功能磁共振和脑电神经成像技术与大脑刺激相结合的研究进展

随着对神经机制问题阐述水平的迅速提高,所应用的神经成像技术、方法及各种工具的复杂程度也在不断提高．一方面是神经成像技术本身的不断发展,另一方面则是大脑直接刺激与神经成像技术同步记录方法的发展．经颅磁刺激-功能磁共振成像同步技术(TMS-fMRI)和经颅磁刺激-脑电技术(TMS-EEG)能为研究大脑网络的功能和有效连通性提供技术手段,该技术在多种认知领域的发展和应用,为神经科学、认知心理学、神经信息学等学科的研究者对人脑的研究开启了多条通道,更加有利于深入地理解人类大脑的工作机制．     

新型深部脑刺激模式的开发及研究进展

深部脑刺激(deep brain stimulation,DBS)已成为治疗帕金森病等运动障碍疾病的常规方法之一,并且在许多其他神经和精神疾病的治疗中也具有良好的应用前景.但是,目前常规DBS采用单通道恒定脉冲间隔的高频刺激(high frequency stimulation,HFS),刺激模式缺少多样化,限制了DBS在临床上的推广应用.为了开发更多DBS刺激模式,用于改善疗效、拓展应用范围、并节省刺激器的电能,近年来研究人员基于去同步调控机制,在脉冲序列的时间模式和空间排布两方面开发了DBS新模式.主要包括:变频序列(包括规则变频和随机变频)、不同空间位点上的多通道异步刺激以及变频和多通道两者的结合.这些新刺激模式能够提高DBS的临床疗效、降低刺激能耗,在帕金森病以及癫痫、强迫症和微意识障碍等其他脑疾病的治疗中都展现了良好的应用前景.更值得关注的是,多通道异步刺激不仅在刺激期间具有更好的即时疗效,而且刺激结束后还能长时间保持疗效,具有刺激后效应.这个特性突破了常规DBS主要为即时效应的局限性,展现了DBS新前景.本文在概述常规DBS模式及其去同步调控机制的基础上,综述变频脉冲刺激和多通道刺激等新型DBS模式,可以为促进DBS的发展提供有价值的信息.     

时域相干刺激研究进展

脑深部电刺激已成为许多神经和精神疾病的有效治疗方法。然而,侵入性的电极植入会带来手术并发症的风险,并且刺激靶区在植入后很难改变。经颅磁刺激和经颅电刺激等非侵入性刺激方法为调节大脑功能提供了新的途径。但是,尚未证明这些非侵入性脑刺激方法可以直接调节脑深部神经元活动而不影响皮层神经元。因此,这些方法主要用于调节大脑表层脑区的神经活动。时域相干（temporal interference,TI）刺激是通过两个高频电场相互作用,产生低频包络调节神经活动的一种非侵入式脑深部电刺激的新方法,该方法有望解决无创脑深部刺激的需求。本文首先介绍TI刺激的概念以及安全性,然后阐述TI刺激现有研究中的电场分析方法,并讨论电场分析相关的生理模型建模方法和仿真平台以及TI刺激诱发场分布的研究进展与在动物和人体中的应用进展。最后,本文展望了TI刺激技术未来发展方向,以期为无创脑深部刺激研究提供新的研究思路。     

综述: 无创穿颅电刺激对人脑神经活动和认知功能的调控

穿颅电刺激被认为可以无创调节大脑的神经活动,为研究特定脑区与某一认知功能间的因果关系提供了可能.近些年,对穿颅电刺激作用机制和其对认知、运动功能调控的研究方面取得了很多重要进展.在这篇综述中,我们总结了以往关于穿颅直流电刺激、穿颅交流电刺激和穿颅随机噪声电刺激三种刺激方式的发展历史及其作用机制,同时总结了其对感知觉(主要是视觉知觉)、注意和记忆等认知功能的调控,并对未来的研究方向进行了展望.     

创伤后应激障碍的经颅磁刺激研究进展

创伤后应激障碍会损伤记忆、注意和执行等认知功能,引起异常的脑活动及脑区间功能连接.尽管药物治疗和心理干预能够取得一定的治疗效果,但存在药物副作用和起效延迟等问题.经颅磁刺激作为新的创伤后应激障碍干预手段受到越来越多的关注.本文通过综述经颅磁刺激干预创伤后应激障碍以及调控认知功能和脑活动的相关研究,系统探讨了创伤后应激障碍干预中经颅磁刺激模式、刺激靶点和疗效评估等问题,并提出未来借助更有效的技术手段进行定位、建立全面有效的评估体系和结合新的记忆理论探索具有长期临床改善效果的干预方案.     

高时空分辨的脑功能光学成像研究进展

脑功能成像技术对深入分析脑的信息加工过程,揭示脑的高级功能至关重要,是目前国际研究热点,已经在神经科学研究和神经系统疾病的临床诊断方面取得了很大的进展.已有脑功能成像技术如:功能磁共振成像(fMRI)、正电子断层成像(PET)、脑电图(EEG)、脑磁图(MEG)等等,虽然已被成功用于脑功能研究,但是目前这些方法也存在着时间或空间分辨率不够的局限.比较而言,光学成像方法表现出其独特魅力.激光散斑衬比成像和内源信号光学成像由于能提供空间取样、时间分辨率及空间分辨率三者的最佳组合和不需加入外源性标记物等特点,与其他脑功能成像技术相比其优势可能更为突出.具有较高的时间和空间分辨率的这两种脑功能光学成像技术及其应用都取得了重大发展,成为研究脑皮层功能构筑和脑病理生理的有力工具.但是目前这两种成像方法也面临着一些挑战.     

太赫兹刺激听神经的测试平台搭建

目的 近年来，用于脑功能调控的神经调控技术蓬勃发展，很多方法已在临床上被推广应用，主要包括电极深部脑刺激、经颅磁刺激、光遗传技术、超声深脑刺激等。但是这些调控技术存在刺激靶点改变灵活性差、空间分辨率不足、需要注射病毒转染等问题。与这些技术相比，太赫兹波调控则能以较高的时空分辨率、无需引入外源基因的方式对神经活动进行干预。激光神经刺激是一种具有较明确靶向性的刺激方法，可以通过调整不同激光参数（激光波长、脉冲能量等）控制引起神经兴奋或者抑制。但是由于该研究方向的实验手段和实验平台的缺乏，相关研究开展较少。方法 针对这个问题，从听觉神经入手，在分子、细胞和在体不同层面为相关领域的研究搭建了不同的测试平台。结果 实验结果表明，这些系统在时间和空间上具有良好的耦合性和靶向性，测得的信号受噪音干扰小。结论 这些系统可以有效测试神经系统对太赫兹刺激的响应并精确控制刺激时间和位置。     

神经调控技术在阿尔茨海默病认知障碍研究中的应用

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）是发生于老年和老年前期的中枢神经系统退行性疾病，其临床主要表现为进行性认知障碍。目前针对AD尚无有效的治疗方法，药物治疗只能延缓其病情进展，治疗效果有限，且常伴随副作用。近些年，神经调控作为一种可以靶向刺激调节目标脑区活动的方法受到广泛关注，逐渐被应用于AD的治疗和研究，包括无创的经颅磁刺激、电刺激以及有创的脑深部电刺激、光遗传刺激等。本文从作用效果、作用机制、刺激脑区、刺激参数等方面对这四种典型的神经调控方法在AD的应用研究现状进行综述，为今后神经调控应用于临床治疗AD提供新思路。     

深部脑刺激作用机制的探讨

深部脑刺激器（deep brain stimulator）,也经常被称为脑起搏器,是可植入人体设备,并连续不断地传送刺激脉冲到深部脑组织的特定区域,即所谓的深部脑刺激（deep brain stimulation,DBS）.迄今为止,深部脑刺激是治疗严重顽固抗药性运动障碍疾病（如帕金森病,原发性震颤及肌张力异常等）的最有效的外科治疗手段之一.此外,广大的科研工作者也不断地探索应用DBS治疗其他神经及精神异常（如,癫痫和强迫症）的新的临床应用.尽管应用DBS治疗运动障碍非常有效,并也迅速被探索性地应用到其他神经障碍治疗中,但其作用机制仍然不是十分清楚,成为学者们争论的热点.DBS治疗效果的作用机制通常有两种基本的观点：高频刺激抑制学说及高频刺激兴奋学说.基于最近发表的关于中枢神经系统内的高频刺激效应的资料、数据及相关评论,两种机制共存并发挥作用的DBS作用假说被提出,认为DBS通过施加高频刺激干扰并控制了核团病理性紊乱随机活动,同时施加兴奋性刺激到其他基底节的网络,以实现对帕金森病的治疗.     

无创穿颅电刺激对人脑神经活动和认知功能的调控

穿颅电刺激被认为可以无创调节大脑的神经活动,为研究特定脑区与某一认知功能间的因果关系提供了可能.近些年,对穿颅电刺激作用机制和其对认知、运动功能调控的研究方面取得了很多重要进展.在这篇综述中,我们总结了以往关于穿颅直流电刺激、穿颅交流电刺激和穿颅随机噪声电刺激三种刺激方式的发展历史及其作用机制,同时总结了其对感知觉(主要是视觉知觉)、注意和记忆等认知功能的调控,并对未来的研究方向进行了展望.     

Noninvasive brain stimulation with transcranial magnetic or direct current stimulation (TMS/tDCS)—From insights into human memory to therapy of its dysfunction

Noninvasive stimulation of the brain by means of transcranial magnetic stimulation (TMS) or transcranial direct current stimulation (tDCS) has driven important discoveries in the field of human memory functions. Stand-alone or in combination with other brain mapping techniques noninvasive brain stimulation can assess issues such as location and timing of brain activity, connectivity and plasticity of neural circuits and functional relevance of a circumscribed brain area to a given cognitive task. In this emerging field, major advances in technology have been made in a relatively short period. New stimulation protocols and, especially, the progress in the application of tDCS have made it possible to obtain longer and much clearer inhibitory or facilitatory effects even after the stimulation has ceased. In this introductory review, we outline the basic principles, discuss technical limitations and describe how noninvasive brain stimulation can be used to study human memory functions in vivo. Though improvement of cognitive functions through noninvasive brain stimulation is promising, it still remains an exciting challenge to extend the use of TMS and tDCS from research tools in neuroscience to the treatment of neurological and psychiatric patients.     

Noninvasive brain stimulation with transcranial magnetic or direct current stimulation (TMS/tDCS)-From insights into human memory to therapy of its dysfunction

Noninvasive stimulation of the brain by means of transcranial magnetic stimulation (TMS) or transcranial direct current stimulation (tDCS) has driven important discoveries in the field of human memory functions. Stand-alone or in combination with other brain mapping techniques noninvasive brain stimulation can assess issues such as location and timing of brain activity, connectivity and plasticity of neural circuits and functional relevance of a circumscribed brain area to a given cognitive task. In this emerging field, major advances in technology have been made in a relatively short period. New stimulation protocols and, especially, the progress in the application of tDCS have made it possible to obtain longer and much clearer inhibitory or facilitatory effects even after the stimulation has ceased. In this introductory review, we outline the basic principles, discuss technical limitations and describe how noninvasive brain stimulation can be used to study human memory functions in vivo. Though improvement of cognitive functions through noninvasive brain stimulation is promising, it still remains an exciting challenge to extend the use of TMS and tDCS from research tools in neuroscience to the treatment of neurological and psychiatric patients.     

Non-Invasive Electrical Brain Stimulation Montages for Modulation of Human Motor Function

Non-invasive electrical brain stimulation (NEBS) is used to modulate brain function and behavior, both for research and clinical purposes. In particular, NEBS can be applied transcranially either as direct current stimulation (tDCS) or alternating current stimulation (tACS). These stimulation types exert time-, dose- and in the case of tDCS polarity-specific effects on motor function and skill learning in healthy subjects. Lately, tDCS has been used to augment the therapy of motor disabilities in patients with stroke or movement disorders. This article provides a step-by-step protocol for targeting the primary motor cortex with tDCS and transcranial random noise stimulation (tRNS), a specific form of tACS using an electrical current applied randomly within a pre-defined frequency range. The setup of two different stimulation montages is explained. In both montages the emitting electrode (the anode for tDCS) is placed on the primary motor cortex of interest. For unilateral motor cortex stimulation the receiving electrode is placed on the contralateral forehead while for bilateral motor cortex stimulation the receiving electrode is placed on the opposite primary motor cortex. The advantages and disadvantages of each montage for the modulation of cortical excitability and motor function including learning are discussed, as well as safety, tolerability and blinding aspects.     

Ultrasonic neuromodulation by brain stimulation with transcranial ultrasound

Brain stimulation methods are indispensable to the study of brain function. They have also proven effective for treating some neurological disorders. Historically used for medical imaging, ultrasound (US) has recently been shown to be capable of noninvasively stimulating brain activity. Here we provide a general protocol for the stimulation of intact mouse brain circuits using transcranial US, and, using a traditional mouse model of epilepsy, we describe how to use transcranial US to disrupt electrographic seizure activity. The advantages of US for brain stimulation are that it does not necessitate surgery or genetic alteration, but it confers spatial resolutions superior to other noninvasive methods such as transcranial magnetic stimulation. With a basic working knowledge of electrophysiology, and after an initial setup, ultrasonic neuromodulation (UNMOD) can be implemented in less than 1 h. Using the general protocol that we describe, UNMOD can be readily adapted to support a broad range of studies on brain circuit function and dysfunction.     

节律性听觉刺激下的神经振荡同步化及其应用

大脑的感觉、情绪、认知等功能与其神经振荡模式有密切的联系。通过施加节律性刺激可以调控大脑的神经振荡模式,进而影响个体感受、情绪状态和认知功能等。与近年来常见的非侵入性电刺激和磁刺激相比,同样依赖于外部刺激输入的节律性感觉刺激具有成本低、易操作等优点,被认为是一种极具潜力的神经调控手段。本文以节律性听觉刺激为例,系统综述了不同类型的节律性听觉刺激如何影响大脑的神经振荡模式,进而影响相关状态和功能;并通过总结外部节律性听觉刺激对个体感知觉、情绪与认知功能的影响,讨论其生理机制和应用前景。     

Transcranial magnetic stimulation and cognitive neuroscience

Transcranial magnetic stimulation has been used to investigate almost all areas of cognitive neuroscience. This article discusses the most important (and least understood) considerations regarding the use of transcranial magnetic stimulation for cognitive neuroscience and outlines advances in the use of this technique for the replication and extension of findings from neuropsychology. We also take a more speculative look forward to the emerging development of strategies for combining transcranial magnetic stimulation with other brain imaging technologies and methods in the cognitive neurosciences.