同步经颅交流电刺激与功能磁共振成像

本实验方案的总体目标是测量经颅电刺激期间血氧水平依赖性活动的变化。将经颅交流电刺激与功能性磁共振成像相结合，有望解答认知神经科学中的关键问题。这两种技术结合的主要优势在于，能够在以频率特异性方式调控神经振荡的同时，测量大脑功能。

该技术的应用前景涵盖与异常同步相关的神经系统疾病的诊断与治疗。尽管该技术可为人类视觉认知研究提供深入见解，也可应用于其他系统，如运动、行为和记忆等领域的研究。通常，初次接触该方法的研究人员可能难以掌握实验装置的复杂性，而复杂的设置对于确保无噪声干扰且触发信号同步的实验至关重要。

我们对经颅交流电刺激（TCS）产生兴趣，是因为它为我们提供了一种研究所有振荡现象如何导致意识感知的途径。我们的MRI技术人员是Ilona Pfahlert，受试志愿者为Paule Wunsch。应对所有受试者进行筛查，排除任何磁共振扫描以及经颅交流电刺激的禁忌证。

受试者到达后，向其详细说明实验内容并获取知情同意。首先使用卷尺测量受试者头部从鼻根至枕外隆凸的距离，然后测量从一侧耳经头顶至另一侧耳的距离。

根据10-20脑电图系统，将这些长度的交点标记为C-Z位置。然后，将不带电极的脑电帽放置在受试者头部，使C-Z对准已标记的位置。接着，确定并标记电极的预期位置，所有受试者均采用相同的定位方式，以确保实验的一致性。

接下来，使用酒精和棉片清洁头皮上标记位置及其周围的毛发和皮肤，以去除油脂和护发产品残留。然后，在橡胶电极上涂抹导电凝胶，并将每个电极牢固地按压在标记位置，确保电极、导电凝胶与头皮之间充分接触，以尽量降低阻抗。使用屏蔽的局域网电缆和磁共振兼容的安全电缆，将滤波盒连接至刺激器和橡胶电极。

然后，打开刺激器并测试阻抗。如果阻抗未低于 20 千欧姆，则将电极按压在头皮上，或根据需要添加电极凝胶。

注意将电极凝胶的覆盖范围限制在与电极大致相同的表面积内，并清除该区域多余的凝胶。接下来，让刺激器输出电流数秒钟，使受试者熟悉这种感官体验。在测试过程中询问受试者的感官感知情况，包括是否能感觉到刺痛感及其耐受程度，以及刺激期间任何光幻视（phosphines）的范围和位置。

此时，将电缆保留在受试者身上的橡胶电极上，但断开刺激器、备用LAN电缆以及内外滤波盒，以便受试者移动至扫描仪处。随后，将外层滤波盒连接到穿过波导管的LAN电缆上，尽量减少波导管外的电缆长度。然后，连接刺激器电缆。

同时仔细检查刺激器是否已连接至呈现计算机的触发输出。在确认受试者身上无任何磁性材料且已做好磁共振成像实验准备后，引导其进入扫描室。提供耳塞以保护听力，然后让受试者躺到扫描仪床面上。

将电极电缆平放于受试者在实验过程中能够舒适躺卧的位置，然后在受试者头部周围及下方放置枕头。同时，在受试者腿部下方放置枕头以增加舒适度，并减少身体移动。提供一个报警球以及一个适用于磁共振成像环境的安全反应按钮盒，将其置于受试者只需轻微移动即可按压按钮的位置。

现在，固定带有镜子的头部线圈，使受试者能够以正确的方向看到投影屏幕。然后，将橡胶电极的电极线自由端暂时固定在头部线圈上，以防止床体移动时发生缠绕。将扫描仪床移动到指定位置。

然后，从扫描仪孔道的后端，将橡胶电极的电极线缆连接到与网线相连的内部滤波盒。为防止扫描过程中产生过多移动，使用胶带和沙袋将线缆和滤波盒固定在孔道右侧的扫描仪床栏杆上。接着，将投影屏幕放置到扫描仪孔道的后端。

最后，再次测试刺激器上的阻抗，以确保在开始实验前所有电缆连接均正确无误。首先测试被试按压反应按钮时，刺激呈现计算机能否正常记录。然后，采集一张分辨率为1毫米各向同性的高分辨率T1加权解剖图像。

获取图像后，将该图像的对比度和窗宽水平分别调整至最低和最高极限，以直观检测可能由刺激器设置引起的噪声。在功能成像采集过程中持续进行此项监测。现在，在呈现计算机上启动实验，使其随扫描仪触发信号开始，并启动刺激器以等待该计算机的输出触发信号。

此时，开始进行功能磁共振成像（fMRI）数据采集。在整个fMRI实验过程中保持刺激器开启并连接，以避免刺激器开启与关闭条件下时间信噪比出现差异。同时，监测刺激器显示屏，以确保在实验运行期间电流在预定时间准确输出。

扫描完成后，将内层滤波盒从连接橡胶电极的电缆上拔下。受试者离开扫描仪后，取下电极，使其可自由洗头。该图显示了在中央十字注视期间，16赫兹CZOZTACS电流强度对bold信号影响的测试结果。

显示了统计学显著簇的信号事件相关平均值，随着电流强度的增加，信号效应也随之增强。在此，我们观察到与特定电流强度相关的T分数图，揭示了效应的区域特异性，以及随着电流强度增加，对BOLD活动的影响也逐渐增强。该图展示了在视觉感知任务中测试经颅交流电刺激（TACS）效应频率依赖性的代表性结果。

该示意图展示了实验的时间安排，包括中央注视十字区块之间的视觉呈现和经颅交流电刺激（TACS）时段。TACS条件与频率效应的交互作用图谱及聚类事后检验显示，顶叶皮层存在频率特异性效应，其中10赫兹TACS降低信号，而60赫兹TACS增强信号。这些T分数图谱显示，60赫兹TACS的特异性效应不仅延伸至顶叶皮层之外，还涉及部分枕叶和额叶区域。

一旦掌握，该实验可在短短两小时内完成，具体时长取决于实验设计的持续时间。在实施该操作过程中，尤其重要的是确保刺激器与 MRI 采集时间正确同步。观看本视频后，您应能够充分理解如何开展联合 TACS-fMRI 实验。