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引言
1985 年，英国谢菲尔德大学的 Barker 等利用磁刺激器刺激大脑运动皮层，在对侧手部肌肉上成功记录到了运动诱发电位（motor evoked potentials，MEP），该项技术被命名为经颅磁刺激（transcranial magneticstimulation，TMS）。
重复经颅磁刺激（repetitivetranscranial magnetic stimulation，rTMS）是 TMS 刺激方式的一种。它是采用 TMS 刺激器以一定频率、一定间隔重复输出多个脉冲序列，并施加于大脑的特定脑区，可以对大脑神经活动产生干扰，改变大脑神经元的兴奋性。研究结果表明，rTMS 对大脑的刺激效果在刺激结束后仍能持续一段时间。
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在 rTMS 技术发展之初，研究者通过记录外周肌肉的 MEP 间接评估 rTMS 对大脑运动皮层兴奋性的影响作用。
2002 年，研究者使用 EEG 评估了 rTMS 对不同脑区之间的调控作用，但是该研究仅仅探讨了 rTMS 对左右两个大脑半球运动脑区之间的调控作用，未考虑对更多脑区之间协同工作状态的影响。
目前，研究脑区之间相互连接关系广泛使用的方法是基于图论的复杂网络分析方法，即使用图论理论绘制脑区之间相互连接关系的拓扑图，称之为脑网络连接图。图论将一个网络描述为由节点和边构成的图，在基于图论的 EEG脑功能网络分析中，将 EEG 电极作为脑功能网络的节点，两两电极之间的相互关系作为脑功能网络的边，通过计算两两电极所得 EEG 信号之间的互相关、频率相干或相位同步等关系特征，设定阈值将 EEG 信号之间的关系二值化，从而确定两两电极之间是否存在功能连接性，获得脑功能网络的拓扑图。
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本文拟通过记录可以直接反映神经兴奋性的EEG 信号，分析 1 Hz 低频 rTMS 刺激大脑初级运动皮层时各脑区之间神经电信号相位同步性的变化。采用基于图论的脑功能连接方法，从脑功能连接、脑区之间协同工作状态改变的角度研究 1 HzrTMS 刺激对大脑功能活动的影响。

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实验条件建立
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rTMS 使用的是 magstim rapid2 磁刺激器，刺激线圈使用与该磁刺激器匹配的 70 mm 八字线圈。试验前扫描了所有受试者的头部 MRI 影像，通过 brainsight 精密导航系统软件重建个体化的立体头模型，利用追踪球将 TMS 刺激线圈与导航中的虚拟线圈进行配准，然后将受试者头部与该头模型进行配准，保证实验过程中 rTMS 刺激时刺激位置和刺激方向的精确性与一致性。
为了确定各受试者 rTMS 刺激时的刺激强度，使用肌电记录系统采集手部肌肉的肌电 MEP 来确定受试者个体的刺激阈值。本研究使用的是 micromed 多通道生理信号记录仪采集右手第一骨间背侧肌的肌电信号，两个肌电记录电极相距 2 cm，地电极放置在右手豌豆骨上。肌电系统的采样率为 32 768 Hz。EEG 采集使用的是neuroscan 系统和64 导 easycap EEG 帽，包括 62 导记录电极、一个地电极及一个参考电极，其中 2 个记录电极分别放置于眼睛下部和眼外眦处，用于采集垂直方向眼电和水平方向眼电，为后续 EEG 数据处理时眼电的去除提供数据支持。EEG 采集参数设置为 DC～200 Hz的滤波，1 000 Hz 采样率。
rTMS 对大脑兴奋性的影响依赖于刺激频率，低频产生抑制神经活动的作用，高频产生兴奋神经活动的作用。rTMS 对脑的影响作用在刺激结束后持续一段时间，且持续时间与rTMS 的刺激时间相关。本研究采用 1 Hz rTMS刺激脑运动区 20 min，通过分析 rTMS 前后的 EEG信号，获得 rTMS 对脑功能网络拓扑特性的影响。
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试验前，首先使用单脉冲 TMS 确定受试者的个体运动阈值和手初级运动皮层。刺激线圈保持与头皮相切，线圈把柄向后，并与大脑纵裂呈45°。根据解剖学上大脑初级运动皮层的位置，以中央前回的“手结”为中心移动线圈，寻找以最小TMS 输出时，10 次 TMS 中至少存在 5 次肌电 MEP幅值大于等于 50 μV 的皮层位置点，此时的 TMS输出强度为该受试者的静息运动阈值（restingmotor threshold，RMT），该皮层位置点为手初级运动皮层。
试验中，rTMS 的刺激频率为 1 Hz，刺激强度为 90% RMT，刺激靶点为右手对应的初级运动皮层，采用与确定 RMT 时相同的线圈放置方式，刺激时间为 20 min，共 1 200 个脉冲。分别在 rTMS刺激前后采集 1 min 闭目静息状态的 EEG 信号。
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数据处理
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使用 Matlab 及其工具包 EEGLAB 对采集的EEG 信号进行分析。首先对数据进行预处理，包括变参考为双耳乳突，手动去除干扰大的 EEG 信号段，降采样到 250 Hz，进行[1 Hz，100 Hz]的带通滤波及 50 Hz 陷波，采用独立分量分析去除眼动干扰，从而获得干净的 EEG 信号。选取 50 s 干净的 EEG 信号进行后续处理。通过带通滤波提取 EEG 信号的不同频段，包括delta（1～4 Hz）、theta（4～8 Hz）、alpha（8～13 Hz）、beta（13～30 Hz）、gamma1（30～45 Hz）和 gamma2（55～100 Hz）。然后，对所有电极进行两两电极之间相位同步指数的计算，设定阈值，获得大脑相位同步指数的二值化矩阵，构建脑功能网络并计算网络特征。
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脑区之间相位同步性的变化
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对 1 Hz rTMS 影响显著的 alpha频段 EEG 信号进一步分析，获得 1 Hz rTMS 对各脑区之间相位同步程度的影响。首先将大脑划分为18 个区域，如图 2a 所示。使用符号秩和检验对 1 HzrTMS 前后 18 个脑区之间相位同步指数进行统计学检验，差异具有统计学意义（P<0.05）的脑区如图 2b 所示。
从图 2b 可以看到，1 Hz rTMS 刺激脑初级运动皮层对多个脑区 alpha 频段节律振荡的相位同步产生了影响，呈弥散分布。表现为刺激侧大脑半球内alpha 频段相位同步显著降低（P<0.05），包括运动区（CL）与额叶（AFL、FL、FCL）、顶叶（CPL、PL）之间。非刺激侧大脑半球的顶叶皮层（CPR）与双侧额叶皮层（AFL、FPL、FPR）之间 alpha 频段相位同步也显著降低（P<0.05）。

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讨论与结论
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本文从脑功能连接、脑区协同工作状态的角度研究 1 Hz 低频 rTMS 刺激初级运动皮层时对大脑的影响。研究结果显示，1 Hz 低频 rTMS 刺激使alpha 频段 EEG 神经节律振荡的全局相位同步指数显著降低，使脑功能网络的平均度、全局效率显著降低，平均最短路径长度显著增加，影响的脑区主要为（前额叶）、（运动区）及（部分顶叶脑区）
2014 年，Casula 等 使用 TMS-EEG 研究了低频 rTMS 对 大脑 TMS 诱发电位（TMS evoked potentials，TEP） 产生的影响。结果显示低频 rTMS 使 TEP 的 N100 成分的幅度显著增加，使用 EEG 直接指标证明了 低频 rTMS 对大脑的抑制作用。本研究从脑功能网 络连接、不同脑区之间协同工作状态改变的角度进 一步证实了低频 rTMS 对大脑神经活动的抑制作用。
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本文使用闭眼静息态 EEG 探讨 1 Hz rTMS 对大脑的影响作用。闭眼静息态（对了解大脑的神经生理机制及大脑对外界刺激的响应有重要作用）是人体处于安静清醒时的基线状态。alpha 频段神经振荡节律是静息态 EEG 信号的主要节律，其在认知、感觉、运动、心理感情以及生理过程中扮演着重要的角色。
本文研究结果显示，1 Hz rTMS 刺激初级运动皮层对静息态 alpha 频段节律振荡产生了显著的影响，使该频段相位同步指数构建的脑功能网络平均度和全局效率降低，平均最短路径长度增加。提示 1 HzrTMS 使 alpha 频段网络的连接性变弱，信息传输状态变差，传递效率降低。
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已有研究结果表明，rTMS 对大脑的作用依赖于刺激频率：低频（≤1 Hz）rTMS 抑制大脑神经活动，高频（>5 Hz）rTMS 则兴奋大脑神经活动。

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功能解剖学提示：
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大脑皮层与运动相关的区域从前到后包括前额叶皮层（prefrontal cortex，PFC）、辅助运动区（supplementary motor area，SMA）、前运动区（premotor area，PMA）、初级运动区（primary motor area，M1）、躯体感觉区（somatosensory area，S1）及后顶叶皮层（posterior parietalcortex，PPC） 。
前额叶皮层接受导致运动的感觉信号；
前运动皮层参与了运动的预备过程，在运动的执行过程中也有一定的参与；
后顶叶区负责获悉身体与外部环境相对位置信息的技能；
前额叶皮层、前运动区和辅助运动区参与运动计划的实施过程，向初级运动皮层发出信息，
初级运动皮层产生兴奋通过皮质脊髓束传导到外周肌肉，从而产生运动。
本文研究结果表明，1 Hz rTMS 刺激初级运动皮层对大脑神经活动有广泛的影响，表现在额叶（包括前运动区和辅助运动区）、顶叶皮层及主运动区等多个脑区。因此，低频 rTMS 可能对运动过程中的空间定位、准备及执行等多个环节产生影响。

TMS常用定位方法
MRI结构像+功能像定位
①采集高分辨T1结构像，可以精确地定位相应脑解剖位置。根据大脑的结构，定位刺激的目标区域，之后通过结构像还原3D头模，将目标区域映射至头皮形成目标靶点，进而实现相比于定位帽更加精准地刺激。但此方法仍具有一定地局限性：虽然T1结构像可以精确定位脑区，但忽略了脑解剖位置与脑功能区不完全对应地问题。因此，可以将结构像与功能像结合定位。
②采集特定任务的功能MRI数据，得到激活脑区后，根据解剖知识与功能区激活确定目标区域，最后将目标区域映射至3D头模的头皮对应位置，即可进行经颅磁刺激。
这种定位方法可以使用Matlab工具包或其他软件，手动重建3D头模。例如在MRIcron软件中加入T1结构像以及特定任务功能像，构建出与病人真实脑空间大小相同的3D激活图头模，在头模上与真实场景病人头上找到一个相同的参考点（如下图点F），通过测算头模上参考点与目标点的距离，还原真实场景中目标点的定位。
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找到目标靶点E后，通过测算参考点F与靶点E映射至头皮的E1点的距离，实现真实场景的E1点定位
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这种方式需要一定的MRI图像处理基础，对于新手来说并不十分方便，因此，想要实现精确的目标定位也可以使用经颅磁神经导航软件，目前市面上神经导航软件算法发展已经十分成熟，只需导入MRI结构像以及功能像，即可自动计算出3D头模，在刺激过程中对线圈进行实时地导航定位，操作流畅便利，功能多样，大大节省靶点定位的时间。

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神经导航软件自动重建3D头模与实时目标追踪