生物電磁學(xué)為人類神經(jīng)科學(xué)貢獻(xiàn)了一些最常用的技術(shù)，如腦磁圖（magnetoencephalography, MEG），腦電圖（electroencephalography, EEG），經(jīng)顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS）和經(jīng)顱電刺激（transcranial electric stimulation, TES）。它們?cè)诩夹g(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)際用途方面的巨大差異給人的印象是，這些是完全不同的技術(shù)。在這里，我們回顧，討論和說(shuō)明亥姆霍茲互惠性（Helmholtz reciprocity）的基本原則，該原則為所有四種技術(shù)提供了共同點(diǎn)。我們表明，在亥姆霍茲于1853年發(fā)現(xiàn)互惠性150多年后，互易性對(duì)于理解這四種經(jīng)典工具在神經(jīng)科學(xué)中的優(yōu)勢(shì)和局限性非常重要。我們通過(guò)解釋亥姆霍茲互惠性的概念來(lái)構(gòu)建這個(gè)案例，為所有四種方法提供這一原理的方法論解釋，最后，通過(guò)臨床研究說(shuō)明它在實(shí)際中的應(yīng)用。本文發(fā)表在The Neuroscientist雜志。(可添加微信號(hào)siyingyxf或18983979082獲取原文，另思影提供免費(fèi)文獻(xiàn)下載服務(wù)，如需要也可添加此微信號(hào)入群，原文也會(huì)在群里發(fā)布)。
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使用自適應(yīng)閉環(huán)刺激打破與人腦互動(dòng)的界限
經(jīng)顱交流電刺激(tACS)：使大腦節(jié)律同步以提高認(rèn)知能力
神經(jīng)刺激對(duì)腦功能和認(rèn)知的狀態(tài)依賴效應(yīng)
AJP：rTMS急性神經(jīng)可塑性對(duì)抑郁癥治療結(jié)果的預(yù)測(cè)價(jià)值
AJP：斯坦福加速智能神經(jīng)調(diào)控療法治療難治性抑郁癥
邁向阿爾茨海默病的無(wú)創(chuàng)腦刺激2.0時(shí)代
經(jīng)顱電刺激促進(jìn)睡眠振蕩及其功能耦合增強(qiáng)輕度認(rèn)知障礙患者的記憶鞏固
Trends in Neurosciences：通過(guò)腦振蕩的夾帶調(diào)節(jié)人類記憶
多療程40Hz tACS對(duì)阿爾茨海默病患者海馬灌注的影響
經(jīng)顱磁刺激治療老年抑郁癥
相位相關(guān)TMS對(duì)腦電皮層運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的影響
Biological
Psychiatry：解析電休克療法的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制
前庭電刺激（GVS）的數(shù)據(jù)分析及在神經(jīng)康復(fù)中的應(yīng)用
通過(guò)腦電圖/腦磁圖觀察到的大腦活動(dòng)來(lái)指導(dǎo)經(jīng)顱腦刺激
Trends
in Neurosciences：基于信息的無(wú)創(chuàng)經(jīng)顱腦刺激方法
從組水平到個(gè)體水平的精神分裂癥譜系障礙無(wú)創(chuàng)腦刺激
PNAS：大腦區(qū)域間耦合的增加和減少會(huì)相應(yīng)增加和減少人類大腦中的振蕩活動(dòng) Theta-burst經(jīng)顱磁刺激治療創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙
亞屬連接預(yù)測(cè)經(jīng)顱磁刺激位點(diǎn)抗抑郁療效
TDCS刺激強(qiáng)度對(duì)健康受試者工作記憶的影響
睡眠、無(wú)創(chuàng)腦刺激和老化的大腦研究
Nature Medicine：經(jīng)顱交流電刺激可以改善強(qiáng)迫癥
經(jīng)顱電刺激對(duì)生理和病理衰老過(guò)程中情景記憶的影響
The
Neuroscientist：整合TMS、EEG和MRI——研究大腦連接性
皮質(zhì)成對(duì)關(guān)聯(lián)刺激決策反應(yīng)抑制：皮質(zhì)-皮質(zhì)間和皮質(zhì)-皮質(zhì)下網(wǎng)絡(luò)
我們是如何感知行動(dòng)的影響的？—關(guān)于中介感的任務(wù)態(tài)fMRI研究
使用刺激設(shè)備在神經(jīng)回路調(diào)控層面對(duì)精神疾病進(jìn)行治療
AJP：基于環(huán)路神經(jīng)調(diào)節(jié)的癥狀特異性治療靶點(diǎn)
TMS-EEG研究：大腦反應(yīng)為卒中后的運(yùn)動(dòng)恢復(fù)提供個(gè)體化數(shù)據(jù)
皮質(zhì)運(yùn)動(dòng)興奮性不受中央?yún)^(qū)mu節(jié)律相位的調(diào)節(jié)
TMS–EEG聯(lián)合分析在人類大腦皮層連接組探索中的貢獻(xiàn)
人類連接體的個(gè)體化擾動(dòng)揭示了與認(rèn)知相關(guān)的可復(fù)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)生物標(biāo)記物
重復(fù)經(jīng)顱磁刺激產(chǎn)生抗抑郁效果的基礎(chǔ)：全腦功能連接與與局部興奮度變化
實(shí)時(shí)EEG觸發(fā)的TMS對(duì)抑郁癥患者左背外側(cè)前額葉皮層進(jìn)行腦振蕩同步刺激
經(jīng)顱直流電刺激對(duì)雙相情感障礙患者獎(jiǎng)賞回路的影響
運(yùn)動(dòng)皮層同步對(duì)先兆亨廷頓病患者運(yùn)動(dòng)功能節(jié)律性
Nature子刊：卒中的可塑性調(diào)控:一種新的神經(jīng)功能恢復(fù)模型
對(duì)PTSD和MDD共病患者的TMS臨床治療反應(yīng)的腦網(wǎng)絡(luò)機(jī)制的探索
創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙（PTSD）的功能連接神經(jīng)生物標(biāo)記
MDD患者rTMS治療與亞屬扣帶回（SGC）亢進(jìn)的關(guān)系
精神分裂癥在感覺(jué)運(yùn)動(dòng)控制，皮層興奮性中缺損的注意調(diào)控
AJP:經(jīng)顱磁結(jié)合腦網(wǎng)絡(luò)研究：精神分裂癥的小腦-前額葉網(wǎng)絡(luò)連接
經(jīng)顱交流電刺激（tACS）有助于老年人工作記憶的恢復(fù)
Biological Psychiatry: 經(jīng)顱磁刺激前額皮層增強(qiáng)人類恐懼記憶的消退
JAMA
Psychiatry：經(jīng)顱直流電刺激背外側(cè)前額葉減少特質(zhì)焦慮對(duì)威脅刺激的反應(yīng)
tACS結(jié)合EEG研究:創(chuàng)造力的神經(jīng)機(jī)制
AJP:使用ASL灌注導(dǎo)向的經(jīng)顱磁刺激治療強(qiáng)迫癥
NEJM:Waving
Hello to Noninvasive Deep-Brain Stimulation
Biological
Psychiatry: 利用腦成像改善經(jīng)顱磁刺激治
θ短陣快速脈沖刺激治療青年抑郁癥的神經(jīng)機(jī)制
1. 引言
為了研究人腦，科學(xué)家通常依靠生物電磁學(xué)的非侵入性方法，如腦磁圖（magnetoencephalography, MEG）和腦電圖（electroencephalography, EEG）以及經(jīng)顱腦刺激技術(shù)。MEG與EEG密切相關(guān)，兩者都能夠以毫秒級(jí)的高時(shí)間分辨率對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)進(jìn)行無(wú)創(chuàng)，多通道測(cè)量。因此，它們非常適合研究大腦動(dòng)力學(xué)。先前的綜述提供了對(duì)MEG和EEG及其應(yīng)用的全面介紹和概述。同樣，已經(jīng)發(fā)布了MEG和EEG信號(hào)分析指南以及此類分析的結(jié)果，這里將不涵蓋。相反，我們希望關(guān)注一個(gè)迄今為止受到較少關(guān)注的話題——即MEG / EEG與通過(guò)經(jīng)顱電（transcranial electric stimulation, TES）或磁（transcranial magnetic stimulation, TMS）刺激進(jìn)行神經(jīng)刺激之間的理論和實(shí)踐關(guān)系。 從理論上講，這兩套技術(shù)都通過(guò)亥姆霍茲互惠定理從根本上聯(lián)系在一起，我們將在下面更詳細(xì)地描述該定理。通過(guò)考慮這個(gè)定理，我們將看到MEG / EEG一方面和TMS / TES是同一枚硬幣的不同方面，因?yàn)樗鼈兪芟嗤奈锢碓砜刂啤?/span>實(shí)際上，作為臨床或認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家手中的工具，這種密切的關(guān)系通過(guò)它們的互補(bǔ)作用變得清晰起來(lái)：MEG / EEG允許記錄神經(jīng)活動(dòng)，而TMS / TES允許操縱神經(jīng)活動(dòng)。在各自的角色中，所有這些技術(shù)最終都基于相同的物理定律 - 麥克斯韋方程組。
在以下各節(jié)中，我們將從理論原理到實(shí)際含義，列出MEG / EEG和TMS / TES之間的密切關(guān)系。我們將從對(duì)這些方法的簡(jiǎn)短介紹開(kāi)始，然后描述它們對(duì)正向和逆向建模的密切關(guān)系的重要性（參見(jiàn)方框1了解這些術(shù)語(yǔ)的定義），最后討論它們?cè)诨菊J(rèn)知和臨床應(yīng)用中協(xié)同使用的實(shí)際例子。
方框1
亥姆霍茲互惠
MEG
/ EEG和TMS / TES之間親密關(guān)系的核心可追溯到亥姆霍茲的互惠定理。雖然它基于基本物理定律，并且對(duì)這些技術(shù)的實(shí)際使用具有重大影響，但基本思想相對(duì)簡(jiǎn)單。在這里，我們?cè)?span>TES和EEG的背景下介紹這個(gè)定理?？紤]一個(gè)簡(jiǎn)單的TES場(chǎng)景，其中電流通過(guò)右側(cè)（陽(yáng)極紅）和左側(cè)（陰極藍(lán)）顳葉腦區(qū)的兩個(gè)電極貼片注入和放電。圖1顯示了大腦中電流強(qiáng)度和電流方向的計(jì)算分布，在三隔室（皮膚，顱骨，大腦）頭部模型中計(jì)算。重要的是，相同的分布具有第二個(gè)同樣有效的解釋，因?yàn)樗硎揪哂羞@種特定電極配置（僅兩個(gè)電極）的EEG記錄的靈敏度曲線（稱為主場(chǎng)[leadfield]）。更準(zhǔn)確地說(shuō)，某個(gè)體素中的向量（由位置，方向和幅度/長(zhǎng)度描述）說(shuō)明了如果單位強(qiáng)度為1的假設(shè)神經(jīng)元源朝向錐體的方向，將測(cè)量?jī)蓚€(gè)電極之間的電位差。對(duì)于任何方向的電流，可以計(jì)算到該矢量場(chǎng)上的投影以產(chǎn)生測(cè)量的電位。例如，垂直于錐體方向的電流定向不會(huì)在兩個(gè)電極之間產(chǎn)生可測(cè)量的差異電位（投影等于零）。
圖 1. 亥姆霍茲互惠定理的圖示。同一矢量場(chǎng)一方面表示由兩個(gè)經(jīng)顱電刺激（transcranial electrical stimulation, TES）電極（紅色片：陽(yáng)極，藍(lán)色片：陰極）誘導(dǎo)的電流分布，另一方面，這兩個(gè)電極對(duì)任何給定位置的電流源的靈敏度曲線。
因此，相比于靠近tDCS片（紅色）的皮質(zhì)結(jié)構(gòu)，皮質(zhì)下區(qū)域（深綠色）中的神經(jīng)源更難以通過(guò)經(jīng)顱直流電刺激/經(jīng)顱交流電刺激（transcranial direct current stimulation/transcranial alternating current stimulation, tDCS / tACS）激發(fā)，并且更深結(jié)構(gòu)中的神經(jīng)發(fā)生器相互喚起電極之間較小的電位差異。雖然更深的結(jié)構(gòu)只能被更強(qiáng)的電流激發(fā)，但除非使用復(fù)雜的干擾技術(shù)，否則這種刺激將同時(shí)激發(fā)更強(qiáng)的表面源。同樣，MEG / EEG對(duì)皮質(zhì)下腦區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)不太敏感，與皮質(zhì)源相比，這些源的定位不太準(zhǔn)確。另一個(gè)重要的互惠涉及MEG和TMS：由于與頭皮正交的源（即徑向源）在頭部外幾乎沒(méi)有可測(cè)量的磁場(chǎng)，這些源可以相互地不通過(guò)磁刺激被激發(fā)或抑制。
亥姆霍茲互惠的概念與正向和逆向問(wèn)題的概念有關(guān)，這些概念與本文的其余部分同樣相關(guān)。在EEG/MEG的背景下，前向問(wèn)題是指在大腦中具有給定方向的特定位置的偶極子，估計(jì)EEG電極和/或MEG傳感器在頭部和/或頭部外的位置的電位和/或磁場(chǎng)的問(wèn)題。逆問(wèn)題是指估計(jì)大腦中電流源分布的問(wèn)題，該分布在頭部或/和頭部外部產(chǎn)生給定的電位或/和磁場(chǎng)模式。亥姆霍茲已經(jīng)指出，EEG/MEG逆問(wèn)題的解決方案并非唯一，也就是說(shuō)，無(wú)限數(shù)量的電流分布可以導(dǎo)致相同的電位或/和磁場(chǎng)模式。因此，EEG/MEG源定位方法采用額外的約束來(lái)產(chǎn)生獨(dú)特的解決方案。
2. MEG/EEG和TMS/TES
MEG / EEG傳感器以毫秒級(jí)的時(shí)間分辨率靜默（silently）和非侵入性地采樣由大腦中的神經(jīng)元活動(dòng)引起的磁場(chǎng)或電勢(shì)。記錄的信號(hào)與底層神經(jīng)元電流之間的直接關(guān)系不受中間過(guò)程（如神經(jīng)血管耦合）的影響，從而導(dǎo)致大規(guī)模神經(jīng)元活動(dòng)信息的豐富動(dòng)態(tài)表示。雖然MEG / EEG對(duì)神經(jīng)元活動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行非侵入性記錄，但TMS / TES的目標(biāo)是通過(guò)向大腦注入磁場(chǎng)或電流來(lái)控制神經(jīng)元活動(dòng)的調(diào)節(jié)。
將MEG / EEG與神經(jīng)刺激技術(shù)相結(jié)合有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，它允許研究人員通過(guò)MEG / EEG提供的全腦覆蓋、高時(shí)間、良好的空間分辨率來(lái)評(píng)估和監(jiān)測(cè)神經(jīng)刺激對(duì)神經(jīng)活動(dòng)的影響。其次，神經(jīng)刺激設(shè)置可以針對(duì)特定目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，并調(diào)節(jié)特定的神經(jīng)活動(dòng)模式（如大腦振蕩）以探測(cè)它們與認(rèn)知過(guò)程的（因果）相關(guān)性。第三，神經(jīng)刺激具有顯著的轉(zhuǎn)化相關(guān)性，特別是對(duì)于治療神經(jīng)和精神健康障礙。在這里，MEG / EEG和神經(jīng)刺激可以結(jié)合起來(lái)，以幫助優(yōu)化刺激方案，確定作用機(jī)制，并更有力地評(píng)估治療效果。
MEG和EEG信號(hào)甚至可以在TMS / TES期間同時(shí)記錄，但當(dāng)前同時(shí)TMS / MEG除外。雖然EEG記錄可以在相位TMS期間暫時(shí)中斷，但可以防止EEG放大器飽和，此方面正在等待新一代MEG傳感器（見(jiàn)框2）。雖然不如TMS強(qiáng)，但TES在EEG和MEG記錄期間也會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)的偽影，但現(xiàn)代EEG放大器和現(xiàn)代SQUID（superconducting
quantum interference device，超導(dǎo)量子干涉器件）傳感器可以容忍通常施加的電流（<4
mA）。然而，從EEG和MEG信號(hào)中去除TES / TMS偽影并非易事，因?yàn)閭斡暗姆仁艿皆S多有節(jié)律和非節(jié)律過(guò)程的調(diào)節(jié)，例如心跳，呼吸，頭部運(yùn)動(dòng)和電極阻抗的變化。
方框2
光泵磁強(qiáng)計(jì)（Optically Pumped Magnetometers, OPM）：新型腦磁圖（Magnetoencephalography, MEG）技術(shù)
光泵磁強(qiáng)計(jì)：下一代功能神經(jīng)影像工具
最近開(kāi)發(fā)的OPM是傳統(tǒng)基于SQUID的MEG系統(tǒng)的有前途的替代品。OPM不依賴于超導(dǎo)性來(lái)運(yùn)行，因此不需要液氦。因此，基于OPM的MEG系統(tǒng)維護(hù)起來(lái)更容易，成本更低。典型的設(shè)計(jì)使用光電二極管來(lái)測(cè)量激光穿過(guò)充滿氣體的玻璃小室（gas-filled glass cell）后的強(qiáng)度。光傳輸對(duì)光電二極管可以檢測(cè)到的環(huán)境磁場(chǎng)的變化很敏感。近年來(lái)，OPM的靈敏度顯著提高，現(xiàn)在與SQUID傳感器的靈敏度相似。OPM傳感器的尺寸也可以顯著減小，因此現(xiàn)在可以集成到移動(dòng)系統(tǒng)中——類似于EEG（見(jiàn)圖2）。重要的是，OPM受益于傳感器和大腦之間距離的縮短，導(dǎo)致當(dāng)前OPM系統(tǒng)（少于50個(gè)傳感器）與具有100多個(gè)傳感器的SQUID系統(tǒng)的性能相當(dāng)。盡管OPM具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但它們受到相對(duì)較低的信號(hào)帶寬（約150 Hz，而SQUID的帶寬約為幾kHz）和一些技術(shù)挑戰(zhàn)（例如相鄰傳感器之間的串?dāng)_）的限制，在高密度全頭皮OPM系統(tǒng)中需要考慮上述挑戰(zhàn)。
圖 2. 50通道光泵磁力計(jì)（optically pumped magnetometer, OPM）系統(tǒng)示例
EEG / MEG-TES研究的另一個(gè)重要考慮因素是刺激參數(shù)的優(yōu)化，包括TES電極位置。通過(guò)使用基于真實(shí)體積導(dǎo)體模型的計(jì)算模型，可以改善特定目標(biāo)區(qū)域或目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的刺激，理想情況下，計(jì)算模型來(lái)自個(gè)體解剖學(xué)磁共振成像（magnetic resonance
imaging, MRI），計(jì)算機(jī)斷層掃描（computed
tomography, CT）等和/或基于EEG / MEG，功能MRI（functional MRI,
fMRI），正電子發(fā)射斷層掃描（positron emission
tomography, PET），近紅外光譜（near infrared
spectroscopy, NIRS）等的個(gè)體功能測(cè)量（見(jiàn)圖3）?，F(xiàn)代多通道TES系統(tǒng)提供了進(jìn)一步的自由度來(lái)控制感應(yīng)電流的路徑，焦點(diǎn)和方向，從而以最佳方式刺激目標(biāo)區(qū)域。這是一個(gè)有前途和積極的研究領(lǐng)域，將時(shí)空詳細(xì)的電生理記錄與多功能神經(jīng)刺激技術(shù)相結(jié)合，產(chǎn)生令人興奮的前景。
圖 3.（A） 枕陽(yáng)極（紅色圓圈）和額陰極（藍(lán)色圓圈）的經(jīng)顱電刺激（Transcranial electrical stimulation, TES）電場(chǎng)，在六室（皮膚、顱骨、顱骨致密體[compacta]、顱骨海綿體[skull spongiosa]、腦脊液、灰質(zhì)和各向異性白質(zhì)）有限元模型中計(jì)算。大小歸一化錐體用于表示矢量方向，并且它們被顏色編碼以呈現(xiàn)矢量場(chǎng)振幅。根據(jù)亥姆霍茲互惠性，偶極子源（黑色箭頭）的兩個(gè)電極之間的腦電圖（electroencephalography, EEG）電位差可以通過(guò)偶極矩和電場(chǎng)矢量在同一位置的點(diǎn)積來(lái)確定，因此場(chǎng)景（B）將產(chǎn)生最大和（C）零電位差。
雖然目前還不可能同時(shí)使用TMS-MEG，但TMS已經(jīng)通過(guò)利用更持久的刺激效應(yīng)（即后效應(yīng)）與MEG結(jié)合使用。在這些類型的研究中，TMS通過(guò)興奮性或抑制性TMS方案刺激目標(biāo)區(qū)域，該方案應(yīng)導(dǎo)致神經(jīng)活動(dòng)的持續(xù)變化，可持續(xù)數(shù)小時(shí)。例如，行為和神經(jīng)效應(yīng)可以通過(guò)比較刺激前后的兩個(gè)MEG療程來(lái)評(píng)估，這種方法可用于任何神經(jīng)刺激技術(shù)。
在下一節(jié)中，我們將從方法論的角度討論MEG / EEG和TMS / TES之間錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系。
3. EEG和MEG的逆問(wèn)題：源分析（Source Analysis）
在過(guò)去的幾十年中，EEG和MEG源分析已成為重建具有最高時(shí)間和適當(dāng)空間分辨率的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的突出技術(shù)。所謂的EEG和MEG逆問(wèn)題旨在重建sources——主要是在大腦灰質(zhì)中——這是頭部表面測(cè)量的電位和場(chǎng)分布的基礎(chǔ)。已經(jīng)證明在沒(méi)有對(duì)源進(jìn)行任何額外先驗(yàn)的情況下，逆問(wèn)題的解決方案不是唯一的 ——也就是說(shuō)，容積導(dǎo)體內(nèi)部的無(wú)限數(shù)量的源分布可以導(dǎo)致容積導(dǎo)體外部的一個(gè)相同的電勢(shì)和/或磁場(chǎng)模式。因此，EEG和MEG源定位方法對(duì)基礎(chǔ)的源分布采用額外的約束，以產(chǎn)生獨(dú)特的逆解。這些反演方法的分類可以分為焦點(diǎn)電流建模、波束成形和分布式電流建模。在焦點(diǎn)電流建模中，少量偶極源（dipolar sources）被擬合到測(cè)量的EEG和/或MEG數(shù)據(jù)上。下面介紹的第一個(gè)應(yīng)用示例了癲癇患者在平均EEG和MEG尖峰活動(dòng)開(kāi)始時(shí)的這種局灶性電流建模結(jié)果（圖6中的目標(biāo)黑錐體），下面將更詳細(xì)地討論。當(dāng)源數(shù)量未知或電流分布可能具有較大的空間范圍時(shí)，焦點(diǎn)電流模型不合適。空間濾波或波束成形（beamforming）方法，例如在第二個(gè)示例中用于估計(jì)吞咽行為期間的神經(jīng)源（見(jiàn)圖7），在單個(gè)位置或小區(qū)域優(yōu)化估計(jì)，同時(shí)抑制來(lái)自其他區(qū)域的串?dāng)_。在分布式電流模型中，電流由大量具有固定位置和可能方向的聚焦基本源離散化。例如，這種方法已應(yīng)用于以下第三個(gè)示例（見(jiàn)圖8）中情緒面部處理的源重建中，稱為電流密度重建。然后，結(jié)合有關(guān)解的全局屬性的先驗(yàn)信息，例如最小范數(shù)估計(jì)（minimum norm estimation, MNE）。應(yīng)該提到的是，分層貝葉斯建模形成了幾種反轉(zhuǎn)方法的超類（superclass）。重要的是，所有逆方法都可用于識(shí)別激活神經(jīng)元群體的位置和方向，這些群體可以被定義為神經(jīng)刺激的靶點(diǎn)。
4. 靶向多通道腦刺激的逆問(wèn)題
諸如TES之類的腦刺激技術(shù)允許調(diào)節(jié)（即激活或抑制）大腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的神經(jīng)活動(dòng)和功能連接。TES包括經(jīng)顱直流（transcranial direct current stimulation, tDCS）或交流電刺激（transcranial alternating current stimulation, tACS），是一種非侵入性方法，通過(guò)膜極化的變化來(lái)操縱大腦興奮性，并根據(jù)刺激的極性，持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度在大腦中誘導(dǎo)持久（幾分鐘甚至數(shù)小時(shí)）的變化。在經(jīng)典的tDCS中，通過(guò)至少一個(gè)電極（陽(yáng)極）將小電流（例如，0.5-4 mA）施加到人頭上，并在另一個(gè)電極（陰極）處除去。圖3A顯示了這種經(jīng)典tDCS排布的仿真。這種電流可以增加或減少感興趣區(qū)域的皮質(zhì)興奮性，這取決于其極性。傳統(tǒng)的雙極性tDCS排布假設(shè)所謂的“陽(yáng)極刺激”增加了下層皮質(zhì)區(qū)域（圖3A，枕部區(qū)域）內(nèi)的興奮性。然而，最近的研究表明，這種設(shè)置中的皮質(zhì)電流模式相當(dāng)廣泛，通常在非目標(biāo)大腦區(qū)域中具有最大刺激，并且靶點(diǎn)位置和靶點(diǎn)方向均與最佳刺激有關(guān)。這里的靶向是指神經(jīng)刺激靶向的大腦區(qū)域中神經(jīng)元的主要空間取向。沿該主要方向注入tDCS電流對(duì)于最大化刺激效果非常重要。例如，在皮質(zhì)區(qū)域，錐體神經(jīng)元通常垂直于皮質(zhì)表面方向。在皮質(zhì)下大腦結(jié)構(gòu)（如海馬體和杏仁核）中，神經(jīng)元的首選方向通常不存在，使得靶點(diǎn)方向的概念變得毫無(wú)意義。例如，Mills及其同事在初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層的手部表示（hand representation）上使用不同的TMS線圈方向顯示了對(duì)靶點(diǎn)位置和方向的敏感性，同時(shí)記錄了對(duì)側(cè)手部肌肉的運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位（motor-evoked potentials, MEPs）。他們的結(jié)果表明，電流的方向是至關(guān)重要的，也就是說(shuō)，不僅位置重要，而且相對(duì)于大腦的方向以及由此產(chǎn)生的電流方向也很重要，線圈在大約50°處對(duì)準(zhǔn)矢狀面（parasagittal plane）的MEP響應(yīng)最大，產(chǎn)生最大的感應(yīng)電流，以大約直角向前流動(dòng)到中央溝。在使用TMS和MEP與tDCS相結(jié)合的類似實(shí)驗(yàn)中，Rawji等人表明，電流的方向?qū)τ?/span>tDCS后效應(yīng)也很重要。因此，如圖3A所示的tDCS刺激配置將在大腦內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)電場(chǎng)，該電場(chǎng)方向主要平行于靶點(diǎn)（黑色箭頭），其位置和方向如場(chǎng)景（B）所示。因此，這種特定的電極排布將對(duì)這個(gè)特定的平行定向靶點(diǎn)產(chǎn)生強(qiáng)烈的興奮作用。然而，對(duì)于具有幾乎相同位置但現(xiàn)在與電場(chǎng)正交方向的靶點(diǎn)，如圖3C所示，這種電極配置的刺激幾乎沒(méi)有影響（即，電場(chǎng)矢量和目標(biāo)力矩之間的點(diǎn)積幾乎為零）。因此，適當(dāng)?shù)拿闇?zhǔn)意味著：（1）注入的電流不僅在感興趣區(qū)域處最大（強(qiáng)度），（2）在其他區(qū)域（焦點(diǎn)）最小，而且還（3）主要定向平行（激勵(lì)）或反平行（抑制）到靶點(diǎn)方向（方向性）。由于這種靶向的復(fù)雜性和多通道tDCS（multichannel tDCS, mc-tDCS）硬件的復(fù)雜性，計(jì)算機(jī)優(yōu)化方法，即解決mc-tDCS逆問(wèn)題的新方法已成為靶向腦刺激的重要工具。最近，已經(jīng)推導(dǎo)出了這種優(yōu)化方法的統(tǒng)一，并且已經(jīng)顯示出焦點(diǎn)強(qiáng)度的權(quán)衡，即優(yōu)化方法可以在焦點(diǎn)強(qiáng)度尺度上進(jìn)行排序，焦點(diǎn)方法在尺度的一側(cè)，基于強(qiáng)度的優(yōu)化方法在另一側(cè)，說(shuō)明靶點(diǎn)的聚焦和最大刺激強(qiáng)度不能用同一種方法實(shí)現(xiàn)。最后，關(guān)于刺激強(qiáng)度，Agboada等人表明，它與刺激結(jié)果非線性相關(guān)，這可能與細(xì)胞內(nèi)鈣的增加有關(guān)：較大的刺激強(qiáng)度增加鈣水平以誘導(dǎo)長(zhǎng)時(shí)增強(qiáng)（long-term potentiation, LTP）樣可塑性，而較低的刺激強(qiáng)度導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)抑制（long-term depression, LTD）樣可塑性。
請(qǐng)注意，簡(jiǎn)單情況下，平行于靶點(diǎn)方向的注入電流會(huì)導(dǎo)致興奮，而反平行導(dǎo)致僅對(duì)tDCS產(chǎn)生抑制。其他刺激方法和方案將涉及其他作用機(jī)制。例如，tACS采用具有快速交流方向的電刺激。rTMS 快速連續(xù)地應(yīng)用單個(gè)脈沖。這兩種方法都被認(rèn)為會(huì)導(dǎo)致頻率特異性共振效應(yīng)，可用于改變神經(jīng)元節(jié)律的振幅。
5. 亥姆霍茲互惠性、生物電磁前向問(wèn)題和頭部建模
為了提高性能，將上述逆向和優(yōu)化方法與現(xiàn)代前向建模方法相結(jié)合至關(guān)重要。EEG和TES以及MEG和TMS前向問(wèn)題通過(guò)亥姆霍茲的互惠原則密切相關(guān)，這意味著其中一個(gè)精度的任何改進(jìn)也將相互導(dǎo)致另一個(gè)的改進(jìn)。對(duì)于TES和EEG的互惠性，這在圖3中可視化，TMS和MEG的互惠性在圖4中可視化。更明確地，Wagner和其他人能夠通過(guò)分析數(shù)值結(jié)果，與簡(jiǎn)化的容積導(dǎo)體中的分析推導(dǎo)前向電位進(jìn)行比較，估計(jì)計(jì)算復(fù)雜性，甚至推導(dǎo)出一個(gè)代數(shù)證明，甚至對(duì)現(xiàn)實(shí)的頭部容積導(dǎo)體模型也有效，來(lái)證明亥姆霍茲互惠關(guān)系提供了TES和EEG前向問(wèn)題之間的直接聯(lián)系。對(duì)于磁前向問(wèn)題，Nolte和Vallaghe等人已經(jīng)解決了這種基于互惠的關(guān)系。因此，在下文中，我們將把源分析的生物電磁前向問(wèn)題與非侵入性腦刺激的仿真結(jié)合起來(lái)。與EEG逆問(wèn)題相反，EEG前向問(wèn)題解決方案的存在性和唯一性已被證明。根據(jù)現(xiàn)有的輸入數(shù)據(jù)，提出了不同的前向建模方法，從EEG中用于簡(jiǎn)化的多層球頭模型和MEG中的重疊球體的準(zhǔn)分析解，到MEG中一個(gè)腦室（compartment）的真實(shí)形狀頭部模型或三個(gè)各向同性腦室（3CI：皮膚，顱骨，大腦），用于EEG中與邊界元法（boundary element method, BEM）或有限元法（finite element method, FEM）相結(jié)合。不同前向建模方法之間的比較不僅可以驗(yàn)證一種方法與另一種方法的比較，還可以確定模型誤差和數(shù)值誤差以及計(jì)算性能。盡管3CI頭部模型在幾何上單獨(dú)準(zhǔn)確地表示了顱骨和皮膚表面，因此與更簡(jiǎn)單的多層球體模型相比，已經(jīng)減少了模型誤差，但它們?nèi)匀换谙喈?dāng)粗糙的均勻化和頭部容積傳導(dǎo)的近似（即不同組織內(nèi)的電導(dǎo)率）。首先，在標(biāo)準(zhǔn)3CI建模中，大多數(shù)情況下使用標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)值作為電導(dǎo)率參數(shù)。然而，對(duì)于EEG和TES，眾所周知，顱骨電導(dǎo)率在個(gè)體之間差異很大，可以從非侵入性神經(jīng)生理學(xué)數(shù)據(jù)中估計(jì)。圖5說(shuō)明了準(zhǔn)確的顱骨電導(dǎo)率建模的相關(guān)性。
圖 4. 在四面體多室球有限元模型中計(jì)算的圓形線圈 （A） 和八字形線圈 （B） 的經(jīng)顱磁刺激（Transcranial magnetic stimulation, TMS）誘導(dǎo)的電流密度矢量場(chǎng)，通過(guò)該模型在切割平面上可視化。根據(jù)亥姆霍茲互惠性，在（圓形）磁力計(jì)線圈（C）和的（八字形）切向梯度計(jì)（D）偶極子源（黑色箭頭）的磁腦圖（magnetoencephalography, MEG）磁通量直接遵循容積導(dǎo)體中相同位置的偶極矩和場(chǎng)矢量之間的點(diǎn)積。
圖 5. 頭部模型具有（A）五個(gè)組織隔室：皮膚，顱骨，腦脊液，灰質(zhì)和白質(zhì)。（B、C）軀體感覺(jué)皮層中主要面向切向的源的等電位線，其中（B）中的基礎(chǔ)模型的顱骨電導(dǎo)率比（C）中的高10倍。與（C）相比，（B）中的電位峰值和谷值之間的較小距離由黑色箭頭表示。（D）基于彌散張量磁共振成像（magnetic resonance imaging, MRI）的白質(zhì)室各向異性分?jǐn)?shù)。頭部模型中丘腦偶極子源的容積電流，具有（E）各向同性和（F）1:10白質(zhì)電導(dǎo)率各向異性。
由皮膚、顱骨、腦脊液（cerebrospinal fluid, CSF）、灰質(zhì)和各向異性白質(zhì) （D） 構(gòu)建的 5 室頭模型（A）的軀體感覺(jué)皮層中的切向源將在模型表面上生成 EEG 等電位線，如（B）和（C）所示。B和C之間的唯一區(qū)別是，與（C）相比，（B）的顱骨電導(dǎo)率建模高出十倍，導(dǎo)致（B）中的表面電位要高得多，并且（B）中的正電位波峰和負(fù)電位波谷之間的距離更小，如黑色箭頭所示。在EEG逆問(wèn)題的背景下，忽略單個(gè)顱骨電導(dǎo)率的方差將主要導(dǎo)致深度定位誤差（因?yàn)椴ǚ搴筒ü戎g的距離隨著源深度的增加而增加）。除了顱骨電導(dǎo)率建模外，準(zhǔn)確的CSF電導(dǎo)率建模的重要性在仿真和實(shí)驗(yàn)中得到了證明。例如，圖5E和F說(shuō)明了高CSF電導(dǎo)率對(duì)丘腦源產(chǎn)生的容積電流的影響，導(dǎo)致CSF室中的振幅容積電流和電流通道更高，從而降低EEG表面電位幅度。最后，區(qū)分灰質(zhì)和白質(zhì)電導(dǎo)率并模擬白質(zhì)電導(dǎo)率各向異性可以進(jìn)一步提高生物電磁前向建模的準(zhǔn)確性。在這里，也如圖3所示，術(shù)語(yǔ)各向異性是指材料（這里的白質(zhì)）的性質(zhì)，以允許與各向同性相反的不同方向上的變化，即平行于白質(zhì)束的電導(dǎo)率高于兩個(gè)垂直方向。為了說(shuō)明白質(zhì)電導(dǎo)率各向異性容積導(dǎo)體效應(yīng)，圖5的下面一行顯示了具有各向同性的丘腦偶極子源（E）的體積電流與1：10各向異性（白質(zhì)束垂直：平行）白質(zhì)室（F）的容積電流，在穿過(guò)模型的冠狀切面上可視化。因此，各向異性白質(zhì)電導(dǎo)率導(dǎo)致返回電流平行于白質(zhì)纖維束流動(dòng)，這可以通過(guò)高度各向異性的錐體束對(duì)容積電流的較大影響來(lái)具體觀察到，如圖5D-F中的黑框所示。還要注意（D）中彌散張量MRI對(duì)錐體束的相應(yīng)高各向異性分?jǐn)?shù)。還可以得出結(jié)論，源越深，它被各向異性白質(zhì)組織包圍的次數(shù)越多，各向異性對(duì)電場(chǎng)結(jié)果的影響就越大。
圖3顯示了六室各向異性（six-compartment anisotropic, 6CA：頭皮，顱骨致密體[skull compacta]，顱骨海綿[skull spongiosa]，CSF，灰質(zhì)和各向異性白質(zhì)）FEM頭模型中陽(yáng)極（枕電極）和陰極（額電極）的模擬TES電場(chǎng)（electric field, EF）。該圖顯示了重要的TES效應(yīng)：首先，在頭皮隔室中主要發(fā)現(xiàn)了切向EF方向。其次，EF方向在低導(dǎo)顱骨隔室中主要是徑向的。第三，高CSF電導(dǎo)率和各向異性白質(zhì)電導(dǎo)率對(duì)顱內(nèi)隔室中的EF方向有相當(dāng)大的影響。最后，EF振幅隨著與刺激電極距離的增加主要呈現(xiàn)（但不僅如此）下降趨勢(shì)。
可以使用基于T1加權(quán)（T1-weighted-, T1w-），T2w-MRI和擴(kuò)散加權(quán)MRI的（半）自動(dòng)處理流程構(gòu)建逼真的個(gè)性化頭部模型。這允許使用現(xiàn)實(shí)的個(gè)性化頭部模型來(lái)測(cè)量通常用于認(rèn)知和臨床神經(jīng)科學(xué)研究的樣本量，并具有合理的時(shí)間投入和計(jì)算資源。逼真的個(gè)性化頭部模型的構(gòu)建和TMS/TES刺激的仿真可以在開(kāi)源工具箱中找到，例如SimNIBS和ROAST。更具體的開(kāi)源工具箱是關(guān)于生物電磁前向問(wèn)題的主題，如DUNEuro，OpenMEEG和BEM-FMM。
在下一節(jié)中，我們將介紹四項(xiàng)研究，這些研究結(jié)合了MEG/EEG和TMS/TES，并對(duì)其協(xié)同使用的廣泛范圍進(jìn)行了采樣。
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6. 神經(jīng)刺激與MEG/EEG聯(lián)合的應(yīng)用
在過(guò)去十年中，將高密度EEG/MEG神經(jīng)影像學(xué)與靶向TMS/TES腦刺激相結(jié)合的研究數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。因此，認(rèn)知和臨床神經(jīng)科學(xué)中的應(yīng)用范圍已大大擴(kuò)展。選取以下四個(gè)例子來(lái)概述方法、方法組合和應(yīng)用的范圍。這一具體選擇部分反映了作者研究興趣的臨床方向，絕不代表對(duì)該領(lǐng)域眾多優(yōu)秀研究的任何優(yōu)越性。
功能神經(jīng)影像學(xué)的進(jìn)步不斷增加我們對(duì)導(dǎo)致腦部疾病的神經(jīng)回路病理改變的理解。這種先進(jìn)的知識(shí)導(dǎo)致對(duì)大腦刺激方法的興趣增加，以調(diào)節(jié)已識(shí)別的異常神經(jīng)元活動(dòng)模式。反過(guò)來(lái)，腦刺激的臨床治療效果也可以告訴我們潛在的疾病機(jī)制，并允許我們?cè)u(píng)估分布式網(wǎng)絡(luò)中受刺激的大腦區(qū)域的因果關(guān)系，而不僅僅是純粹的相關(guān)性關(guān)聯(lián)。
6.1 聯(lián)合tDCS/MEG/EEG在藥物核心局灶性癲癇潛在治療策略中的應(yīng)用
例如，EEG和MEG源分析和連通性研究可以從根本上有助于理解癲癇發(fā)生（epileptogenesis），癲癇發(fā)作產(chǎn)生（seizure generation）和癲癇發(fā)作傳播（seizure propagation）背后的病理機(jī)制。因此，它可能為新的治療方案鋪平道路，包括非侵入性（例如，TES）和侵入性形式，如癲癇手術(shù)。雖然對(duì)于某些患者，必須假設(shè)非局灶性的病理機(jī)制，但其他人具有相當(dāng)局灶性的致癇網(wǎng)絡(luò)，在局灶性皮質(zhì)切除術(shù)后有合理的機(jī)會(huì)變得無(wú)癲癇發(fā)作。
通過(guò)優(yōu)化的多通道TES進(jìn)行個(gè)體靶向可以改善治療效果并減少負(fù)面副作用。圖6舉例說(shuō)明了局灶性癲癇的個(gè)體化治療程序：使用平均EEG/MEG尖峰活動(dòng)開(kāi)始的反向（局灶電流）源建模來(lái)定位藥物抵抗性局灶性癲癇患者的致癇區(qū)（頂行的黑色圓錐）。針對(duì)焦點(diǎn)-強(qiáng)度連續(xù)體（focality-intensity continuum）的更焦點(diǎn)側(cè)的靶點(diǎn)位置和方向的tDCS優(yōu)化導(dǎo)致注入和放電電流的分布（如頂行所示），并在大腦中引起局灶性但低強(qiáng)度的電流密度分布（如底行所示）。由于這種局灶性刺激減少了副作用，因此可以更頻繁地在更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)應(yīng)用。針對(duì)目標(biāo)區(qū)域最大強(qiáng)度的tDCS優(yōu)化將增加效應(yīng)大小，但也會(huì)導(dǎo)致周?chē)鷧^(qū)域更強(qiáng)的共同激活，從而產(chǎn)生更多副作用。在該示例中，高密度EEG和MEG的組合提供了出色的靶標(biāo)信息，作為高度局灶性多通道刺激靶向的先決條件（另見(jiàn)圖10），從而說(shuō)明了個(gè)體化tDCS腦刺激如何改善治療結(jié)果。
圖 6. 單被試的靶向多通道經(jīng)顱直流電刺激（multichannel transcranial direct current stimulation, mc-tDCS）作為抑制性刺激，用于因Broca區(qū)域附近的局灶性皮質(zhì)發(fā)育不良而導(dǎo)致的藥劑抵抗性癲癇患者。（a）乘法器電流定向方法（Alternating direction method
of multipliers, ADMM）優(yōu)化的mc-tDCS蒙太奇，用于刺激致癇區(qū)，通過(guò)腦電圖（electroencephalography, EEG）和腦磁圖（magnetoencephalography, MEG）尖峰活動(dòng)的局灶源建模重建（黑錐）。電極由?1至+1 mA的優(yōu)化電流著色。注入電流的總和等于2 mA，滿足安全約束。優(yōu)化的mc-tDCS電流密度分布在（b）皮質(zhì)表面上，同時(shí)在（c）目標(biāo)區(qū)域的縮放軸向磁共振成像（magnetic resonance imaging,
MRI）視圖上可視化?；颊叩哪X表面顏色表示以mA / m2為單位測(cè)量的電流密度的分布。
6.2 聯(lián)合tDCS/MEG在檢測(cè)腦卒中吞咽困難潛在新治療策略中的應(yīng)用
吞咽依賴于高度復(fù)雜的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)功能，需要廣泛分布的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)。因此，吞咽紊亂（口咽吞咽困難oropharyngeal dysphagia，OD）是經(jīng)常主訴后的表現(xiàn)也就不足為奇了。OD 的自發(fā)恢復(fù)與未受影響半球的吞咽相關(guān)區(qū)域的代償性變化有關(guān)，皮質(zhì)興奮性增強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)擴(kuò)大，作為皮質(zhì)可塑性的替代物。
在一項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)中，Suntrup-Krueger及其同事發(fā)現(xiàn)，與假刺激相比，對(duì)未受影響的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)吞咽網(wǎng)絡(luò)的興奮性tDCS刺激導(dǎo)致吞咽功能的更大改善。事實(shí)上，在干預(yù) 4 天后，真實(shí)的（verum）tDCS 在原發(fā)性和繼發(fā)性臨床結(jié)局方面比假刺激顯著改善。在一組患者亞組中進(jìn)行的治療前后MEG測(cè)量顯示，由于標(biāo)準(zhǔn)治療，兩組在alpha和beta波段中均顯示事件相關(guān)去同步化（event-related desynchronization, ERD）增加（圖7，上圖），但verum組僅顯示beta波段的附加效應(yīng)（圖7，底部）。因此，通過(guò)興奮性tDCS促進(jìn)吞咽網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的重組加速了急性中風(fēng)后吞咽困難的康復(fù)。
圖 7. 經(jīng)顱直流刺激（transcranial direct current stimulation, tDCS）真假刺激組的 alpha 和beta 頻率范圍內(nèi)，圖中顯示與吞咽相關(guān)的激活在 alpha 和beta頻率范圍內(nèi)組平均的源分布。顏色條表示相對(duì)于靜息態(tài)的功率變化。負(fù)值表示與事件相關(guān)的振蕩活動(dòng)不同步。
底部：經(jīng)顱直流電真刺激后，beta頻率范圍內(nèi)與吞咽相關(guān)的事件相關(guān)去同步化顯著增加的區(qū)域（p < 0.05）。
這個(gè)例子表明，即使是非個(gè)體化的大腦刺激也可以調(diào)節(jié)高度自動(dòng)化和復(fù)雜的大腦功能，如吞咽，從而在臨床實(shí)踐中保持標(biāo)準(zhǔn)化使用的前景。
6.3 tDCS/MEG聯(lián)合用于檢測(cè)潛在新型腦刺激靶點(diǎn)治療情緒和焦慮癥
腹內(nèi)側(cè)前額葉皮層（ventromedial prefrontal cortex, vmPFC）是被確定為情緒和焦慮障礙的患者最廣泛報(bào)道的異常結(jié)構(gòu)之一。在兩項(xiàng)獨(dú)立的fMRI和MEG研究中，Junghofer及其同事測(cè)試了帶有頭法外參考（extracephalic reference）的新型tDCS蒙太奇對(duì)優(yōu)化的vmPFC刺激的影響（見(jiàn)圖8頂部），并表明健康參與者中，與不愉快的情緒場(chǎng)景相比，興奮性相對(duì)于抑制性的刺激放大了愉快情緒場(chǎng)景的處理。在一項(xiàng)后續(xù)研究中，Winker等人可以將這些發(fā)現(xiàn)復(fù)制并推廣到情緒面部處理中，因?yàn)榕d奮性與抑制性vmPFC-tDCS導(dǎo)致與恐懼面孔相比，快樂(lè)的處理增強(qiáng)，這與模糊面部表情的幸福感評(píng)級(jí)增強(qiáng)一致（見(jiàn)圖8底部）。由于vmPFC的激活似乎增強(qiáng)了對(duì)厭惡刺激的誘人性，因此興奮性vmPFC-tDCS可能會(huì)改善遠(yuǎn)離愉快信息靠近不愉快信息的偏見(jiàn)，這在患有情緒障礙的患者中通常報(bào)告。tDCS和MEG的結(jié)合還可以揭示一些關(guān)于vmPFC在焦慮中的潛在因果作用的新見(jiàn)解，因?yàn)橐种菩?/span>vmPFC刺激誘導(dǎo)了恐懼泛化的“焦慮樣”感知和神經(jīng)模式。這個(gè)例子顯示了神經(jīng)刺激與MEG相結(jié)合可以測(cè)試定義的目標(biāo)區(qū)域?qū)ι窠?jīng)或精神疾病中可能受到干擾的認(rèn)知和情感過(guò)程的假定因果作用。關(guān)于亥姆霍茲互惠的另一個(gè)方面，這個(gè)例子還說(shuō)明了，對(duì)于特殊靶點(diǎn)，頭外tDCS參考如何規(guī)避所謂的“電參考問(wèn)題（electric reference problem）”，這對(duì)于腦電刺激（tDCS）和腦信號(hào)的電記錄（EEG）來(lái)說(shuō)也是相互固有的。
圖 8. 使用頭外參考對(duì)腹內(nèi)側(cè)前額葉皮層（ventromedial prefrontal cortex, vmPFC）進(jìn)行興奮性（陽(yáng)極）重復(fù)經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation, tDCS），與右半球視覺(jué)流中的恐懼面孔相比，導(dǎo)致相對(duì)增強(qiáng)的快樂(lè)處理，而抑制性刺激導(dǎo)致相反的模式。因此，興奮性vmPFC刺激增強(qiáng)了對(duì)情緒模糊（變形）面部表情的評(píng)估。
6.4 同時(shí)應(yīng)用TMS/EEG證明精神分裂癥丘腦皮質(zhì)回路的固有功能障礙
精神分裂癥患者通常在休息和各種認(rèn)知任務(wù)期間表現(xiàn)出誘發(fā)gamma波段活動(dòng)和gamma同步性缺陷。通過(guò)利用TMS /高密度EEG方案的組合，Ferrarelli和同事旨在排除動(dòng)機(jī)，注意力或認(rèn)知能力受損的潛在共同影響。事實(shí)上，精神分裂癥患者在TMS后的前100毫秒內(nèi)在刺激的額中區(qū)域顯示出異常的gamma振蕩（見(jiàn)圖9左），其振幅和同步性顯著降低（圖9中間）。此外，反向EEG源建模顯示，患者的TMS誘發(fā)的大腦激活不會(huì)從受刺激的大腦區(qū)域傳播。由于事件相關(guān)的EEG對(duì)直接皮質(zhì)TMS的反應(yīng)不受動(dòng)機(jī)、注意力或認(rèn)知能力的影響，也不通過(guò)外周傳入通路傳遞，這些發(fā)現(xiàn)說(shuō)明了精神分裂癥患者丘腦皮質(zhì)回路的固有功能障礙。這個(gè)例子說(shuō)明了神經(jīng)刺激和MEG / EEG的組合如何允許定向排除潛在的協(xié)變量，這在許多情況下使用其他方法（例如相關(guān)方法）要困難得多甚至不可能。
圖 9. 左圖：皮質(zhì)表面經(jīng)顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation, TMS）產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度估計(jì)值，以及TMS影響灰質(zhì)體積的估計(jì)值。中心：患者的TMS誘發(fā)振蕩活動(dòng)中，全腦場(chǎng)功率降低的時(shí)間和位置。右圖：精神分裂癥患者事件相關(guān)譜擾動(dòng)（event-related spectral perturbation, ERSP）減少和試驗(yàn)間相干性值的拓?fù)鋱D。
7. 討論與結(jié)論
上面的例子給人的印象是TMS/TES與MEG/EEG的組合如何產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。他們還說(shuō)明了MEG / EEG如何結(jié)合不同的腦刺激方法，例如，用于測(cè)試潛在的新治療策略或發(fā)現(xiàn)/證明病理神經(jīng)機(jī)制。然而，盡管靶向腦刺激的使用越來(lái)越成功，但關(guān)于不同腦刺激方法的作用機(jī)制，關(guān)于它們對(duì)刺激參數(shù)（如持續(xù)時(shí)間，重復(fù)，強(qiáng)度，頻率和方向）的依賴性以及關(guān)于生理、心理狀態(tài)和特征調(diào)節(jié)刺激效果的知識(shí)仍然相當(dāng)稀缺。
在這里，我們證明了由于亥姆霍茲的互惠性，EEG和TES以及MEG和TMS在方法論上彼此密切相關(guān)，電和磁模式是互補(bǔ)的。例如，MEG對(duì)朝向顱內(nèi)表面（橈骨）的神經(jīng)源幾乎無(wú)法探測(cè)，并且這些源也不能受到TMS的刺激，而EEG對(duì)徑向源特別敏感。雖然對(duì)于徑向靶點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)4×1 TES蒙太奇是聚焦刺激性的，因此處于焦點(diǎn)強(qiáng)度尺度的焦點(diǎn)側(cè)，但靶點(diǎn)和陰極遠(yuǎn)處的陽(yáng)極的第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)最大化了靶點(diǎn)強(qiáng)度，因此處于尺度的強(qiáng)度側(cè)。MEG對(duì)切向源具有更高的靈敏度，這也可以通過(guò)TMS有效刺激。因此，MEG和EEG以及tDCS和TMS的互補(bǔ)靈敏度特點(diǎn)激發(fā)了電和磁模式的組合。
雖然我們?cè)谶@里主要關(guān)注互惠問(wèn)題，但應(yīng)該指出的是，用于治療目的的腦刺激的長(zhǎng)期影響可能不僅與靶向大腦區(qū)域的直接調(diào)節(jié)有關(guān)，而且還可能由更一般的機(jī)制引起，例如更遠(yuǎn)區(qū)域的調(diào)節(jié)以及由神經(jīng)遞質(zhì)和基因表達(dá)的變化介導(dǎo)的影響。
展望未來(lái)，我們預(yù)計(jì)硬件開(kāi)發(fā)和改進(jìn)的靶向方法將提高神經(jīng)刺激的有效性，因?yàn)榭茖W(xué)家繼續(xù)努力更好地控制和理解刺激效應(yīng)?，F(xiàn)在已經(jīng)確定刺激效果的建模（理想情況下考慮個(gè)體解剖結(jié)構(gòu)）很重要。然而，刺激效果取決于許多因素。圖10列出目標(biāo)感興趣區(qū)域（左；例如，反向EEG / MEG建模），靶向過(guò)程（中心；例如，前向建模）和刺激裝置（右）的先驗(yàn)信息的不同復(fù)雜程度或準(zhǔn)確性。例如，多通道TES優(yōu)化可以提高刺激的有效性，但前提是單個(gè)靶標(biāo)的位置和方向是眾所周知的。因此，在刺激靶點(diǎn)比聚焦靶點(diǎn)更具區(qū)域性或只能粗略重建的許多情況下，標(biāo)準(zhǔn)雙貼片TES在靶區(qū)上方，陰極遠(yuǎn)離（甚至頭外）是合理的，如果靶區(qū)具有顯著的徑向取向成分，則具有高強(qiáng)度。因此，刺激裝置的選擇和刺激靶向方法取決于靶點(diǎn)的可用先驗(yàn)信息。然而，在所有情況下，準(zhǔn)確報(bào)告刺激參數(shù)（如持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度、線圈/電極位置和方向）對(duì)于提高再現(xiàn)性和促進(jìn)薈萃分析非常重要。
總之，MEG / EEG和TMS / TES的互補(bǔ)使用具有巨大的潛力，不僅可以提高我們對(duì)大腦認(rèn)知過(guò)程的理解，還可以開(kāi)發(fā)治療神經(jīng)和精神疾病的新方法。
圖 10. 先驗(yàn)靶點(diǎn)信息和刺激靶向/設(shè)備復(fù)雜性的相互契合的說(shuō)明。如果靶點(diǎn)位置或靶點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)只是粗略已知的（例如，前額葉皮層的腹側(cè)區(qū)域），則使用基本TES / TMS設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)靶向方法完全足夠，而更高的復(fù)雜程度甚至可能產(chǎn)生不利影響。如果單個(gè)靶點(diǎn)位置和靶點(diǎn)方向定義非常明確（如上面的癲癇示例），則應(yīng)應(yīng)用最佳的靶向方法和刺激裝置。
總結(jié)：
本文從電和磁的關(guān)系入手，通過(guò)亥姆霍茲互惠性（Helmholtz reciprocity）的基本原則，將腦電和腦磁，電刺激和磁刺激聯(lián)系起來(lái)。文中闡述了上述技術(shù)的原理，頭部建模、靶向定位的重要性，以及相關(guān)技術(shù)在腦機(jī)制理解，以及癲癇、腦卒中、焦慮癥、精神分裂癥等疾病治療中的應(yīng)用。
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