经颅直流电刺激与同步功能磁共振成像

以下实验的总体目标是展示在同步进行功能性磁共振成像时实施经颅直流电刺激（TDCS）的方法。为了评估刺激对人类大脑功能的影响，第一步是组装必要的设备，包括与磁共振成像兼容的电缆、电极和滤波盒。第二步，需要在扫描仪内部和外部设置TDCS设备。

接下来，对受试者进行筛选并准备进行扫描仪内的经颅直流电刺激（TDCS）。当受试者被移入扫描仪孔内后，开始刺激，同时启动功能性磁共振成像（fMRI）实验。最终，在同一受试者设计中，将经颅直流电刺激期间扫描获得的结果与另一次假刺激（sham TDCS）会话期间获得的结果进行比较，以揭示刺激对大脑功能活动的影响。

与纯粹的行为学经颅刺激（TS）方案相比，颅内疾病研究的主要优势在于能够探究模拟效应背后的神经元机制。此外，与其他神经影像技术（如脑电图）相比，功能性磁共振成像（fMRI）具有更优的空间分辨率，并可验证电极在颅骨内的位置。结合使用fMRI与经颅直流电刺激（TDCS）有助于揭示TDCS在健康大脑中的神经作用机制，以及在中风或痴呆等多种不同病理状态下的相关神经机制。

了解经颅直流电刺激（TDCS）在大脑中的作用机制，最终可能有助于改进该技术的临床应用。由于许多关键步骤需要以特定的时间顺序准确执行，因此充分的规划并熟悉这些步骤对于成功实施至关重要。如果操作得当，该技术对受试者的风险极小。

然而，研究人员必须确保遵循既定的 MRI 和经颅直流电刺激（TDCS）安全指南。实验设计包括两个功能性磁共振成像（fMRI）阶段，分别在经颅直流电刺激下进行：一个为期5分钟的静息态扫描序列，以及一个持续11分钟的外显性语义词语生成任务。经颅直流电刺激（TDCS）共持续20分钟，大约在扫描开始前1至2分钟启动，覆盖两次功能扫描的全部时间，以及扫描之间的短暂休息和指令间隔。

在静息态和任务态功能磁共振成像（fMRI）之后，采集额外的结构像扫描数据。假刺激会话包括在静息态fMRI前进行30秒的经颅直流电刺激（tDCS），在语言任务的其余实验流程中不再施加tDCS；使用刺激呈现软件将不同语义类别的视觉图像投射到扫描仪内的屏幕上。投影通过连接至计算机的投影仪和镜面系统实现。

使用与 MRI 兼容的麦克风来传输外显的言语反应。设置经颅直流电刺激（TDCS）设备程序时，需确保设备能够提供持续 20 分钟、强度为 1 毫安的直流电流，并确认刺激器已充分充电；否则，设备可能在实验过程中关闭。此外，应按照文本方案中的描述，准备好所有进行 TDCS 所需的设备、电缆和电极。

在 MRI 控制室内，将外层滤波盒放置在用于将电缆引入扫描室的射频滤波管附近。请注意，外层滤波盒上有明显标识。内层和外层滤波盒不得混淆。

接着，使用刺激器电缆将刺激器连接到外部屏蔽箱。测量用于连接内层和外层滤波器箱的箱体电缆长度，确保电缆有足够的长度可沿扫描室的墙壁布线。将箱体电缆插入射频滤波管，并将其连接到扫描室内的外部滤波器箱。

将内层滤波盒放置于扫描仪孔径的后端，并使用胶带固定。用胶带将滤波盒的电缆沿墙壁固定，并将其连接至扫描仪内部的滤波盒，注意避免电缆形成任何线圈，以防引起射频加热。仔细筛查受试者是否存在 MRI 和经颅直流电刺激（TDCS）的禁忌证，例如体内有起搏器、金属植入物以及幽闭恐惧症。

解释完操作步骤后，按照常规经颅直流电刺激（TDCS）设置获取参与者的知情同意，以准备电极放置。检查参与者皮肤是否存在任何预先存在的损伤，并将毛发移开。随后用酒精清洁皮肤，以改善皮肤状况。

用生理盐水充分浸湿海绵电极套后，使用不会留下铁磁性痕迹的笔将核磁共振兼容的电极插入电极套中。首先，在受试者头部标记 T3-F3 与 F7-C3 的交点，然后标记 F7 与 F3 之间的中点。接着标记连接这两个点的线段的中心位置，并将阳极置于该点。

然后将阴极置于右侧眶上位置，并用橡皮筋固定两个电极。在扫描仪外部完成最终安全检查后，引导受试者进入扫描室，靠近扫描仪以将电极线连接至内部滤波盒。接着，打开刺激器并检测阻抗，例如同时按压刺激器的右上角和左下角按钮。

由于电缆长度和滤波盒的电阻较高，此过程中的阻抗通常比标准经颅直流电刺激（T DS S）方案更高，因此在开始扫描前测试阻抗至关重要。如果达到阻抗上限，刺激器将自动停止。可能的解决方法包括确保电极与头皮接触良好、清洁皮肤，以及再次向海绵上添加更多生理盐水溶液。

将受试者放置在扫描仪的检查床上。确保电极仍处于正确位置。然后将电极线缆从头部线圈的左下部分穿入，并固定线缆，以防止其在检查床移动时被卡住。

移动机架后，关闭头部线圈，然后将紧急按钮交给受试者，随后将受试者推入扫描仪。

接下来钻孔，从扫描仪后端取来电极电缆，将其连接到内层滤波盒，然后离开房间。使用扫描仪对讲系统告知参与者扫描会话即将开始。在采集周期结束后，通过扫描控制台启动结构定位扫描。

通过双击定位扫描图像，并在按住鼠标右键的同时左右移动鼠标以调整对比度，检查定位扫描图像中是否存在高频伪影。使用扫描仪对讲系统告知受试者刺激即将开始，其头皮可能会短暂地感到轻微刺痛。然后重复第一次功能扫描的指导说明。

进行静息态扫描时，指导受试者在五分钟扫描过程中保持闭眼状态，尽量减少身体活动，并且不要专注于任何特定事物。同时，确保手动关闭投影仪。

在静息态功能扫描开始前约一到两分钟启动经颅直流电刺激（TDCS）。使用扫描仪控制台加载静息态序列。双击静息态序列以打开视野，并调整位置，使其覆盖整个大脑，并大致与前连合-后连合连线对齐。

现在开始第一次扫描。在执行双盲研究时，当静息态序列运行期间，由第二位研究人员全程监测阻抗。加载第二个功能成像序列，即语言任务序列，并像之前一样通过扫描仪控制台调整视野，以缩短两次扫描之间的间隔时间。

静息态序列结束后，打开投影仪，以便在语言任务期间视觉呈现实验刺激。双击呈现软件图标并加载语言范式。使用扫描仪对讲系统重复说明与任务相关的功能磁共振成像（fMRI）范式的指导语，并在刺激结束时开始任务，进而完成fMRI实验。

继续进行预定的结构扫描。实验结束时，在将受试者移出扫描仪孔洞之前，先从内层滤波盒上断开电极电缆。然后拆下头部线圈，并让受试者坐起，小心取下电极。

在语义词语生成任务期间进行的fMRI研究显示，接受A-T-D-C-S干预的年轻和年长成人，其额下回腹侧区域的活动较接受假刺激时有所降低。在左侧背侧额下回以及fMRI中未发现显著差异。在A-T-D-C-S期间进行的静息态扫描，与同一18名参与者在另一次假TDCS会话期间获取的静息态扫描相比，显示出在A-T-D-C-S期间连接性增强的脑区（以红色表示）和连接性降低的脑区（以蓝色表示）。

未来，这种新技术可能被用于临床人群，以提高现有干预措施的有效性，或开发新的、基于科学依据的治疗方案。为了进一步理解经颅电刺激（TT CS）的作用机制，该技术可与其他技术（如脑电图经颅电刺激，EEG TT S）结合使用，以利用这些技术更优越的时间分辨率。观看本视频后，您应能够充分理解经颅直流电刺激（TDCS）与磁共振成像（MRI）联合使用时的技术要求、实施方法以及安全注意事项。