英國(guó)倫敦大學(xué)發(fā)表在Brain Stimulation（IF 7.6）的研究揭示了聽覺與軀體感覺對(duì)TEP波形的影響。聯(lián)合應(yīng)用經(jīng)顱磁刺激（TMS）和腦電圖（EEG）進(jìn)行健康和疾病狀態(tài)下的大腦皮層功能評(píng)估越來(lái)越普遍。然而，關(guān)于聽覺和軀體感覺刺激對(duì)TMS誘發(fā)電位（TEP）的貢獻(xiàn)程度仍存在一定的模糊性。本研究通過(guò)不同類型的刺激（TMS、偽刺激、噪聲掩蔽、頭皮電刺激）來(lái)探討聽覺和體感刺激對(duì)TMS誘發(fā)電位（TEP）波形的影響，特別是聽覺刺激對(duì)TEP波形的干擾及如何通過(guò)噪聲掩蔽來(lái)減少這種干擾。

一、引言

每次TMS脈沖釋放時(shí)都會(huì)產(chǎn)生明顯的“咔噠”聲音，從而通過(guò)空氣和骨傳導(dǎo)引發(fā)聽覺誘發(fā)電位（AEP）。此外，TMS還會(huì)在頭皮上產(chǎn)生咔噠感，這可能至少在理論上會(huì)誘發(fā)軀體感覺誘發(fā)電位（SEP）。因此有人認(rèn)為，TEP主要是由TMS中附帶的聽覺和軀體感覺刺激引起的。在這項(xiàng)研究中，比較了具有不同軀體感覺和聽覺成分貢獻(xiàn)的條件下的TEP：真實(shí)TMS刺激在有無(wú)噪音掩蔽的條件下、純聽覺刺激在有無(wú)噪音掩蔽的條件下、頭皮電刺激和偽刺激條件，探討這些混雜因素對(duì)刺激初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層（M1）時(shí)誘發(fā)的TEP波形的貢獻(xiàn)。

二、方法

本研究采集了19名被試在不同刺激條件下的腦電數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)共記錄了7個(gè)區(qū)塊的EEG數(shù)據(jù)，每個(gè)區(qū)塊由120個(gè)試次組成。實(shí)驗(yàn)使用了標(biāo)準(zhǔn)的八字形TMS線圈（figure of eight coil），進(jìn)行刺激。刺激強(qiáng)度設(shè)定為90%的靜息運(yùn)動(dòng)閾值。

7個(gè)EEG區(qū)塊的刺激條件如下（圖1）：

1. block 1：使用標(biāo)準(zhǔn)線圈，放置在一個(gè)5厘米厚的紙板圓柱上，直接刺激頭皮，但沒(méi)有噪聲掩蔽（TMS-AEP NOT MASKED）。這一條件與block 2的反應(yīng)相似，因此未用于統(tǒng)計(jì)比較。

2. block 2：使用偽刺激線圈，放置在紙板圓柱上，直接刺激頭皮，沒(méi)有噪聲掩蔽（AEP NOT MASKED）。

3. block 3：使用偽刺激線圈，放置在紙板圓柱上，直接刺激頭皮，使用噪聲掩蔽（AEP MASKED）。

4. block 4：使用偽刺激線圈，直接放置在腦電帽上，使用噪聲掩蔽（SHAM）。

5. block 5：使用標(biāo)準(zhǔn)線圈，直接放置在腦電帽上，使用噪聲掩蔽（TEP MASKED）。

6. block 6：使用標(biāo)準(zhǔn)線圈，直接放置在腦電帽上，沒(méi)有噪聲掩蔽（TEP NOT MASKED）。

7. block 7：進(jìn)行頭皮電刺激（ES）。

研究中，電刺激陽(yáng)極放置在C1、C3、CP1、CP3位置中間；陰極放置在Cz、FCz、C1、FC1位置中間。將電刺激電極放置在EEG帽下方，并盡可能接近EEG記錄電極的位置，從而減少電刺激帶來(lái)的偽跡。強(qiáng)度設(shè)定為與TMS引起的軀體感覺刺激強(qiáng)度相似。

本研究的腦電采用兼容TMS 的actiCHamp 放大器和主動(dòng)電極actiCap（德國(guó)Brain Procusts品牌，國(guó)內(nèi)由瀚翔腦科學(xué)總代理）進(jìn)行記錄。采樣率設(shè)置為5000Hz。

在圍繞刺激區(qū)域的電極簇（如C1、C3、CP1、CP3）上對(duì)TEP進(jìn)行了平均，以便以識(shí)別文獻(xiàn)中描述的最常見的波峰（如N15、P30、N45、P60、N100、P200），并對(duì)刺激位置的信號(hào)進(jìn)行定性描述（見圖3的第一列）。接下來(lái)計(jì)算了全局平均場(chǎng)強(qiáng)度（GMFP），并對(duì)各個(gè)被試的數(shù)據(jù)進(jìn)行了平均。根據(jù)GMFP波形，研究者選擇了三個(gè)時(shí)間興趣區(qū)（time regions of interest , ToI）進(jìn)行后續(xù)分析（早期：15-65 ms；中期：65-120 ms；晚期：120-270 ms）。

圖1：被試按隨機(jī)順序進(jìn)行7個(gè)TMS-EEG同步記錄block

三、結(jié)果

TMS脈沖誘發(fā)了TEP波形（圖2）。當(dāng)只有聽覺刺激（TMS咔噠聲）時(shí)，中期和晚期的誘發(fā)活動(dòng)（ToI）明顯可見（第1個(gè)和第2個(gè)block，分別對(duì)應(yīng)圖2的A和B行）。當(dāng)TMS咔噠聲被掩蔽時(shí)（block 3和block 4，圖2的C和D行），或者僅進(jìn)行電刺激時(shí)，TEP波形的幅度較小。當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)線圈進(jìn)行刺激時(shí)，出現(xiàn)了不同的模式，即在早期ToI中觀察到了TEP，且僅在沒(méi)有噪聲遮蔽的情況下，后期ToI中的頂點(diǎn)電位才出現(xiàn)（第5和第6個(gè)block，分別為E和F行）。

圖2：不同條件誘發(fā)的TEP波形

1、AEP NOT MASKED vs AEP MASKED

在比較未掩蔽AEP和掩蔽AEP條件（block 2和block 3；見圖3的A行）時(shí)，早期沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顯著的EEG團(tuán)塊（cluster）。中期在中央電極上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)顯著的正向團(tuán)塊，在外圍電極上則出現(xiàn)了一個(gè)負(fù)向團(tuán)塊。晚期觀察到中央?yún)^(qū)出現(xiàn)了負(fù)向團(tuán)塊，而在外圍電極上則出現(xiàn)了正向團(tuán)塊（見表1，第一行）。這些結(jié)果表明，由TMS咔噠聲引起的AEP（聽覺誘發(fā)電位）在EEG信號(hào)中表現(xiàn)為明顯的負(fù)峰（約100 ms）和正峰（約200 ms），并且這些波形主要分布在頂區(qū)域。并且這些AEP成分可以通過(guò)噪音掩蔽有效地被抑制。

表1：不同條件間的對(duì)比統(tǒng)計(jì)

2、SHAM vs AEP MASKED

在SHAM和AEP MASKED條件的比較中（分別對(duì)應(yīng)block 4和block 3；見圖3的B行），沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顯著的腦電反應(yīng)團(tuán)塊。這表明在這兩種條件下，都成功地通過(guò)掩蔽噪音來(lái)抑制了AEP（聽覺誘發(fā)電位）。

3、TEP MASKED vs AEP NOT MASKED

掩蔽TMS誘發(fā)條件（block 5）和未掩蔽AEP條件（block 3）誘發(fā)的腦電反應(yīng)不同（見圖3的C行）。在早期，在左側(cè)中央?yún)^(qū)域發(fā)現(xiàn)了一個(gè)顯著的正向團(tuán)塊，這與TMS刺激的部位相對(duì)應(yīng)，同時(shí)在右前額區(qū)域發(fā)現(xiàn)了顯著的負(fù)向團(tuán)塊。這表明TMS在刺激部位引起了早期皮層激活，而這種激活在僅進(jìn)行聽覺刺激時(shí)并未出現(xiàn)。晚期在頂區(qū)出現(xiàn)了一個(gè)顯著的負(fù)向團(tuán)塊，而在外圍電極上則出現(xiàn)了顯著的正向團(tuán)塊，這表明頂區(qū)的正成分是由聽覺刺激引發(fā)的（見表2，第三行）。這表明標(biāo)準(zhǔn)TMS刺激引發(fā)的早期TEP成分比聽覺刺激引發(fā)的更為顯著，而聽覺刺激引發(fā)的晚期頂正成分在進(jìn)行噪音掩蔽的標(biāo)準(zhǔn)TMS刺激時(shí)并沒(méi)有出現(xiàn)。

4、TEP MASKED vs ES

在比較噪音掩蔽的TMS誘發(fā)電位和ES電刺激誘發(fā)電位條件時(shí)（block 5和7；見圖3的E行），在早期時(shí)間窗口，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)顯著的正向團(tuán)塊，位于左中央?yún)^(qū)域（即刺激位置），并且在右側(cè)前額區(qū)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)顯著的負(fù)向團(tuán)塊。在中期時(shí)間窗，在刺激位置附近發(fā)現(xiàn)了一個(gè)顯著的負(fù)向團(tuán)塊，而在右半球后側(cè)外周則出現(xiàn)了一個(gè)顯著的正向團(tuán)塊。這表明，與電刺激不同，TMS不僅在刺激后早期就能激活刺激部位的皮層，還能在大約100 ms時(shí)激活該區(qū)域。而這種激活與由聽覺刺激引發(fā)的負(fù)向波（約100 ms）不同，后者出現(xiàn)在頂區(qū)（見圖3的A行）。

5、SHAM vs ES

在早期，比較偽刺激和電刺激條件（block 4和7；見圖3的F行），發(fā)現(xiàn)了一個(gè)弱顯著的正向團(tuán)塊，位于后中央偏左的電極上，反映了在ES條件下出現(xiàn)的后負(fù)向波。在晚期，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)弱顯著的負(fù)向團(tuán)塊，位于頂區(qū)，表明在電刺激條件下產(chǎn)生了一個(gè)小的正向成分。

圖3：不同條件間對(duì)比的波形圖與地形圖

6、TEP MASKED vs BASELINE

在噪音掩蔽的TMS誘發(fā)電位條件與基線活動(dòng)時(shí)（見圖4）發(fā)現(xiàn)：早期在左側(cè)中央?yún)^(qū)（刺激位置）出現(xiàn)了一個(gè)顯著的正向團(tuán)塊，同時(shí)在右側(cè)前額區(qū)出現(xiàn)了一個(gè)顯著的負(fù)向團(tuán)塊。中期在刺激位置附近出現(xiàn)了一個(gè)顯著的負(fù)向團(tuán)塊，同時(shí)在右半球的后周邊區(qū)域出現(xiàn)了一個(gè)顯著的正向團(tuán)塊。晚期在左側(cè)中央-后部電極上出現(xiàn)了顯著的負(fù)向團(tuán)塊，在右半球的中央-前部電極上出現(xiàn)了顯著的正向團(tuán)塊（見表2）?？傮w來(lái)說(shuō)，在所有的時(shí)間窗中都觀察到了顯著且偏側(cè)化的活動(dòng)，表明TMS引起的直接大腦激活在整個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)持續(xù)存在。

圖4：TEP屏蔽條件與基線的對(duì)比

四、討論

1、聽覺刺激對(duì)TEP的貢獻(xiàn)

標(biāo)準(zhǔn)線圈誘發(fā)了較大的早期反應(yīng)，尤其是P30峰值；相比之下，純聽覺刺激誘發(fā)了非常小幅度的早期反應(yīng)，但在頂區(qū)產(chǎn)生了顯著的N100和P200成分。N100在沒(méi)有噪音遮蔽時(shí)較大，并位于中線中央?yún)^(qū)；只有在沒(méi)有噪音遮蔽時(shí)，才觀察到中央的P200成分。當(dāng)前數(shù)據(jù)表明存在兩個(gè)不同的負(fù)峰，分別在約100毫秒時(shí)，這兩個(gè)波峰可能涉及不同的機(jī)制。第一個(gè)負(fù)峰靠近刺激位置，可能反映了TMS對(duì)大腦皮層的直接激活；第二個(gè)負(fù)峰則具有更廣泛的分布，主要集中在頂區(qū)，并且隨后伴隨著具有相同分布的P200成分。根據(jù)以往文獻(xiàn)，刺激位置處發(fā)現(xiàn)的N100很可能反映了TMS對(duì)大腦皮層的直接激活，而中央?yún)^(qū)域的N100和P200則代表了與顯著性相關(guān)的多模態(tài)反應(yīng)（saliency related multimodal responses, SRMR），這些反應(yīng)是非特異性的，可能與外部刺激后的喚醒和/或注意力重新定向相關(guān)。

2、頭皮電刺激對(duì)TEP的貢獻(xiàn)

單獨(dú)的頭皮電刺激相比其他使用標(biāo)準(zhǔn)TMS的實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)生了非常小的反應(yīng)（圖2）。與偽刺激相比，早期窗口（約40 ms）在后腦電極處觀察到顯著的負(fù)電位。第二個(gè)較弱的電位出現(xiàn)在中央?yún)^(qū)附近的約200 ms時(shí)，表現(xiàn)為正電位，這可以解釋為與多模態(tài)刺激相關(guān)的喚醒相關(guān)反應(yīng)（SRMR）?？梢哉J(rèn)為，約180-200 ms時(shí)在頂點(diǎn)周圍出現(xiàn)的正波代表了由外周輸入引起的SRMR。

需要特別注意的是，頭皮電刺激后并未在刺激部位觀察到EEG反應(yīng)。這是預(yù)期中的結(jié)果，因?yàn)槭褂秒姶碳か@得直接皮層反應(yīng)所需的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于本研究中使用的強(qiáng)度[35]。我們也沒(méi)有獲得體感誘發(fā)電位（SEP），這使得觀察到的電位不太可能是由初級(jí)體感皮層的活動(dòng)引起的。

五、總結(jié)

總之，本研究結(jié)果表明，當(dāng)TMS以略低于運(yùn)動(dòng)閾值的強(qiáng)度施加于M1時(shí)，若采取了適當(dāng)?shù)姆绞絹?lái)最小化間接的皮層激活（如噪音掩蔽和泡沫層隔離），可以獲得真正的皮層EEG反應(yīng)，這些反應(yīng)具有偏側(cè)化、特異性，并且持續(xù)約300 ms。