS陰極的位置。陽極和陰極位置展示于圖上。

Fig3Thesimulatedelectricfielddistributioninthebrainforinvestigatingtheinfluencesofcathode’sposition.Thepositionofthefigure-of-eightcoilisfixedoverC3forthedurationofTMS.TheresultoftDCSwiththeelectrodewhichareplacedatdifferentpositions.Thepositionsoftheanodeandcathodearepresentedaboveeachimageseparately.

從仿真結(jié)果中我們可以看到，TMS線圈和tDCS電極之間的距離是決定兩種技術(shù)交互的關(guān)鍵因素。但是值得注意的是，雖然計(jì)算獲取的Ef值整體隨距離的增加而降低，但是在陰極位于Cz處計(jì)算得到了Ef的最大值。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因尚不清楚，但是可能與皮層周圍的各種組織的電導(dǎo)率分布有關(guān)。例如，在中央溝處的腦脊液較多，而相較于其他組織，腦脊液的電導(dǎo)率最高。

圖4陰極位置對(duì)相互作用參數(shù)Ef的影響。將陽極置于Fp1或Fp2上，并將陰極定位在5個(gè)不同位置：C1,Cz,C2,C4和C6。在仿真過程中，TMS的八字形線圈的位置固定在C3上。

Fig4DependenceoftheinteractionparameterEfondifferentcathodepositions.TheanodeispositionedoverFp1orFp2,andthecathodeisplacedoverfivedifferentpositions,namelyC1,Cz,C2,C4,andC6.Thepositionofthefigure-of-eightcoilisfixedoverC3forthedurationofTMS.

4 結(jié)論

本研究使用SimNibs仿真獲取TMS和tDCS在大腦皮層產(chǎn)生的電場(chǎng)的相互作用，確保同時(shí)應(yīng)用TMS和tDCS的安全性。在仿真過程中，我們選擇了不同的電極位置，并定義和計(jì)算了交互參數(shù)。仿真結(jié)果表明，同時(shí)應(yīng)用TMS和tDCS是安全的。電極和線圈的位置決定了兩種技術(shù)的相互作用。