经颅磁刺激联合经颅直流电刺激在大脑皮层电场分布的研究*

2019-04-20王贺王欣靳静娜李颖刘志朋殷涛

生物医学工程研究 2019年1期

王贺，王欣，靳静娜，李颖，刘志朋，殷涛，2△

(1.中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所, 天津 300192; 2.中国医学科学院神经科学中心，北京 100730)

1 引言

经颅磁刺激和经颅直流电刺激是目前国际上应用最广泛的两种非侵入性的大脑刺激方法[1-8]。目前，我们已经了解，低频重复经颅磁刺激可以降低大脑皮层的兴奋性，意味着磁刺激运动诱发电位的降低，高频重复经颅磁刺激提高大脑皮层的兴奋性。对于经颅直流电刺激来说，阳极刺激可以增加大脑皮层的兴奋性，阴极刺激降低大脑皮层的兴奋性。此外，相关研究表明，经颅磁刺激和经颅直流电刺激不仅调控目标区域，而且会影响与目标区域相互连接的大脑区域[9-11]。

两种技术均可用于调控大脑皮层的兴奋性，因此，结合两种技术的大脑调控方法可以产生更好的刺激效果[12-14]。相关研究表明，使用tDCS预先刺激被试初级运动皮层后再使用rTMS刺激，可以增加兴奋性的持续时间。一些相关研究使用TMS和EEG探究tDCS对大脑皮层某个区域的兴奋性调控[15-18]。

即使两种技术均可用于增加或降低皮层兴奋性，但是此前很少被用于同时刺激大脑皮层的两个不同区域。人类大脑皮层包含200多个功能亚区，且有些亚区彼此间相互连接[19-21]。因此，刺激两个相互连接的大脑区域可能增加刺激效果。例如，胼胝体连接左右大脑的初级运动皮层。因为胼胝体抑制机制，抑制一侧的初级运动皮层的兴奋性可以增加对侧的皮层兴奋性[22-25]。近期一些研究表明，低频rTMS作用于健侧同时将阳极tDCS作用于患侧，可以提高脑卒中患者的康复效果[26]。此前，本课题组的研究表明，同时应用rTMS和tDCS可以显著增加皮层兴奋性的调制效果[27]。

虽然目前已有将rTMS和tDCS应用刺激于左右侧初级运动皮层的相关研究，但目前国际上并未有相关数据确保实验的安全性。且如果应用两种技术同时刺激其他相互连接的大脑皮层区域，也没有方法确保实验的安全性。为了解决上述问题，本研究提出了基于SimNibs的仿真方法[28-29]，用以评估两种技术同时作用情况下电场之间的相互影响。使用被试头部的MRI影像建立有限元模型，将TMS刺激线圈和tDCS刺激电极放置于模型的头皮相应位置。基于有限元算法，计算TMS和tDCS产生的电场强度在大脑皮层的分布情况。最后基于计算获取的电场分布情况，分析两种技术同时应用情况下的相互影响。

2 方法

基于MRI影像，建立有限元模型。并将有限元模型分割成5种不同的组织，分别包括白质(WM), 灰质 (GM), 脑脊液 (CSF), 颅骨 (Skull) 和皮肤 (Skin)。对于每种组织设定不同的电导率，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。本研究中所有电极和线圈的位置均基于标准64导脑电帽。其中TMS刺激线圈放置于C3。线圈的电流变化率为1 A/us。为了研究阴极位置不同对电场相互作用的影响，首先将阳极固定于C4位置，阴极选择10个不同的位置 (Fp2, F8, T8, P8, O2, O1, P7, T7, F7 和 Fp1) 进行仿真。为了研究阳极位置不同对电场相互作用的影响，将阴极放置于Fp1和Fp2位置。阳极选择5个不同的位置(C1, Cz, C2, C4, 和 C6)。电极大小为25 cm2，电流为1 mA。

3 结果

我们首先仿真获取了阳极位置对电场交互的影响。图1展示了使用SimNibs仿真获取的10幅归一化电场分布图。为了获取这些电场分布图，使用SimNibs分别计算TMS和tDCS单独作用时大脑皮层的电场分布结果，之后使用Matlab计算两种电场分布结果之和。最后将仿真结果归一化显示于同一视图中。每个图像包含两个组成部分，TMS仿真结果位于线圈下部，即C3位置。tDCS的仿真结果位于两个作用电极之间，tDCS的阴极固定于C4处，阳极选择了10个不同的位置。所有选择的位置均展示于图1中。从图1中我们可以看到，相较于tDCS，TMS具有较好的聚焦性。TMS的电场均集中于刺激位置附近，而tDCS的电场弥散分布于两个电极之间。因此，在后续计算中，我们仅仅考虑tDCS对TMS的影响。首先我们确定TMS单独作用时大脑皮层上的电场强度的最大值(Emax(TMS))，以及产生最大值的坐标位置 (Xmax,Ymax,Zmax)。之后，我们计算tDCS在坐标位置 (Xmax,Ymax,Zmax)产生的电场强度(EtDCS(Xmax,Ymax,Zmax))。之后我们通过公式(1)定义tDCS对TMS的电场之间的影响。

(1)

在不同电极位置计算获取的Ef值,展示于图2中。从图中我们可以看到，Ef的最大最小值为11.3%和2.9%，分别由阳极位于T7和T8位置获取。这些结果表明，当TMS线圈置于两个电极之间时，tDCS对TMS的影响最大。当阳极放置于线圈相反的位置时，tDCS对TMS的影响最小。从而证明了电极和线圈之间的相对位置显著影响两种技术之间的相互作用。需要指出的是，即使线圈位于两个电极之间的情况下，tDCS也仅仅使TMS的电场强度增加了11.3%，在TMS推荐的安全范围之内。

图1大脑中模拟的电场分布，用于研究阳极位置的影响。在TMS的持续时间内，八字形线圈的位置固定在C3上。在这组模拟中改变tDCS阳极的位置。阳极和阴极位置展示于图上。

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

图2阳极位置对相互作用参数Ef的影响。将阴极置于右侧C4上，并将阳极定位在十个不同位置：Fp2，F8，T8，P8，O2 ，O1，P7，T7，F7和FP1。在仿真过程中，TMS的八字形线圈的位置固定在C3上。

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

之后我们将阳极固定于Fp1和Fp2位置，阴极选择5个不同的位置，重复上述仿真分析，结果展示于图3中。结果表明，线圈与电极之间的距离显著影响TMS和tDCS之间的相互作用，距离越近作用越强。在不同电极位置计算获取的Ef值，展示于图4中。在电极位置位于C1/Fp1 和C1/Fp2时，获取的Ef分别为6.4%和5.8%。在电极位置位于Cz/Fp1 和Cz/Fp2 时，获取Ef的最大值分别为7.9%和6.3%，最小值在电极位置 C6/Fp1 (Ef= 4.7%) 和C6/Fp2 (Ef= 0.3%)获取。

图3大脑中模拟的电场分布，用于研究阴极位置的影响。在TMS的持续时间内，八字形线圈的位置固定在C3上。在这组模拟中改变tDCS阴极的位置。阳极和阴极位置展示于图上。

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

从仿真结果中我们可以看到，TMS线圈和tDCS电极之间的距离是决定两种技术交互的关键因素。但是值得注意的是，虽然计算获取的Ef值整体随距离的增加而降低，但是在阴极位于Cz处计算得到了Ef的最大值。产生这种现象的原因尚不清楚，但是可能与皮层周围的各种组织的电导率分布有关。例如，在中央沟处的脑脊液较多，而相较于其他组织，脑脊液的电导率最高。

图4阴极位置对相互作用参数Ef的影响。将阳极置于Fp1或Fp2上，并将阴极定位在5个不同位置：C1,Cz,C2,C4和C6。在仿真过程中，TMS的八字形线圈的位置固定在C3上。

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