经颅磁刺激中反应电流频率和强度的研究

经颅磁刺激中反应电流频率和强度的研究

1985年，barka等人将平面线圈置于正常运动区域的头皮上，观察到手的肌肉变化，并通过表面电极将微囊表面的运动皮肤（meps）探测到异常的电位，导致巨大的扰动。这种方法后来被称为髓磁刺激（ts）。由于电刺激的缺点，颅骨中的mri是透明的。mts可以无痛地刺激大脑和神经。它很快成为一种用来研究脑瘫生理和病理的方法。在神经科学中,情绪被认为是神经系统活动的结果和表现.情绪比一般认知活动更为复杂,更多地涉及社会环境与文化.通过探讨情绪活动在脑内较为精确的动态电活动过程和较为粗略的激活部位,能使人类通过外部的刺激诱导出希望的某种情绪,达到情绪的自我调节.人在日常学习与工作中,随着环境条件的改变会产生相应不同的情绪.人们总是希望在学习与工作中避免出现疲劳与焦虑,当人处于疲劳与焦虑的状况下,如果能适当提高愉快程度对人是有益的.这种良好的状态对人的学习与工作是非常有利的,同时对改善与维持人体的健康有益.有这样的因果关系:如果时常处于愉快状态,则能提高人身体的活性.愉快对机体的作用效果是通过活化新陈代谢,增强免疫力,延缓衰老,保持青春,即所谓的愉快效应.笔者将具体探讨拉德斯基进行曲(15位被试者共同认为该进行曲可产生愉快感觉)引起人脑脑电波(electroencephalograph,EEG)波形变化;并确定EEG波形功率谱的特征,找出人愉快状态的脑波特征频率,通过专门的ASA源分析软件分析并确定愉快时的脑内兴奋区的部位;然后对该部位施加人愉快状态的脑波特征频率的经颅磁刺激来提高人的愉快程度.1人体幸福状态下的eeg特征频率和大脑定位1.1eeg数据的采集实验选择了15位健康的在学研究生(9男、6女)作为受试者,年龄为22～27岁.所有受试者全部身体健康.在上午9点进行实验,受试者首先在安静闭目的情况下采集5minEEG数据;间隔5min后,听拉德斯基进行曲5min并采集EEG数据;停止音乐继续采集EEG数据5min.采集EEG数据期间都采用闭目静坐方式,克服了外界声光刺激对脑波的干扰.从而得到干净的EEG波形,减少了脑内敏感区域定位的误差.1.2电磁屏蔽测试实验仪器采用奥地利EMSPHONENIX公司生产的128导联数字脑电记录仪.电极的放置采用国际10/20系统标准,如图1所示,同时记录19导电极EEG数据以及眼电(electro-oculogram,EOG)数据.电极采用Ag/AgCl电极,以右耳垂(A2)为参考电极.脑电采样频率256Hz,滤波通带为0.05～70Hz.电极阻抗小于5kW.受试者在一个电磁屏蔽良好、隔音良好的房间内进行实验,房间内的背景噪声约为31dB,背景光照为2cd/m2.受试者舒适地坐在扶手椅上,音乐由电脑播放,采用爱国者2.1音箱,播放音量60dB,这些参数是通过对受试者进行播放测试后认为最理想的条件.采样间隔如图2所示.1.3听音乐过程中低频成分与听音乐过程比较图3是在听音乐之前安静状态记录的EEG信号的功率谱波形,其中10Hz左右的低频成分占主导地位,高频成分很少,听拉德斯基进行曲过程中的EEG信号中各点的频率成分向高频区域扩散,在20Hz与40Hz之间有非常明显的波形,特别是在32Hz处出现明显的波峰,其中T5、P3、Pz、P4和T6(靠近枕部)各点的波峰高度都在0.3～0.5mV左右,其他各点的高度也在0.2mV左右(如图4).停止音乐继续采集EEG信号(如图5),发现高频成分与听音乐过程比较减小了很多,但10Hz左右的低频成分与安静状态比较也降低了,说明人的清醒程度提高.同时在25Hz处出现一个小的波峰.高度在0.1～0.2mV之间,说明听音乐后愉快程度提高(低频成分减少,且在高频处出现波峰,说明清醒程度提高,而且有一定的愉快程度).1.4偶极子定位.由于愉快是一个复杂的过程,其EEG波形只是愉快状态下脑内电活动的外在表现,ASA源分析软件专门用于对各种脑内电活动发生区域进行偶极子定位,它把利用核磁共振所成的人头部三维图像作为头模型存储在软件中,再通过数字脑电系统记录的EEG信号进行运算,计算出某种脑内电活动的发生源区域.通过对愉快的发生区域进行定位,发现愉快的发生区域集中在脑桥腹侧正中下部的区域.如图6所示,显示了愉快发生时愉快源区所在的脑内空间位置.该图依次给出了冠状面,水平面和矢状面的解剖位置图.其中黑色圆圈圈出的区域就是愉快源区所在位置.2磁刺激器的设计2.1睡眠模式设计脑部磁刺激仪的刺激部分由5个线圈组成阵列(集中在枕部),各线圈大小一致(直径20mm,高20mm),利用弹性支撑放置于一个半径为80mm的球形头罩内侧.头罩的支架高度可以调节,用于适应受试者的不同身高要求.头罩内各线圈之间间隔一致,并尽量紧密地排列在一起,其摆放位置根据人头部的空间映像,覆盖了枕部的兴奋源所在位置.这样的设计可将线圈的位置控制精细化和完整化,有利于根据实际研究需要,精确地进行控制.大脑的神经系统可以由外部的时变磁场加以无创的刺激.目前,磁刺激技术已经得到了快速的发展,广泛应用于脑功能检查、脑功能调整等研究和诊断领域.每个线圈的驱动电路相同,如图7所示.采用枕部5个线圈组成阵列磁场(1个在中间,其他4个在四周)联合刺激的实验方案,每个线圈内径5mm,外径20mm,厚度20mm.使用线径0.58mm的漆包线,共绕324匝,电容充电最高282V.当5个线圈共同工作时,5个线圈的轴心方向场强分布(理论值)如表1所示,通过特斯拉计对轴心处的场强测试与理论值的误差在60/0以内.3加外部磁刺激后的整体采样效果对实验中的15位受试者每人进行2组EEG数据的采集.实验在上午9点进行,实验前的夜里只睡4h使受试者有困倦的感觉,施加磁刺激后立即采集EEG数据,并结合受试者自述其自身的感受.采集EEG数据期间都采用闭目静坐方式,克服了外界声光刺激对脑波的干扰,从而得到干净的EEG波形.图8为对照组,即在闭目静坐的状态下采集数据作为参考,受试者自述在没有外加磁刺激时闭目静坐采样后都有困倦的感觉.图9为实验组,在O1和O2之间的中心位置(枕部)施加32Hz的连续脉冲磁场刺激5min.受试者自述在有外界磁刺激后,闭目静坐采样后清醒程度提高且有愉快的感觉.实验数据用x¯±sx¯±s表示(x¯(x¯为均值,s为均方差),对所有数据进行统计处理并进行t检验,如表2所示.由表2可见,加单一频率磁场刺激后(实验组),19导EEG信号中出现15Hz和20Hz以上频率成分的点数显著增加(P<0.05),出现25Hz以上及32Hz频率成分的点数非常显著的增加(P<0.01).4脉冲磁场对强化脑电da、强化前脑中神经元放电的影响文献中的研究结果表明,人和某些动物(如猫、鼠、兔)处于睡、醒、警觉和注意力集中时,脑中神经元放电方式是不同的,反映在EEG上也有不同的标准波形特征.对猫、鼠不同精神状态时中缝背核及兰斑核神经元在体细胞外的记录表明,从睡眠转为觉醒以及注意力集中时5羟色胺(5-HT)、去甲肾上腺素(noradrenaline,NE)、多巴胺(dopamine,DA)等神经元的放电活动明显增强,在脑电波上反映为β节律成分增加,而警惕性降低时,脑干、下丘脑和基底前脑的5-HT、NE、DA等神经元的放电速率下降,导致丘脑中这些神经递质的作用减弱,脑电波上反映为α节律成分增加.根据该理论,电磁场对人脑电节律产生影响是通过对Ca2+内流及神经递质释放量的影响而起作用的.当一定条件的电磁场作用使Ca2+通道的通透性增强,5-HT、NE和DA等神经递质释放量增加.因此,电磁场对人脑电的影响是由于电磁场改变了脑中神经元放电方式所造成的结果.第1部分实验的目的是确定人愉快状态的频率特征,以及愉快时的脑内源区位置.第2部分实验是以第1部分实验得到的特征频率作为经颅磁刺激的频率对愉快时的脑内源区位置进行经颅磁刺激.实验结果说明,低频脉冲磁场确能耦合入人脑影响脑电活动,提高愉快程度.还可以看到实验组中的32Hz频率的磁刺激后,19导EEG信号中出现20Hz和25Hz以上以及32Hz