单脉冲经颅磁刺激对视皮层神经活动抑制作用的初步实验研究

石卫卫 侯文生 吴小鹰 郭冰冰 郑小林

(生物流变科学与技术教育部重点实验室(重庆大学)，生物工程学院，重庆大学，重庆 400044)

引言

经颅磁刺激(TMS)是一种利用脉冲磁场作用于中枢神经系统(主要是大脑)，再通过感应电流调节神经细胞的动作电位，从而影响神经电生理活动的磁刺激技术［1］。经颅磁刺激技术可以辅助揭示神经网络机制及每个功能活动区域的具体作用，同时又具有无痛、无创、风险小、操作简单、能重复刺激等多种优点，为脑功能定位研究提供了新的方法和途径。TMS刺激大脑皮层可以影响神经元细胞膜上 Na+和 Ca2+通道，使神经元产生兴奋或抑制［2］。利用TMS可以确定大脑运动皮层的功能区，还可以定位感觉和认知过程的功能区。经颅磁刺激也可以通过刺激运动皮层来抑制颌肌，产生非特异性语言阻断，从而实现语言优势半球的定位。

视觉是人类认识客观世界的重要途径，人类认识世界所需信息的70%以上来自视觉，视觉诱发电位(visual evoked potential，VEP)［3］是大脑枕叶视皮层对视觉刺激发生反应的一簇信号，是反映视觉器官、视觉传导通路、视觉中枢功能状态的神经生理学的重要指标，已被广泛应用于临床检测神经系统及视网膜、视神经、视放射、视皮层等视觉通路病变。经颅磁刺激运动诱发电位(TMS-MEP)已被广泛地应用于临床和生理学领域，对于了解运动传导通路的功能状态，发现中枢神经系统的病变有着重要的临床价值［4－5］。TMS［6］技术与 VEP 技术的结合为视皮层功能定位的研究以及视觉系统疾病的研究、诊断提供了新的方法和途径，Gregor Thut等分别在视觉刺激开始时刻、VEP P1波出现、P1波峰处施加单脉冲TMS(sTMS)，实验结果表明，在P1波建立期、波峰处施加的sTMS会改变VEP波形以及脑电地形图［7－8］。他们虽然研究了 TMS施加在神经活动过程中对 VEP的影响，但未从时效方面，即磁刺激作用效应持续时间上探讨sTMS对神经活动的影响。为了探索单脉冲TMS作用后视皮层神经活动的变化，以sTMS对视觉诱发电位峰时影响为特征指标，研究视皮层神经活动在sTMS施加前后的变化规律。

1 实验设计及方法

1.1 受试者的选取

参与本实验的受试者为11名健康在校大学生，其中女受试者8名，男受试者3名，平均年龄24岁(22～26岁)，均为右利手。受试者均无神经或精神方面、脑外伤、冠心病及视觉系统疾病病史，且视力正常，或矫正后正常。实验前，受试者均被告知本次试验的目的及实验步骤，并签定书面的实验知情同意书。

1.2 实验器材

视觉刺激器采用14 in华硕笔记本电脑、磁刺激仪采用丹麦Keypoint-P磁刺激仪和8字形 (蝶形)刺激线圈［9］(线圈内径为2 mm×17.5 mm，外径为2 mm×37.5 mm，输出的最大磁场强度为2.5 T)，多通道生理记录仪、Ag-AgCl盘状皮肤电极，实验场景如图1所示。

图1 实验场景图片Fig.1 Experiment scene picture

棋盘格刺激图形是利用LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)软件设计实现的。LabVIEW可以精确地控制棋盘格的翻转。程序框图共包括两大部分，一部分是用数组生成可以在前面板显示的黑白棋盘格，改变数组的参数可以调整刺激图形的形状、大小、方位。另一部分是刺激图形显示模式的控制。利用顺序结构(flat sequence)实现时钟控制黑白棋盘格的交替显示，通过等待(wait)节点控制持续显示的时间，即刺激的时间频率;通过 for循环(for loop)结构控制棋盘格翻转的循环显示，并可以指定循环显示的次数。其结构框图如2所示。

同步信号采集装置是采用由光敏三极管(型号为3DU33)构成的光电转换电路，如图3所示。光敏三极管被固定在刺激屏幕右下角的一个小棋盘格前，用来感受棋盘格的黑白状态。在光敏三极管集电极c和发射极e之间加电压，使集电结反偏，则在无光照时，c、e 间只有漏电流(暗电流)，大小约为 0.3 μA，输出的电压为3 mV左右;有光照时将产生光电流，光电流被放大形成集电极电流，最终被发射极1 kΩ的电阻转化为输出电压，输出被放大到几十毫伏。光敏三极管具有很高的灵敏度和极快的反应速度(5 μs)，从而可以保障同步信号采集的准确度。

1.3 实验方法及步骤

在一个黑暗且相对安静的环境中，受试者采用坐位。刺激器屏幕中间标记有红色的十字交叉，且与受试者的眼睛处在同一高度，以帮助受试者固视刺激屏幕。采用视角为1°的全屏黑白翻转棋盘格作为视觉刺激信号，时间刺激频率为2 Hz，刺激图形的亮度及对比度均调至受试者感觉最佳。经颅磁刺激的部位为枕部视皮层区，TMS刺激强度设定为最大输出量的70%。记录电极置于Oz点(枕骨粗隆上2～3 cm)，参考电极置于 FPz点(鼻根上4 cm)，地电极置于右耳耳垂。

实验前连接好数据记录装置，采样频率设定为1000 Hz，低通滤波频率为30 Hz，以进一步消除50 Hz工频干扰和其他的高频干扰。同步信号采集电路的输出同样连接到多通道生理记录仪上。

图2 棋盘格刺激图形程序框图Fig.2 The program of black＆white checkerboard as visual stimulus

图3 同步信号采集原理图Fig.3 The schematic for synchronous signal acquiring

实验初期，先让受试者明确该实验的要求以及实验任务，并进行短时间的训练。实验开始，首先记录一组该受试者在无磁刺激下的PRVEP，作为对照VEP;休息10 min，以让受试者的眼睛得到充分放松，防止视疲劳引入误差。然后，当受试者听到刺激器刺激发出“啪”的声音时，受试者按下按钮(反应时间约为0.5 s)启动视觉刺激器，记录此时的PRVEP。实验过程设计如图4所示。

图4 实验过程设计Fig.4 Experiment process design

2 数据处理

将采集的实验数据以Matlab作为处理平台进行叠加平均和滤波处理。叠加平均方法是以同样的条件对人体进行多次刺激，记录每一次刺激产生的诱发电位，然后把各次记录波形以施加刺激的时刻为参考点在时间上加以对齐，进行累加平均，以平均波形代表所要提取的信号。在处理中以同步信号起始点为基准，将此后采集的数据以500点为一个单位分割成若干组，将后续第一组500个采样点记为x1(n)，第二组500个采样点记为 x2(n)，第i组500点为xi(n)，即第i次刺激后的视觉诱发电位。诱发电位、噪声及有用信号的关系可由下式表示:

式中，s(n)为每次重复的有用信号，ni(n)为噪声。对每组实验数据共叠加平均60次，信噪比可提高倍。

滤波采用无延迟滤波 filtfilt函数进行处理，其滤波器的类型是5阶巴特沃斯低通滤波，截止频率为30 Hz。分析时间最多选用的是300 ms，因此截取处理后的前300 ms信息进行对比分析。数据处理后得到的VEP波形如图5所示。虚线为磁刺激之前采集到的 VEP，即为对照的 VEP，实线为磁刺激后采集的VEP，即为观察VEP。定义磁刺激之前记录的VEP P1波峰时为tpb，磁刺激后记录的VEP P1波峰时为tpa。

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

3 结果

观察每一组实验中对照VEP和观察VEP波形发现，施加sTMS前后VEP的波形大致相同，磁刺激前后得到的 VEP均可见典型的 PRVEP的 N1、P1、N2三个成分，他们分别出现在50～80 ms、80～110 ms、110～180 ms。对比同一个受试者sTMS刺激前后记录的VEP，发现刺激后的VEP滞后于刺激前记录的VEP。表1给出了每个受试者的VEP各成分波磁刺激前后峰时差的比较。

表1 磁刺激前后VEP各成分波峰时的比较Tab.1 Comparison oftheVEP peak timeofeach component before and after applying sTMS

由于PVEP的P1波是最稳定的，在此只把这个最典型的波作为研究对象，对磁刺激前后P1波的绝对潜伏期进行统计分析。表2和图6是用SPSS 13.0统计软件分析11名受试者磁刺激前后VEP的P1波峰时的结果，其中图6给出这11组数据分别在磁刺激前后VEP的P1波峰时的误差图形。刺激前后记录的 VEP P1波峰时的均值相差10.91 ms。SPSS对磁刺激前后两组相关样本进行非参数检验，得到的P<0.05，故可以认为磁刺激前后VEP的P1波峰时之间存在显著差异，也即磁刺激后 VEP的P1波绝对潜伏期明显大于磁刺激之前的。

表2 磁刺激前后两组数据中P1峰时的统计情况Tab.2 The statistics of the peak time of P1 before and after applying TMS

图6 磁刺激前后VEP的P1波峰时的误差图Fig.6 The error graph of P1′s peak time before and after applying TMS

4 讨论和结论

VEP时序上的延迟反映了视觉信号的传导受到抑制，一种可能的原因是sTMS对视皮层神经活动产生了影响，使视皮层的功能受到某种抑制而出现延迟。临床上，图形翻转视觉诱发电位(PRVEP)P1波绝对潜伏期的延长，可以指示某些疾病(如脱髓鞘病变、弱视、偏头痛，视神经炎等)引起的视觉通路传导障碍［11］，而这些疾病的发病机理就在于神经元功能失常，递质失调，从而使正常的神经活动受到抑制。因此，神经活动受到抑制时就会使信息传导受到抑制，外在表现为 VEP的绝对潜伏期延长。

经颅磁刺激(TMS)是一种无电极刺激形式，通过颅外放置的电磁刺激器在大脑皮质诱导产生感生电流直接刺激特定的皮质神经元［10］。TMS对大脑皮层作用的内在机制尚未完全清楚，但TMS可以通过改变不同脑区的血流、递质、代谢、内分泌来改变神经活动的兴奋性［2，11］。有研究显示［3］，磁刺激通过调节神经元间的传递物质(递质)可以达到催眠的目的，而睡眠可以认为是大脑皮质和皮下中枢受到抑制而引起的。由此可见，磁刺激对大脑皮质区产生了抑制作用。张鸿等人［12］的研究工作表明，低频经颅磁刺激可以抑制帕金森病患者大脑皮质的异常兴奋。也有实验证明TMS刺激语言区可造成瞬时失语，即 TMS对大脑皮层语言区的抑制作用;对于运动皮质也会产生类似的中断效应，但这一效应不是功能消失而是出现动作延迟。

TMS对视皮层有抑制作用可以研究视皮层的高级功能定位。Amassian［13］等人揭示了施加在枕部的单脉冲磁刺激会抑制视觉认知活动［14－17］，证实了枕叶皮层在视觉认知功能中的作用。利用sTMS阻断视皮层的特定皮质区的兴奋性，判断该区是否参与执行某个特定行为和动作，从而精确确定视皮层特定皮质区的功能，也可以用来研究脑的高级功能活动(如语言测试)。哈佛大学心理学专家Stephen Kosslyn也利用 PET和TMS分别研究直接观察一个物体与闭眼想象该物体时初级视皮层在其中(17区)的作用，发现该皮层区对于观察物体和想象物体都很重要［18］。盲人用凸点盲读很好地体现了跨感觉皮层可塑性，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［19］。

另外实验结果中，不同受试者VEP特征波的延迟时间存在一定的变异性。这可能与本实验采用的固定刺激强度有关。事实上，运动诱发电位研究表明，不同受试者皮层神经对sTMS有不同的敏感程度(即刺激阈值)，TMS引起的 VEP特征波延迟时间也会受刺激强度以及线圈角度的影响［5］。在本实验中，由于统一采用的是70%最大输出强度作为刺激强度，这种固定的绝对刺激输出强度对于不同受试者来说其相对刺激强度是不同的，sTMS对视皮层神经活动的抑制程度发生变化，由此可能导致不同受试者VEP的延迟时间出现差异。

经颅磁刺激技术以其独特的优点，被广泛地运用于临床治疗、康复、诊断、预后评估以及脑功能定位的研究。将TMS技术与可靠的VEP指标结合起来研究TMS对视觉神经活动的影响，结果表明sTMS对视觉中枢有抑制作用，为将TMS应用于视皮层神经活动的探究提供了实验证据。本研究的TMS技术对视觉神经活动的抑制作用只是初步探索，后续将进行更加深入地研究在不同时间点施加TMS以及不同参数的TMS对视皮层神经活动的影响。

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