经颅交流电刺激对初级运动皮层的影响：与经颅磁刺激在线联合应用的方法

本实验的总体目标是通过一种新颖的在线联合方法，利用单通路经颅磁刺激来评估经颅交流电刺激持续效应的调节作用。经颅电刺激是一种神经调控技术，可通过不同的电流波形影响神经元状态，目前在神经科学领域被广泛用于研究大脑的运动和认知功能。

最常用的方法基于直流电刺激、随机噪声和交流电刺激，这些方法能够诱导神经元活动的变化，无论是在神经元内部还是外部，均可引起静息膜电位的改变，从而调节神经元突触效能。经颅交流电刺激（TACS）使我们能够在特定频率范围内施加正弦波形的外部振荡电位。

通过诱导内源性振荡活动的所谓“同步效应”。本文介绍了一种新方法，该方法在持续刺激初级运动皮层的过程中，结合经颅交流电刺激（TACS）与单脉冲脑刺激（CMS）。该方法使我们能够利用单脉冲经颅磁刺激（TMS）诱发的运动诱发电位，实时检测交流电刺激对初级运动皮层的影响。

我们将展示一套用于通过初级运动皮层刺激来实施在线联合经颅交流电刺激-经颅磁刺激（TACS-TMS）方案所需的完整设备。设备清单包括能够产生交流电的电刺激装置，例如 BrainStim，通过两个尺寸为五至七厘米、浸有生理盐水的海绵表面电极连接。

为了尽量减少皮肤感觉，电极需完全浸透生理盐水溶液，以在整个刺激过程中将阻抗保持在10千欧姆以下。使用特定的弹性绑带将目标电极放置于头皮上对应初级运动皮层热点的位置，而参考电极则使用胶带放置于同侧肩部，这种配置称为单极导联。在人类中，不同频率的振荡反映了与不同神经网络活动状态相关的行为和认知过程。

通常通过脑电图或脑磁图测量。人脑中的振荡频率范围从超慢速到超快速振荡，这些振荡通常同时存在，并且能够相互调节和交互。

然而，振荡活动与大脑功能之间的关联始终是通过相关性方法建立的。因此，脑电振荡是直接反映了皮层信息处理的基本机制，还是仅仅是一种伴随现象，这一问题至今仍未解决。通过使用经颅交流电刺激（TACS），我们可以以频率特异性的方式对脑电振荡进行因果性调控，进而影响与静息态、感知及认知过程相关的生理神经活动。

使用 BrainStim 设备设置 TCS 协议时，首先检查电池状态。然后通过我们的专用软件调节刺激参数，包括电流的频率、持续时间和波形。

并通过蓝牙连接传输到设备。使用软件打开一个新会话，并创建新的实验方案或刺激程序。例如，该方案可命名为 Beta。

设置刺激频率，在本例中为 20 Hz，将波形调整为正弦波，并设定刺激方案的总持续时间，例如 600 秒。最后将刺激强度设为 1 毫安，偏移量、淡入、淡出以及渐变均设为零。然后在设备上启用蓝牙功能后，将方案从软件上传至刺激器。

然后检查该方案是否已成功传输至设备。接下来进行经颅磁刺激（TMS）部分。首先放置表面肌电图（EMG）电极，以通过单脉冲TMS测量运动诱发电位。

在所有电极下方使用清洁磨砂膏清洁皮肤，以获得较低的皮肤阻抗，低于10千欧姆。此处我们选取了第一背侧骨间肌，并采用双极肌腹-肌腱导联法。将有源电极置于肌肉上，参考电极置于远端两厘米处的骨面上，接地电极则置于手臂更近端的位置。

通过连接盒将银/氯化银电极连接至BrainAmp直流放大器，用于测量运动诱发电位。我们使用无框架经颅磁刺激（TMS）导航系统LocalEye TMS导航仪，以实现TMS线圈的准确定位。首先，将追踪传感器放置于受试者的前额部位。

对于经颅磁刺激（TMS）刺激，我们采用双相模式的磁刺激器和一个H形75毫米摆动式红色刺激线圈。然后利用受试者的结构T1加权MRI视频，通过导航系统在3D MRI头部模型中实时呈现受试者头部的位置。随后，将线圈精确定位于大脑头部的主要运动区，即所谓的运动隆起区。

然后开始测试单次经颅磁刺激（TMS）运动诱发电位。一旦确定所研究手部模型皮层表征的最佳热点位置，需标记该位置，用于后续经颅电刺激（TCS）目标电极的放置。根据头部中心位置，仔细调整第一条弹性绑带的位置。

然后使用第二条带子确定目标电极的位置。当经颅电刺激（TCS）电极放置于颅骨和同侧肩部后，将其连接至刺激器。在开始刺激前，需通过目视检查确认目标电极的位置已准确对准标记的热点中心。

然后通过神经导航系统重新调整强度和方向，将经颅磁刺激（TMS）线圈放置在经颅电刺激（TCS）电极上方，以重新定位激活热点。在此阶段，采用静息状态模型阈值法，针对这种新的TCS-TMS联合刺激布局，同时考虑目标电极的厚度来确定阈值。在整个实验过程中，将刺激强度设定为受试者静息运动阈值的110%。

大多数经颅电刺激（TCS）研究均显示出显著的在线效应，但关于刺激停止后TCS的持久效应，目前仍无明确证据。文献中仅有少数研究表明，与使用在线TCS相比，其后续效应较弱且不明确。关于TCS的后续效应，EG证据同样不明确。

体内研究表明，神经元放电活动的峰电位与不同的驱动频率同步，表明神经元放电可被施加的电场同步化。因此，在动物模型中，微弱的正弦经颅刺激（TCS）可使广泛分布的皮层神经元脉冲放电频率发生同步化。在人类中，最近的证据表明，实时经颅刺激可对脑电（EG）特征产生同步化效应。

然而，经颅电刺激（TCS）-表皮电图（EG）方法仍存在疑问，首先是因为交流电（AC）引起的伪迹，其次是因为实际上无法直接采集到刺激区域的EG信号。这种结合了TCS与经颅磁刺激（TMS）的组合方案，可通过使用初级运动皮层的单脉冲TMS作为探针，特别用于观察感觉运动系统在皮质脊髓输出中对TCS的在线频率特异性效应。因此，在给予在线TMS单脉冲刺激的同时启动20 Hz的电刺激方案，TMS脉冲之间以3至5秒的随机间隔穿插进行。

例如，我们可以展示在在线20 Hz经颅交流电刺激（TCS）下，运动诱发电位振幅相较于10 Hz或假刺激的增加。在此图中，您可以看到一个实验设计示例，其中经颅磁刺激（TMS）线圈放置在目标TCS电极上方。本实验中，红色电极置于左侧运动皮层和右侧顶叶皮层。

将蓝色参考电极放置于对应国际1020脑电系统PZ位置的中线上。线圈固定在置于左侧运动皮层上方的海绵电极上。所刺激的人类运动皮层其活动频率约为20 Hz。

多位长期合作者通过在人类受试者静息状态下施加20 Hz刺激时观察到皮质脊髓兴奋性的即时增强，提供了20 Hz活动的关键证据。图中Y轴表示在经颅磁刺激单脉冲测量下获得的平均运动诱发电位（MEP）幅度，此时经颅电刺激（TCS）正在持续进行；X轴表示不同的刺激频率。

只有以20 Hz频率在运动皮层施加的经颅交流电刺激（TCS）能够增强皮质脊髓输出，而在其他频率下的刺激或对顶叶皮层的刺激均未产生任何效应。这是首次通过经颅交流电刺激（TACS）与经颅磁刺激（TMS）联合方法测量到的TCS对运动皮层具有在线频率特异性效应的证据。

联合使用TMS和TACS的基本原理在于二者所提供的信息不同。通过记录对侧手部对应于初级运动皮层的运动诱发电位，我们可以检测持续进行的TCS所产生的无伪迹效应。这使得我们能够以无伪迹的方式，在不同频率的电刺激过程中，利用运动诱发电位准确监测皮层兴奋性的变化。

这种新方法可用于测试任何形式经颅电刺激的在线效应。