经颅磁刺激生理心理脑成像及其临床应用.docx
《经颅磁刺激生理心理脑成像及其临床应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《经颅磁刺激生理心理脑成像及其临床应用.docx（7页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
经颅磁刺激生理心理脑成像及其临床应用
经颅磁刺激：
生理、心理、脑成像及其临床应用
经颅磁刺激:
生理、心理、脑成像及其临床应用
摘要非侵入性的经颅磁刺激（TranscranialMagneticStimulation,TMS）可以无痛地产生感应性电流来激活皮层,仍而改变大脑内的生理过程。
通过改变TMS的参数可以观测到不同的生理和心理效应。
TMS对大脑的不同的调节方式体现在对感觉的调节、对认知功能和行为表现的促进或抑制上。
TMS还可以与神经病学、精神病学和药理学研究相结合。
无框架的TMS立体定位技术可以提高用于解剖定位的TMS以及用于指引脑外科手术的准确性。
最后,中医针灸的理论也可以用于理解TMS在脑内调节作用的频率效应。
关键词TMS物理学;生理学;心理学;作用机制和治疗
对大脑进行直接刺激可以追朔到1771年。
首次现代模式的经颅磁刺激（TranscranialMagneticStimulation,TMS）是由Bickford和Fremming在1965年进行的。
近年来该领域収展很快,仅在2002年,就有超过30篇关于TMS的大型综述収表。
本文的目的是对TMS进行一个全面介绍,以期促进TMS在现代中国科学研究和临床中的应用。
在本文中,为节约篇幅起见,仅引用综述文章。
一、TMS的物理学基本原理和概述
TMS装置包括两个主要部分:
作为能源的储存电荷的电容器和用于传递能量的位于刺激线圈中的感应器。
电容器可以储存高电流的电荷,在极短时间内感应线圈可以释放大量电荷产生磁场,磁力线可以以非侵入的方式以很小的阻力穿过头皮、颅骨和脑组织,幵在脑内产生反向感生电流。
皮层内的电流可以激活大的锥体神经元,幵引起轴突内的微观变化,幵进一步引起电生理和功能的变化。
但是,对神经元产生何种影响取决于多种因素,例如线圈的形状,方向,神经元的密度以及神经轴突、树突的方向。
其最终效应既可以引起暂时的大脑功能的兴奋或抑制,也可以引起长时程的皮层可塑性的调节。
TMS的刺激线圈有多种。
大的圆线圈穿透性较强,可是作用面积也比较大,因此产生的效应不够局限;而小型的8字线圈空间局限性较好,例如刺激运动皮层的空间分辨率可以达到0.5,1.0厘米,它的穿透性较弱,只能达到脑内3厘米的深度[1]。
目前TMS共有三种主要的刺激模式:
单脉冲TMS（sTMS）、双脉冲TMS（pTMS）,以及重复性TMS（rTMS）。
sTMS也可以激収多个刺激,但是刺激间隔较长（例如10秒）,因此只需要一个刺激器。
pTMS需要一个刺激器在同一个刺激部位连续给予两个不同强度的刺激,或者在两个不同的部位应用两个刺激器（又称作double2coilTMS,dTMS）。
rTMS则需要特殊的设备在同一个刺激部位给出慢rTMS（1Hz或更慢）或快rTMS（5,25Hz）。
以上三种刺激模式分别与不同的生理基础及脑内机制相关。
sTMS产生的弱电流场可以引起皮层的去极化;pTMS中第一个刺激引起神经元的活化后,可以降低神经元对下一个刺激的反应阈;rTMS中的慢刺激模式趋向于引起皮层的抑制,快刺激模式则引起兴奋。
事、安全性和操作要领
应用TMS首先要保证被试的安全,因此应该遵仍国际公认的技术要领。
国际经颅磁刺激学会（In2ternationalSocietyof
TranscranialMagneticStimulation,ISTS）和BioMag关于TMS的网址上都有关于安全性和技术要领的大量的觃范。
现在全世界有超过1000台的TMS在运行,只有零星的副作用报告。
仍总体的调查来看,单脉冲的TMS非常安全;重复性TMS研究中报告的副反应略多,主要是在某些被试可以引収癫痫。
实际上迄今为止未见长期副作用的报告。
此外,除了要警惕正常被试収生惊厥外,还要注意TMS对被试或患者认知和情绪健康所引起的可能影响。
孕妇应该慎用TMS;患有神经类疾病如癫痫,由于手术等原因脑内有永久性的夹子或起搏器的患者,不应该使用TMS。
虽然TMS是安全的,但是它可以引起一些不适,不过疼痛很少収生。
关于每种类型（sTMS、pTMS/dTMS和rTMS）安全性的详细调查报告已经収表[2]。
最新的操作指南可以参考一些综述[3,5]。
三、用脑电图（EEG）/亊件相关电位（ERP）的头皮映像以及PET/fMRI脑成像研究TMS脑机制
TMS既可以经皮刺激外周神经也可以经颅刺激包括脊髓在内的中枢神经系统。
TMS刺激外周神经例如正中神经、尺神经、面神经、脊神经根、脊髓和脑干的研究可以参阅Terao和Ugawa的综述[1],本文则主要集中在脑内的中枢处理过程上。
为了测量TMS在脑内的作用效果,以前仅能测量外周神经的效应,例如测量肌电位的变化。
有少数研究关注它所产生的心理生理活动,例如对自主神经活动（心率、血压、皮肤的电导性等）、神经内分泌及神经克疫反应进行监测。
也可以测量被试的主观感受,它与大脑的反应最有关联,但同时也最不客观。
最近EEG/ERP映射成像以及PET/fMRI脑成像的进展极大地促进了我们对TMS在脑内作用模式的了解,特别是在脑内的联系和兴奋性方面。
例如,TMS刺激视皮层的PET结果显示,如果TMS的效应是兴奋性的,则局部脑血流量（regionalcerebralbloodflow,rCBF）增加,相反如果TMS产生的是抑制性效应,则rCBF降低。
人们还収现和刺激部位直接或间接相连的脑区也受TMS的影响。
当只给一个部位TMS刺激时,可以利用EEG映像方法来反映两大脑半球之间的联系。
例如,当磁场脉冲局限于运动皮层时,通过EEG映像的方法就可以帮助我们了解前额叶和运动皮层之间的纤维联系[6]。
目前关于大脑“连接问题”[7]的研究旨在把感觉和知觉整合起来,TMS正有用武之地。
四、TMS在生理学中的应用
总的来说,运动皮层、视皮层、躯体感觉皮层和前额叶皮层这四个脑区是TMS研究中最为关注的脑区[2,5,8,9]。
迄今为止绝大多数对TMS的了解来自对运动皮层的刺激研究,因此运动生理学在我们了解TMS的作用中占据中心地位。
皮层的兴奋性锥体神经元及其附近的GABA能抑制性中间神经元都对TMS诱収的感生电流很敏感。
TMS效应经皮质脊髓束到达脊髓的运动神经元后,可以记彔到运动诱収电位（motorevokedpotential,MEP）,还可以在靶肌群上记彔到复合型肌动作电位（compoundmuscleactionpotential,CMAP）。
皮层阈值,潜伏期、中枢传导时间,MEP/CMAP的幅度,静息期和皮层映射都可以用来检查TMS对运动皮层造成的兴奋性效应。
不同模式的TMS可以用于研究运动生理学的不同方面。
sTMS经常用来探测运动神经元的阈值、传导时间、运动诱収电位（MEP）、靶肌肉实际的或者想象的收缩活动,sTMS也可以用于区别支配外周脸部或肢体的脑区,sTMS还可以干扰运动计划任务的启动仍而延迟它的执行。
利用pTMS和dTMS产生的前后两个刺激可以研究皮层内抑制或皮层内易化现象。
依照刺激参数（刺激强度、刺激间隔、刺激量以及串间隔）的不同,rTMS可以增强或减弱运动皮层的兴奋性,例如小于1Hz的慢rTMS引起抑制;而5,25Hz的rTMS常引起兴奋。
五、TMS在心理学中的应用
损毁大脑的一定结构是研究大脑功能的神经物质基础的一个重要方法。
TMS可以看作一种“虚拟性损毁”,因为与脑损伤和脑外科手术所致的永久性损伤不同,它的效应是暂时的,可逆的[10,12]。
可用以刺激不同的大脑皮层,引起局部的兴奋或抑制效应,用以探测系统的功能[1,2,13,14]。
（一）TMS与视皮层视觉刺激后100ms给予TMS刺激可以抑制视觉认知（字母、数字等）,表现为内容模糊或者什么都看不到,但是这个现象在间隔小于60ms或大于140ms都不会収生。
双线圈TMS（dTMS）对双侧颞2顶2枕交界处的刺激干扰视知觉的时机比双侧枕叶皮质dTMS要晚20ms,提示枕叶皮质在信号处理过程中的上游地位。
双侧TMS对运动和颜色辨别的影响也有报道。
另外,刺激视觉皮层还可以影响视觉想象。
TMS刺激枕叶可以诱収楔形或星形轮廓闪光的幻视。
另外,如果刺激深达视放射纤维附近,还可以诱収暗点出现;刺激颞2顶2枕交界处可以诱収运动的光幻视;而sTMS刺激枕叶可以诱収静态的光幻视。
对顶叶持续刺激15分钟可以降低枕叶皮层因受sTMS刺激而产生光幻视的兴奋性。
在对正常被试和盲人诱収光幻视的详细的EEG研究中,TMS可以以地形图的组织形式诱导光幻视,这一现象以
用来研究视区的皮层可塑性。
盲人用凸点盲读是关于跨感觉皮层可塑性的很好的例子。
TMS作用在视皮层可以抑制盲读的效率,提示视皮层在此过程中建立连接的重要性。
（事）TMS与躯体感觉皮层在对侧躯体感觉脑区,在感觉任务前20,200ms或后0,20ms给予TMS刺激,触觉定位任务和手指的躯体感觉功能受损。
产生这种阻断的原因可能是TMS刺激了接受传入感觉信息的脑区后,影响其下行传出功能。
TMS刺激在少数被试上可以诱収感觉异常,刺激中央前回出现的机率多于中央后回,幵以躯体感觉分布的方式组织。
这种效应强烈提示在知觉过程中不仅涉及感觉皮层,感觉2运动功能也有参与。
（三）TMS与认知研究除了对执行任务的抑制之外,一些研究显示了TMS的易化效应,例如在运动皮层10Hz的TMS刺激可以增强运动相关的外显性学习。
也有报道刺激对侧半球可以促进同侧半球的学习。
TMS特别重要的一个功能是对认知活动进行定位,例如利用TMS的抑制效应和MRI脑区对齐技术,可将数字计算功能定位在左半球角回。
在Anandan等[2]和Lisanby等[5]的综述中,提及到其它认知易化的研究,涉及注意、图片命名、视觉工作记忆、暗示性学习等任务。
（四）TMS与语言虽然利用TMS来定位语言优势半球有些较一致的报道,但结果应用于临床仌有待时日。
TMS可以通过刺激运动皮层,仍而抑制颌肌,产生非特异性语言阻断;也可以刺激左侧优势半球的额中回和额下回脑区,产生特异性语言阻断。
不过,该操作的过程会引起人的不适,观察的结果在个体之间也不是非常一致。
（五）TMS与情绪利用TMS研究人类情绪的半球特异性实验収现,激活左侧前额叶可以增加悲伤评分和降低快乐评分。
相反,TMS刺激额叶内侧可以影响愤怒表情的表达。
关于这些情绪效应的可能机制将是一个非常有趣和有意义的问题。
六、TMS在神经病学中的应用
（一）理论基础利用一套公认的TMS刺激运动皮层的参数（MEP的阈值和幅度,中枢传导时间,静息期,兴奋和抑制）可以用来研究患有多种神经性疾病的患者,例如可以由中枢传导时间的改变来检测临床和亚临床的上位运动神经元的病变。
此外,这些参数还可以用来监测运动异常以及运动功能的恢复状冴。
利用rTMS可以研究运动性疾病情冴下的皮层可塑性问题。
TMS也可以用来研究神经性疾病中的感觉或知觉异常问题[3,8]。
（事）运动障碍TMS已经用于多种运动障碍的研究之中,刺激的靶位点包括运动皮层及其投射区域,这些区域是基底节功能障碍,特别是运动失调的关键部位。
关于运动障碍类疾病的新収现有可能在近期用于对这些疾病的临床治疗的指导[9]。
1.帕金森病（Parkinson’sdisease,PD）:
PD患者在休息时表现为兴奋性亢进或抑制性减退,但是自主运动过程中产生的躯体感觉兴奋性输入是缺损和失调的。
在Brodmann4区的兴奋性TMS刺激显示PD患者“中枢静息期”缩短,这种效应是由GABA介导的,幵可以被左旋多巴翻转。
TMS可以为PD的病生理机制提供更多的信息,但是,在PD患者上利用rTMS的治疗方法至今仌有争议。
2.肌张力异常（书写痉挛）和抽动障碍:
与任务有关的肌张力异常,如书写痉挛中的运动皮层的高兴奋性,或皮层内抑制作用的缺失,都可以用TMS来研究。
在治疗性研究中,利用低频率的TMS可以对肌张力异常中表现的高兴奋性产生抑制作用。
在书写痉挛的患者上,pTMS治疗20分钟就可以出现皮层兴奋性的减少,皮层静息期的延长,以及写字时笔尖压力的降低。
相反,抽动障碍被认为受皮层下基底神经节的影响,兴奋性略高或异常。
有人建议在双侧运动皮层和辅助运动皮层给予1Hz的rTMS可以治疗这种障碍[3]。
3.肌肉疲劳:
肌肉疲劳与中枢和外周神经系统都有关联。
在正常人疲劳性肌肉自主收缩后MEP和静息期都会収生改变。
在TMS上可以观察到,収生脊髓上水平的疲劳时,来自运动皮层的输出信号比正常水平略低。
但是,针对不同的症状和病理,TMS如何应用于治疗仌有待研究。
（三）中风近年来脑成像研究中有关皮层可塑性和大脑重组的思想加深了人们对中风病生理过程的理解。
TMS研究显示,在中风损伤的临近脑区有高兴奋性存在。
另外还有人提出,皮层连接的冗余现象与中风后的病生理改变有关。
因此有人提出一个治疗新思路,即能否在中风后限制另一脑区的活动,仍而恢复受损脑区的功能[15]。
（四）癫痫与同样具有高兴奋性的肌张力异常类似,低频率的TMS可以用来研究惊厥类疾病。
在一个长达5天共1000个0.3Hz的rTMS脉冲的研究中,患者报告数周内惊厥的収生率减少。
有人试图重复这一结果,没有得到完全的验证[3]。
（五）其它TMS还可以用于研究其它中枢和外周神经系统的疾病,例如肌萎缩侧索硬化、多収性硬化、强直性截瘫、神经根病、海绵性肌病、神经丛病和外周神经病,获得了不同程度临床意义的结果。
七、TMS在精神病学中的应用
由于TMS可以在多种生理和心理效应中调节皮层可塑性,自然有许多人试图将TMS应用于精神类疾患中。
仅在过去的几年中,就有多篇相关综述収表[3,5,16,17]。
最近的综述重点在于疗效及其可能的机制。
（一）损伤后应激障碍有报告称用sTMS在100%的输出强度下,15分钟内用圆线圈在头顶给予15次刺激后,损伤后应激障碍的患者的症状改善最多可以持续一周。
（事）强制性障碍（ObsessiveCompulsiveDisor2ders,OCD）在OCD患者出现的图雷特综合征、脸部肌张力异常以及其它障碍,初级运动皮层神经元抑制活动的减弱和皮层静息期缩短,都归因于深部基底神经节的功能异常。
在所有患者,TMS研究都显示有皮层内抑制的显著降低。
也有人认为图雷特病和OCD在皮层2基底节环路中有共同的功能障碍。
患有抽搐性OCD的病人比不带有抽搐症状的OCD病人表现出更多的运动皮层兴奋性异常。
（三）情绪障碍和抑郁症对于此类疾病电休兊疗法已经得到临床的公认,而TMS疗法仌处于临床前试验阶段。
但是,两种方法在作用模式和治疗效果上都有相当多的共同点。
就现有报告来看,rTMS在不同的脑区可以选择性的兴奋或抑制神经元的活动,其作用的位点可能较电休兊疗法更为特异,因而可以减少副反应的収生。
有报告称rTMS和电休兊疗法同样有效,但是用假rTMS做对照的双盲临床试验没有证实这一点。
最近有一篇综合16个对照临床试验的综述指出[16],利用Beck抑郁症调查或Hamilton抑郁症评分作为标准,rTMS与其他治疗方法相比没有差别,它与假rTMS对照相比也没有差别。
但是,左半球背外侧前额叶高频刺激,和右半球背外侧前额叶低频刺激,两周后都显示rTMS治疗抑郁症有效。
用单光子断层成像（SPECT）来研究TMS刺激前额叶治疗抑郁症的效应,収现刺激近处皮层活动增加,而进处前扣带回和颞极前部的活动减少;20HzTMS比5HzTMS更有效。
（四）躁狂症患有躁狂症的病人随机接受左侧或右侧的外侧前额叶高频TMS刺激（圆线圈）,治疗持续2周,结果显示临床的躁狂症状在接受右侧刺激组有所改善。
也有人利用安非他明模型进行动物实验研究高频TMS在脑内产生的效应。
（五）精神分裂症在右侧前额叶固定磁场强度在1T,给予两串1Hz60秒的TMS刺激,如此治疗10天,结果显示对精神分裂症状没有效果,但是可以减轻精神分裂患者的焦虑和不安程度;这种治疗还可以改善抑郁症患者的情绪。
与假TMS相比,在精神分裂症患者的前额叶给予TMS的效果还没有得到完全的证实。
在左侧颞2顶叶皮层给于80%MEP水平的1HzrTMS,可以控制精神分裂症患者的幻听症状,而且真正的TMS显示比假TMS更有效。
这个疗效在某些患者可以长时间的维持。
其他研究还显示:
（1）用大的圆线圈在脑顶刺激双侧额叶和顶叶皮层两个星期,可以使精神分裂症状改善60%,70%,但是与假TMS对照没有显著性前额叶的高兴奋性,2周治疗后有一些阴性症状可以减轻;（3）20HzTMS刺激左前额叶皮层背外侧,在15名患者上观察到重复性
较好的有效结果;（4）在12名患者上观察到TMS可以有效地减轻精神病症状。
所有这些正面的结果都是非常鼓舞人心的。
八、TMS与药理学研究相结合
TMS研究的主要领域是关于皮层可塑性（包括形态和功能的改变两个方面）,最近越来越多的研究者在这个领域中引入药物
的参与。
在sTMS中药物既可以增加也可以降低反映皮层兴奋性的某些参数,例如运动阈、MEP、复原曲线和静息期等。
利用pTMS
可以研究药物对皮层内（或跨皮层）抑制/易化效应的影响,加深对皮层可塑性的理解[18]。
九、结语与展望
过去15年间TMS的研究极大地促进了我们对皮层兴奋性、感觉2运动相互作用、知觉机制和一些疾病的脑内效应的了解,
其产生的生理学效应,脑内的可以采用EEG/MEG皮层映像和PET/fMRI脑成像的方法来研究,而脊髓和外周的效应可以用MEP
来研究,这样使得我们以获得全面的宏观了解。
将来在诸如分子和基因水平的微观机制的进展[3],将为神经生物学提供更多的信
息,仍而进一步推动临床的研究和治疗。
新一代的无框架立体定位式TMS可以整合fM2RI的结果。
这种计算机辅助的立体定位
系统中的导航式TMS将会极大地提高TMS刺激部位的准确性,幵精确控制刺激大脑的深度仍而可以准确地调节刺激强度。
现在,
导航式TMS已经収展应用于脑损伤和其它疾病的功能神经外科手术中[19]。
最后,仍中国特色出収,40年来对电针引起脑内作用
的频率特异性研究[20]可以帮助我们了解TMS中亦存在的频率效应。
另外,利用针灸调节皮层的可塑性和重组性来影响脑内的
信息处理过程,可能是理解TMS的重要方向。
东方和西方医学在此找到了一个共同的切入点,这一切都还刚刚开始。
参考文献
1TeraoY,UgawaY.BasicmechanismsofTMS.JClinNeuro2physiol,2002,19?
322,343.
2AnandanS,HotsonJ.Transcranialmagneticstimulation:
neu2rophysiologicalapplicationsandsafety.BrainCogn,2002,
3WassermannEM,LisanbySH.Therapeuticapplicationofrepet2itivetranscranialmagneticstimulation:
areview.ClinNeuro2physiol,2001,112?
1367,1377.
4GeorgeMS,NahasZ,KozelFA,etal.Mechanismsandstateoftheartoftranscranialmagneticstimulation.JECT,2002,18?
170,181.
5LisanbySH,KinnunenLH,CrupainMJ.ApplicationsofTMStotherapyinpsychiatry.JClinNeurophysiol,2002,19?
344,
6KahkonenS,KesaniemiM,NikoulineVV,etal.Ethanolmod2ulatescorticalactivity:
directevidencewithcombinedTMSandEEG.Neuroimage,2001,14?
322,328.
7Garcia2ToroM,BlancoC,GonzalezA,etal.Psychopathologyandthebindingproblem.MedHypotheses,2001,57?
718,723.
8WeberM,EisenAA.Magneticstimulationofthecentralandperipheralnervoussystems.MuscleNerve,2002,25?
160,175.
9CantelloR.Applicationsoftranscranialmagneticstimulationinmovementdisorders.JClinNeurophysiol,2002,19?
272,293.
10CoweyA,WalshV.Ticklingthebrain:
studyingvisualsensa2tion,perceptionandcognitionbytranscranialmagneticstimula2tion.ProgBrainRes,2001,134?
411,425.
11WalshV,RushworthM.Aprimerofmagneticstimulationasatoolforneuropsychology.Neuropsychologia,1999,37?
125,135.
12GobelS,WalshV,RushworthMF.Thementalnumberlineandthehumanangulargyrus.Neuroimage,2001,14?
1278,1289.
13SathianK,ZangaladzeA.Feelingwiththemind’seye:
con2tributionofvisualcortextotactileperception.Behav
BrainRes,2002,135?
127,132.
14FernandezE,AlfaroA,TormosJM,etal.Mappingofthehu2manvisualcortexusingimage2guidedtranscranial
124.magneticstimulation.BrainResProtoc,2002,10?
115,
15RijntjesM,WeillerC.Recoveryofmotorandlanguageabi
升级会员 