基于脑状态的脑刺激：实时脑电图触发的经颅磁刺激

该方法结合脑电图（EEG）和经颅磁刺激（TMS），实现依赖于实时脑状态的脑刺激。该技术能够将TMS脉冲与持续进行的内源性脑振荡的特定相位同步。脑刺激是一种通过将单个TMS脉冲与特定的由EEG定义的脑状态同步来调节大脑的技术。

刺激效果可以进一步优化。目前，标准经颅磁刺激（TMS）已用于治疗中风和抑郁症等神经及精神类疾病。与脑电图（EEG）同步的经颅磁刺激有望通过个性化的刺激方案提升治疗效果。

我们还采用与脑电图同步的经颅磁刺激（TMS）技术，通过比较相同刺激在不同脑状态期间施加时所产生的效应，来研究人类大脑振荡的基本神经生理机制。这些效应可能较为微弱，容易被其他实验变异来源所掩盖。我们发现，采用较低的刺激强度最有利于观察感觉运动节律对皮质脊髓兴奋性的影响。

为了进行闭环实验，通过头皮表面的脑电图（EEG）电位记录大脑活动，这些信号由EEG放大器进行数字化。信号随后传递至EEG主控单元，再传送到实时处理设备，该设备控制刺激器，从而在脑活动的测量与调控之间形成闭环。实时处理设备分析EEG振荡，并在满足预设触发条件时向经颅磁刺激（TMS）刺激器发送触发信号，使短暂的电流脉冲通过置于头部的TMS线圈。

实验过程中，将使用神经导航设备监测线圈在头部的位置。将脑电图（EEG）系统的实时输出连接至实时设备的输入端，并将实时设备的输出连接至经颅磁刺激（TMS）刺激器的触发输入端。在系统中注册受试者，确保所选协议与EEG帽的布局一致，并将相关通道信号发送至实时输出。

在控制实时设备的计算机上，加载用于控制实时设备的软件，并确保实时输入通道与脑电图（EEG）系统的配置相匹配。然后打开经颅磁刺激（TMS）刺激器，并将配置设置为外部触发。为了监测线圈位置，并在单次实验内及多次实验之间实现精确且一致的TMS定位，在为每位受试者开始实验之前，需先将个体的结构磁共振成像（MRI）数据导入导航系统软件中。

然后将线圈定位器连接到刺激线圈上，并对线圈进行校准。系统准备就绪后，为受试者佩戴合适尺寸的脑电图（EEG）帽，并使用卷尺准确定位帽的位置。拨开头发使头皮暴露，使用研磨凝胶对头皮进行预处理。

接下来，在电极上涂抹导电凝胶，并检查脑电图（EEG）电极的阻抗是否低于5千欧姆。用塑料薄膜覆盖EEG帽，并在塑料薄膜上方戴上网状帽，以固定电缆位置，减少脑电图伪迹的变异性。然后使用胶带加固多层结构以提高稳定性，并将反射性头部追踪器用胶带固定在受试者头部，确保整个实验过程中保持稳定。

将表面肌电（EMG）电极贴附于清洁并打磨过的靶肌肉上，并目视检查持续的脑电（EEG）和肌电信号，以识别不良电极。保持双极肌电导线彼此靠近并贴近受试者身体，以减少电源干扰噪声的拾取。然后使用定位工具将头部模型与相应的解剖标志点进行共配准，并精确定位EEG传感器的位置，以实现后续对脑电活动个体源的估计。

为了进行实时 EEG 同步 TMS 实验，首先确定 TMS 刺激运动皮层时能从手部肌肉引出最强运动反应的精确位置。然后在神经导航软件中标记该热点位置及线圈位置。接下来，使用真空枕固定受试者的头部，并通过机械臂将线圈固定在热点位置。

为了确定阈值刺激强度，需逐步调整刺激强度，直至50%的经颅磁刺激（TMS）脉冲引发运动反应。此处刺激强度已设定为阈值强度的110%。为配置实时系统以整合多个脑电图（EEG）通道并提取特定振荡信号，可使用以C3电极为中心的五通道拉普拉斯空间滤波器来提取感觉运动节律。

为了在该振荡的正峰或负峰处触发经颅磁刺激（TMS），每次试验前随机将相位触发条件设置为相位零（phase zero）或相位π（phase pi），然后启动实时设备，并设置序列每两秒循环重复一次。随后运行实验约10分钟，以采集足够数量的试验数据，用于区分特定相位刺激效应。实验过程中，将在神经导航系统上监测线圈位置，同时在脑电图（EEG）系统上监测脑电（EEG）和肌电（EMG）信号。

每种条件下的原始数据、刺激前脑电图以及刺激后肌肉反应也会显示在脑电系统上。实时设备将进行空间滤波以定位目标脑区，并通过带通滤波分离出感兴趣的振荡信号，然后利用自回归前向预测和希尔伯特变换估计其瞬时振幅和相位。随后，该信号将与触发条件进行比较。

如果达到功率阈值并满足相位条件，则触发刺激器。通过显示的在线运行平均值，可以在实验过程中估计相位定位的准确性以及相位对肌肉反应的影响。在这些图中，展示了三种预定义条件下TMS脉冲前400毫秒内的平均刺激前脑电（EEG）信号，以及从右手肌肉记录到的平均诱发运动诱发电位。

综合这些结果表明，微节律的负向脑电图偏转对应于较高的皮层兴奋性状态，与正向脑电图偏转相比，可产生更大的运动诱发电位幅值，且所观察到的皮质脊髓兴奋性效应的被试间变异性较低。我们需要稳定且清晰的脑电图信号。关键在于受试者准备充分，保持放松、舒适，并能够静坐不动。

这是一种即插即用、简便易行的方法，可用于研究大规模皮层连接状态在基于扰动的实验中是否具有因果效应。观察单一局部振荡仅是第一步。我们已利用该技术的发现证明，重复经颅磁刺激（repetitive TMS）可导致持续的感觉运动振荡出现负相峰值，并引发类似长时程增强的可塑性效应。

TMS 是一种安全且无痛的手术。在易感人群中，极少数情况下可能出现癫痫发作，偶尔也可能发生轻度暂时性头痛。