石衛(wèi)衛(wèi) 侯文生 吳小鷹 郭冰冰 鄭小林

(生物流變科學(xué)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))，生物工程學(xué)院，重慶大學(xué)，重慶 400044)

引言

經(jīng)顱磁刺激(TMS)是一種利用脈沖磁場(chǎng)作用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)(主要是大腦)，再通過感應(yīng)電流調(diào)節(jié)神經(jīng)細(xì)胞的動(dòng)作電位，從而影響神經(jīng)電生理活動(dòng)的磁刺激技術(shù)［1］。經(jīng)顱磁刺激技術(shù)可以輔助揭示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制及每個(gè)功能活動(dòng)區(qū)域的具體作用，同時(shí)又具有無痛、無創(chuàng)、風(fēng)險(xiǎn)小、操作簡單、能重復(fù)刺激等多種優(yōu)點(diǎn)，為腦功能定位研究提供了新的方法和途徑。TMS刺激大腦皮層可以影響神經(jīng)元細(xì)胞膜上 Na+和 Ca2+通道，使神經(jīng)元產(chǎn)生興奮或抑制［2］。利用TMS可以確定大腦運(yùn)動(dòng)皮層的功能區(qū)，還可以定位感覺和認(rèn)知過程的功能區(qū)。經(jīng)顱磁刺激也可以通過刺激運(yùn)動(dòng)皮層來抑制頜肌，產(chǎn)生非特異性語言阻斷，從而實(shí)現(xiàn)語言優(yōu)勢(shì)半球的定位。

視覺是人類認(rèn)識(shí)客觀世界的重要途徑，人類認(rèn)識(shí)世界所需信息的70%以上來自視覺，視覺誘發(fā)電位(visual evoked potential，VEP)［3］是大腦枕葉視皮層對(duì)視覺刺激發(fā)生反應(yīng)的一簇信號(hào)，是反映視覺器官、視覺傳導(dǎo)通路、視覺中樞功能狀態(tài)的神經(jīng)生理學(xué)的重要指標(biāo)，已被廣泛應(yīng)用于臨床檢測(cè)神經(jīng)系統(tǒng)及視網(wǎng)膜、視神經(jīng)、視放射、視皮層等視覺通路病變。經(jīng)顱磁刺激運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位(TMS-MEP)已被廣泛地應(yīng)用于臨床和生理學(xué)領(lǐng)域，對(duì)于了解運(yùn)動(dòng)傳導(dǎo)通路的功能狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的病變有著重要的臨床價(jià)值［4－5］。TMS［6］技術(shù)與 VEP 技術(shù)的結(jié)合為視皮層功能定位的研究以及視覺系統(tǒng)疾病的研究、診斷提供了新的方法和途徑，Gregor Thut等分別在視覺刺激開始時(shí)刻、VEP P1波出現(xiàn)、P1波峰處施加單脈沖TMS(sTMS)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在P1波建立期、波峰處施加的sTMS會(huì)改變VEP波形以及腦電地形圖［7－8］。他們雖然研究了 TMS施加在神經(jīng)活動(dòng)過程中對(duì) VEP的影響，但未從時(shí)效方面，即磁刺激作用效應(yīng)持續(xù)時(shí)間上探討sTMS對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的影響。為了探索單脈沖TMS作用后視皮層神經(jīng)活動(dòng)的變化，以sTMS對(duì)視覺誘發(fā)電位峰時(shí)影響為特征指標(biāo)，研究視皮層神經(jīng)活動(dòng)在sTMS施加前后的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

1.1 受試者的選取

參與本實(shí)驗(yàn)的受試者為11名健康在校大學(xué)生，其中女受試者8名，男受試者3名，平均年齡24歲(22～26歲)，均為右利手。受試者均無神經(jīng)或精神方面、腦外傷、冠心病及視覺系統(tǒng)疾病病史，且視力正常，或矯正后正常。實(shí)驗(yàn)前，受試者均被告知本次試驗(yàn)的目的及實(shí)驗(yàn)步驟，并簽定書面的實(shí)驗(yàn)知情同意書。

1.2 實(shí)驗(yàn)器材

視覺刺激器采用14 in華碩筆記本電腦、磁刺激儀采用丹麥Keypoint-P磁刺激儀和8字形 (蝶形)刺激線圈［9］(線圈內(nèi)徑為2 mm×17.5 mm，外徑為2 mm×37.5 mm，輸出的最大磁場(chǎng)強(qiáng)度為2.5 T)，多通道生理記錄儀、Ag-AgCl盤狀皮膚電極，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景圖片F(xiàn)ig.1 Experiment scene picture

棋盤格刺激圖形是利用LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。LabVIEW可以精確地控制棋盤格的翻轉(zhuǎn)。程序框圖共包括兩大部分，一部分是用數(shù)組生成可以在前面板顯示的黑白棋盤格，改變數(shù)組的參數(shù)可以調(diào)整刺激圖形的形狀、大小、方位。另一部分是刺激圖形顯示模式的控制。利用順序結(jié)構(gòu)(flat sequence)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘控制黑白棋盤格的交替顯示，通過等待(wait)節(jié)點(diǎn)控制持續(xù)顯示的時(shí)間，即刺激的時(shí)間頻率;通過 for循環(huán)(for loop)結(jié)構(gòu)控制棋盤格翻轉(zhuǎn)的循環(huán)顯示，并可以指定循環(huán)顯示的次數(shù)。其結(jié)構(gòu)框圖如2所示。

同步信號(hào)采集裝置是采用由光敏三極管(型號(hào)為3DU33)構(gòu)成的光電轉(zhuǎn)換電路，如圖3所示。光敏三極管被固定在刺激屏幕右下角的一個(gè)小棋盤格前，用來感受棋盤格的黑白狀態(tài)。在光敏三極管集電極c和發(fā)射極e之間加電壓，使集電結(jié)反偏，則在無光照時(shí)，c、e 間只有漏電流(暗電流)，大小約為 0.3 μA，輸出的電壓為3 mV左右;有光照時(shí)將產(chǎn)生光電流，光電流被放大形成集電極電流，最終被發(fā)射極1 kΩ的電阻轉(zhuǎn)化為輸出電壓，輸出被放大到幾十毫伏。光敏三極管具有很高的靈敏度和極快的反應(yīng)速度(5 μs)，從而可以保障同步信號(hào)采集的準(zhǔn)確度。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

在一個(gè)黑暗且相對(duì)安靜的環(huán)境中，受試者采用坐位。刺激器屏幕中間標(biāo)記有紅色的十字交叉，且與受試者的眼睛處在同一高度，以幫助受試者固視刺激屏幕。采用視角為1°的全屏黑白翻轉(zhuǎn)棋盤格作為視覺刺激信號(hào)，時(shí)間刺激頻率為2 Hz，刺激圖形的亮度及對(duì)比度均調(diào)至受試者感覺最佳。經(jīng)顱磁刺激的部位為枕部視皮層區(qū)，TMS刺激強(qiáng)度設(shè)定為最大輸出量的70%。記錄電極置于Oz點(diǎn)(枕骨粗隆上2～3 cm)，參考電極置于 FPz點(diǎn)(鼻根上4 cm)，地電極置于右耳耳垂。

實(shí)驗(yàn)前連接好數(shù)據(jù)記錄裝置，采樣頻率設(shè)定為1000 Hz，低通濾波頻率為30 Hz，以進(jìn)一步消除50 Hz工頻干擾和其他的高頻干擾。同步信號(hào)采集電路的輸出同樣連接到多通道生理記錄儀上。

圖2 棋盤格刺激圖形程序框圖Fig.2 The program of black＆white checkerboard as visual stimulus

圖3 同步信號(hào)采集原理圖Fig.3 The schematic for synchronous signal acquiring

實(shí)驗(yàn)初期，先讓受試者明確該實(shí)驗(yàn)的要求以及實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并進(jìn)行短時(shí)間的訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)開始，首先記錄一組該受試者在無磁刺激下的PRVEP，作為對(duì)照VEP;休息10 min，以讓受試者的眼睛得到充分放松，防止視疲勞引入誤差。然后，當(dāng)受試者聽到刺激器刺激發(fā)出“啪”的聲音時(shí)，受試者按下按鈕(反應(yīng)時(shí)間約為0.5 s)啟動(dòng)視覺刺激器，記錄此時(shí)的PRVEP。實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì)Fig.4 Experiment process design

2 數(shù)據(jù)處理

將采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以Matlab作為處理平臺(tái)進(jìn)行疊加平均和濾波處理。疊加平均方法是以同樣的條件對(duì)人體進(jìn)行多次刺激，記錄每一次刺激產(chǎn)生的誘發(fā)電位，然后把各次記錄波形以施加刺激的時(shí)刻為參考點(diǎn)在時(shí)間上加以對(duì)齊，進(jìn)行累加平均，以平均波形代表所要提取的信號(hào)。在處理中以同步信號(hào)起始點(diǎn)為基準(zhǔn)，將此后采集的數(shù)據(jù)以500點(diǎn)為一個(gè)單位分割成若干組，將后續(xù)第一組500個(gè)采樣點(diǎn)記為x1(n)，第二組500個(gè)采樣點(diǎn)記為 x2(n)，第i組500點(diǎn)為xi(n)，即第i次刺激后的視覺誘發(fā)電位。誘發(fā)電位、噪聲及有用信號(hào)的關(guān)系可由下式表示:

式中，s(n)為每次重復(fù)的有用信號(hào)，ni(n)為噪聲。對(duì)每組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)共疊加平均60次，信噪比可提高倍。

濾波采用無延遲濾波 filtfilt函數(shù)進(jìn)行處理，其濾波器的類型是5階巴特沃斯低通濾波，截止頻率為30 Hz。分析時(shí)間最多選用的是300 ms，因此截取處理后的前300 ms信息進(jìn)行對(duì)比分析。數(shù)據(jù)處理后得到的VEP波形如圖5所示。虛線為磁刺激之前采集到的 VEP，即為對(duì)照的 VEP，實(shí)線為磁刺激后采集的VEP，即為觀察VEP。定義磁刺激之前記錄的VEP P1波峰時(shí)為tpb，磁刺激后記錄的VEP P1波峰時(shí)為tpa。

圖5 TMS施加前后VEP波形的比較Fig.5 The comparison of VEP waveform before and after applying TMS

3 結(jié)果

觀察每一組實(shí)驗(yàn)中對(duì)照VEP和觀察VEP波形發(fā)現(xiàn)，施加sTMS前后VEP的波形大致相同，磁刺激前后得到的 VEP均可見典型的 PRVEP的 N1、P1、N2三個(gè)成分，他們分別出現(xiàn)在50～80 ms、80～110 ms、110～180 ms。對(duì)比同一個(gè)受試者sTMS刺激前后記錄的VEP，發(fā)現(xiàn)刺激后的VEP滯后于刺激前記錄的VEP。表1給出了每個(gè)受試者的VEP各成分波磁刺激前后峰時(shí)差的比較。

表1 磁刺激前后VEP各成分波峰時(shí)的比較Tab.1 Comparison oftheVEP peak timeofeach component before and after applying sTMS

由于PVEP的P1波是最穩(wěn)定的，在此只把這個(gè)最典型的波作為研究對(duì)象，對(duì)磁刺激前后P1波的絕對(duì)潛伏期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。表2和圖6是用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件分析11名受試者磁刺激前后VEP的P1波峰時(shí)的結(jié)果，其中圖6給出這11組數(shù)據(jù)分別在磁刺激前后VEP的P1波峰時(shí)的誤差圖形。刺激前后記錄的 VEP P1波峰時(shí)的均值相差10.91 ms。SPSS對(duì)磁刺激前后兩組相關(guān)樣本進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)，得到的P<0.05，故可以認(rèn)為磁刺激前后VEP的P1波峰時(shí)之間存在顯著差異，也即磁刺激后 VEP的P1波絕對(duì)潛伏期明顯大于磁刺激之前的。

表2 磁刺激前后兩組數(shù)據(jù)中P1峰時(shí)的統(tǒng)計(jì)情況Tab.2 The statistics of the peak time of P1 before and after applying TMS

圖6 磁刺激前后VEP的P1波峰時(shí)的誤差圖Fig.6 The error graph of P1′s peak time before and after applying TMS

4 討論和結(jié)論

VEP時(shí)序上的延遲反映了視覺信號(hào)的傳導(dǎo)受到抑制，一種可能的原因是sTMS對(duì)視皮層神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生了影響，使視皮層的功能受到某種抑制而出現(xiàn)延遲。臨床上，圖形翻轉(zhuǎn)視覺誘發(fā)電位(PRVEP)P1波絕對(duì)潛伏期的延長，可以指示某些疾病(如脫髓鞘病變、弱視、偏頭痛，視神經(jīng)炎等)引起的視覺通路傳導(dǎo)障礙［11］，而這些疾病的發(fā)病機(jī)理就在于神經(jīng)元功能失常，遞質(zhì)失調(diào)，從而使正常的神經(jīng)活動(dòng)受到抑制。因此，神經(jīng)活動(dòng)受到抑制時(shí)就會(huì)使信息傳導(dǎo)受到抑制，外在表現(xiàn)為 VEP的絕對(duì)潛伏期延長。

經(jīng)顱磁刺激(TMS)是一種無電極刺激形式，通過顱外放置的電磁刺激器在大腦皮質(zhì)誘導(dǎo)產(chǎn)生感生電流直接刺激特定的皮質(zhì)神經(jīng)元［10］。TMS對(duì)大腦皮層作用的內(nèi)在機(jī)制尚未完全清楚，但TMS可以通過改變不同腦區(qū)的血流、遞質(zhì)、代謝、內(nèi)分泌來改變神經(jīng)活動(dòng)的興奮性［2，11］。有研究顯示［3］，磁刺激通過調(diào)節(jié)神經(jīng)元間的傳遞物質(zhì)(遞質(zhì))可以達(dá)到催眠的目的，而睡眠可以認(rèn)為是大腦皮質(zhì)和皮下中樞受到抑制而引起的。由此可見，磁刺激對(duì)大腦皮質(zhì)區(qū)產(chǎn)生了抑制作用。張鴻等人［12］的研究工作表明，低頻經(jīng)顱磁刺激可以抑制帕金森病患者大腦皮質(zhì)的異常興奮。也有實(shí)驗(yàn)證明TMS刺激語言區(qū)可造成瞬時(shí)失語，即 TMS對(duì)大腦皮層語言區(qū)的抑制作用;對(duì)于運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生類似的中斷效應(yīng)，但這一效應(yīng)不是功能消失而是出現(xiàn)動(dòng)作延遲。

TMS對(duì)視皮層有抑制作用可以研究視皮層的高級(jí)功能定位。Amassian［13］等人揭示了施加在枕部的單脈沖磁刺激會(huì)抑制視覺認(rèn)知活動(dòng)［14－17］，證實(shí)了枕葉皮層在視覺認(rèn)知功能中的作用。利用sTMS阻斷視皮層的特定皮質(zhì)區(qū)的興奮性，判斷該區(qū)是否參與執(zhí)行某個(gè)特定行為和動(dòng)作，從而精確確定視皮層特定皮質(zhì)區(qū)的功能，也可以用來研究腦的高級(jí)功能活動(dòng)(如語言測(cè)試)。哈佛大學(xué)心理學(xué)專家Stephen Kosslyn也利用 PET和TMS分別研究直接觀察一個(gè)物體與閉眼想象該物體時(shí)初級(jí)視皮層在其中(17區(qū))的作用，發(fā)現(xiàn)該皮層區(qū)對(duì)于觀察物體和想象物體都很重要［18］。盲人用凸點(diǎn)盲讀很好地體現(xiàn)了跨感覺皮層可塑性，TMS作用在視皮層可以抑制盲讀的效率提示視皮層在此過程中建立連接的重要性［19］。

另外實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，不同受試者VEP特征波的延遲時(shí)間存在一定的變異性。這可能與本實(shí)驗(yàn)采用的固定刺激強(qiáng)度有關(guān)。事實(shí)上，運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位研究表明，不同受試者皮層神經(jīng)對(duì)sTMS有不同的敏感程度(即刺激閾值)，TMS引起的 VEP特征波延遲時(shí)間也會(huì)受刺激強(qiáng)度以及線圈角度的影響［5］。在本實(shí)驗(yàn)中，由于統(tǒng)一采用的是70%最大輸出強(qiáng)度作為刺激強(qiáng)度，這種固定的絕對(duì)刺激輸出強(qiáng)度對(duì)于不同受試者來說其相對(duì)刺激強(qiáng)度是不同的，sTMS對(duì)視皮層神經(jīng)活動(dòng)的抑制程度發(fā)生變化，由此可能導(dǎo)致不同受試者VEP的延遲時(shí)間出現(xiàn)差異。

經(jīng)顱磁刺激技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地運(yùn)用于臨床治療、康復(fù)、診斷、預(yù)后評(píng)估以及腦功能定位的研究。將TMS技術(shù)與可靠的VEP指標(biāo)結(jié)合起來研究TMS對(duì)視覺神經(jīng)活動(dòng)的影響，結(jié)果表明sTMS對(duì)視覺中樞有抑制作用，為將TMS應(yīng)用于視皮層神經(jīng)活動(dòng)的探究提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。本研究的TMS技術(shù)對(duì)視覺神經(jīng)活動(dòng)的抑制作用只是初步探索，后續(xù)將進(jìn)行更加深入地研究在不同時(shí)間點(diǎn)施加TMS以及不同參數(shù)的TMS對(duì)視皮層神經(jīng)活動(dòng)的影響。

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