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方案1 装备和设备

相关实验:神经系统磁刺激实验

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材料与仪器

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磁刺激仪的原理是高强瞬态电流流过绝缘线圈,在线圈周围产生快速变化的磁场。该磁场能够在其附近的生物组织中产生感应电流,并且能够使兴奋性细胞去极化,比如神经轴突。商业磁刺激仪的组件产生瞬态(100us~1ms) 高强电流(数千安培)流过线圈,于是得到高达数特斯拉的磁场。在实际应用中,通过面板上旋钮来设定储能电容的充电电量。用手动开关或者通过设备产生的电脉冲触发电容对磁刺激线圈放电。线圈由硬塑料外壳封装,以防止线圈通电时产生的收缩变形,并且起到在被试和仪器间绝缘的作用。

一、标准磁刺激仪和圆形线圈

传统的磁刺激仪的线圈是平板型圆环线圈,直径几个厘米,中间为空。有的用半导体整流器作为储能电容的放电开关,在线圈中产生大电流。由!^半导体整^器是单向导通性,所以得到的电流也是单向的,没有反向电流。假定从线圈上方观察,线圈电流为某个方向(如顺日$针方向),那么在线圈下方的组织中,感应电流与线圈电流在同一相平面但是方向相反,为逆时针方向(图 33-1)。这具有重要的实际应用意义。如果线圈的中心在烦顶上方,感应电流在皮层逆时针流动,趋向于刺激右半运动皮层的神经元,引起左手和左臂的抽搐运动(Dayetal.1990)。如果翻转线圈,线圈中的电流为逆时针方向,那么感应电流是顺时针方向,引起右上肢的肌肉运动。因为线圈位于和手臂肌肉相关的运动皮层上方,所以上肢的肌肉产生反应,下肢的肌肉没有产生运动。
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二、刺激仪的类型

生产磁刺激仪器的公司有好几家(Cadwell, 美国;Dantec, 丹麦;Digitimer, 英国;TheMagStimCo.Ltd, 英国;Nihon-Kohden, 日本),从设计上来说都比较类似,基本工作原理都和上面所描述的 MagStim 刺激仪的工作原理一样。区别之一在于刺激仪 (如 Cadwell) 是产生双向的还是单向的电流脉冲。既然感应电流正比于磁场变化率,而所有的型号磁场变化率都在 100~200ms 量级,那么各个型号间的刺激潜伏期就不会有太大的变化不少文章综述了不同型号刺激仪的运行情况(Cohen et al.1990;Mac-cabee et al1990;Brasil-Neto et aL1992a),从这些研究得到的一般性结论认为皮层受到刺激的位置和范围更取决于线圈形状和方向,而不依赖于刺激仪器的型号。

三、线圈型号

市场上可以看到不同形状的线圈(图 33-1 和图 33-2)。「8」字形双线圈由两个绕组并排组成,每个绕组直径为 7 cm。线圈为平板型,两绕组中线上有一个伸出的手柄,它们都在同一个平面上。两个线圈中的电流方向是同向而不是反向,都朝向中间的士柄_在中间线圈汇聚处,电场场强比任何一个线圈的其他边界处都要大(图 33_D。感应电流在线圈汇聚处达到最大,并且方向为背离手柄的方向。「8」字形线圈的几何特性使其特别有用。改变线圈在颇骨上的方向和位置,同时调整输出的强度,可以使技术员能够更好的选择皮层上的特定目标区域。关于应用「8」字形线圈选择特定刺激点的进一步知识,请参阅 Brasil-Neto 等(1992a),Davey 等(1994) 和 Nakamura 等(1995)。

锥型双线圈设计用于刺激产生腿部肌肉的运动(图;33-2)。它也有两个绕组,连接在一起,但是两个绕组间形成 100°的角。在连接的中点伸出手柄。这种线圈专为刺激运动区的中央沟而设计。手柄使得线圈能够固定在头上,磁场最强的区域就能够触及运动区代表下肢肌肉的皮层运动区。

许多不同的线圈形状也经过尝试,包括试图用于儿科的小直径线圈。一般说来,小线圈产生较弱的磁场,. 能够被激活的神经结构也就更加有限。小线圈并不能提高对目标皮层的聚焦精度,如运动皮层。

四、双磁刺激

神经生理学的一个常见的要求是在同一个位置进行一对脉冲刺激时要简便,即条件测试双刺激模块(MagStim 公司)把两个刺激仪连接到一个线圈上,允许分别对输出进行控制,并且可以对两个刺激仪同时进行时间测定、既然只有一个线圈,那么两个刺激的感应电流朝向必然保持不变。同一位置的双刺激大大促进了有关大脑皮层和脊髓相互影响机制和相互抑制回路的研究。在脊髓手术中,病人对单个脉冲的反应可能会很小或者丧失,并且麻醉使病人无法自主运动,此时,证明双刺激对于皮层诱发运动电位的监控很有武之地。

小技巧:可能会有这样的情况,要求两个刺激线圈在头皮上不同的位置进行刺激。假定有足够的空间在既定位置放置线圈,并且可以根据需要调整线圈方向,那么线圈可以由两个不同的刺激仪器驱动,并且用适合的外部计时装置触发刺激仪。但是,如果条件测试间隔降低为零,也就是说两个刺激仪同时放电的话,会出现一个问题:如果线圈靠得太近,它们各自产生的磁场就会相互影响,导致刺激皮层回路的功率大大降低,产生神经抑制或者去易化的假象。一般,把放电间隔设为 1 毫秒就足够避免这种情况的出现 (Ellawayetal.1998) 。

五、重复刺激仪

传统的磁刺激仪能够产生连续刺激的速率取决于输出的幅度。输出的典型值可以设为最大输出(100%) 的 1% 增量。低设置时,连续刺激的最小间隔为 1~2S 数量级。

这个限制主要来源于电容每次输出功率后,都需要时间充电。在实际应用中,以足够刺激运动皮层的强度输出,最大速率为一次刺激 2~3s。以最大功率输出时,恐怕只能达到一次刺激 5~6s。

显然,很多脑功能基于神经元的连续发放。尽管,单次磁刺激弓丨发的大脑和脊髓的输出信号,可能由最初的直接共同发放(D 波)和随后的多种非直接成分(][波)构成,但是,这些波的持续时间很短(EdgleyetaL1990),小于 l 〇 ms。没有证据表明单次刺激在神经系统内产生更长的连续发放。研究中枢神经系统的功能,需要高速率的磁刺激仪。如今的高速刺激仪能够达到 10?100 Hz,但是一次只能工作几秒钟。快速磁刺激直接应用于临床、认知和行为研究等领域,如对精神分裂症、强迫症和语言能力的研究。

六、安全问题

磁刺激是无损伤的,比电刺激优越,不用在皮肤上贴电极,因此受试者不存在被烧伤的可能,也不会有被电击的危险。但是,还是需要考虑磁刺激存在的两种安全问题。

首先是在操作磁刺激仪器过程中可能发生的危险,可以通过预防措施来避免这些危险。刺激运动皮层,可能会产生被试意想不到的肌肉收缩,被试必须坐着或者有支撑物支撑。必须保证被试的手或者肢体不会因为肌肉运动而遭致损伤。任何显露在瞬态磁场下的铁磁体都可能损伤被试的肌体。故此,实验前所有的金属衣饰、珠宝、信用卡和充值卡等都必须拿走!做过手术』体内有永久性金属植入器官或者是外科手术夹的被试或者病人,不应该做磁刺激。虽然保持被试头部的静止以避免头部相对线圈的运动的做法有一定优势,但是因为如果被试发生昏厥其危险性将大大增加,所以不建议以任何形式固定被试的头。事实上被试发生昏厥时,如果头部被固定,则可能延长被试的脑缺氧时间。

另外,如果用于刺激胸部或者腹部,现有商用刺激仪的输出功率不足以引起心脏搏动异常,所以不用预防。

其次是磁刺激的长期影响。一些研究揭示了显露在各种磁场中的后果,如头顶上的高压线产生磁场的效果。Jalinous(1994) 的计算结果表明,磁刺激产生的电场和电流密度的最大值,等于表面电刺激产生的电场和电流密度最大值,目前还不知道有什么有害的影响。参照英国的规定,用于磁共振成像的静态磁场为 2.5T,这和磁刺激仪产生的最大磁场强度(2.OT 数量级)相当,故磁刺激仪产生的磁场看来危害不大,更何况它是暂态的。刺激仪放电时会发出尖锐咔哒声,这主要是因为通电时线圈在塑料封装壳内产生膨胀所致。动物实验表明在耳朵附近连续使用,会导致动物的听力受损。Barker 和 Stevens(1991) 测量了一个型号为 Magstim200 刺激仪发出的声音,用 9 cm 的圆形线圈全功率运行,发现在离线圈 50_的地方,声音为 117dB,这个数值在英国规定的范围之内。据 1989 制定的劳动法规中有关噪声的条款规定一天之内不能多于 4000 次刺激。

实际使用中,绝大多数应用都不会使用那么高的输出功率,刺激量也远远小于 4000 次/天。

有必要考虑磁刺激是否可诱发癫痼。因为在某个特定位置,瞬态磁刺激似乎能够使神经同步兴奋,可能成为癫痼的发病病灶。瞬态磁刺激的应用已经有 14 年,上千名被试参加了上百个研究,还没有发生癫痼的报告。但必须考虑到,易于得癫痼的被试容易受到磁刺激的影响而发病(HombergandNetz1989),当然,这项研究并没有全面评估连续快速磁刺激的危险。对意图用癫痼病人做磁刺激的研究人员,建议参阅有关文献中的观点。

来源:丁香实验

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