本文從設(shè)計(jì)和解釋心理學(xué)實(shí)驗(yàn)的角度介紹了我們對(duì)TMS機(jī)制的理解現(xiàn)狀。討論了使用TMS進(jìn)行行為研究的進(jìn)展，總結(jié)了TMS在心理時(shí)間測(cè)量、感知、意識(shí)、學(xué)習(xí)和記憶方面的不同用途和挑戰(zhàn)，是經(jīng)顱磁在心理學(xué)上應(yīng)用的經(jīng)典好文。

1 前言

第一波人類經(jīng)顱磁刺激(TMS)的行為研究，在試圖產(chǎn)生類似神經(jīng)心理學(xué)損傷效果和我們對(duì)這種方法的基本生理學(xué)的理解之間存在著脫節(jié)。由于運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位(MEP)的可靠性和可操作性，對(duì)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)的研究引領(lǐng)了生理學(xué)理解的進(jìn)程。當(dāng)心理學(xué)家試圖模仿神經(jīng)心理病人的癥狀，或者測(cè)試有關(guān)過(guò)程的時(shí)間或順序的理論時(shí)，我們必須嘗試將對(duì)TMS在初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮層(M1)上的興奮和抑制作用的理解與自己的研究相結(jié)合，這并不容易。如果我們復(fù)制出一種臨床癥狀，比如語(yǔ)言缺陷、空間忽視、注意力受損，面容失認(rèn)癥，或計(jì)算障礙，是否能夠證明受刺激區(qū)域是行為的關(guān)鍵區(qū)域，是否是由于電流傳播而無(wú)意中刺激了鄰近區(qū)域，或者是否是二次刺激了另一個(gè)解剖上相連的遠(yuǎn)端區(qū)域？根據(jù)刺激部位的實(shí)驗(yàn)對(duì)照、時(shí)間測(cè)定和任務(wù)的特殊性，有充分的依據(jù)來(lái)推斷解剖和生理效應(yīng)，許多發(fā)現(xiàn)很有趣，而且在神經(jīng)心理學(xué)意義上具有表面效度，但要從神經(jīng)意義上解釋這些效果是非常困難的。

問(wèn)題是，M1以外的大多數(shù)腦區(qū)沒(méi)有提供類似于MEP的可衡量的指標(biāo)。有人把第一波TMS認(rèn)知研究稱為“點(diǎn)擊式時(shí)代（point-and-shoot era）”，即確定一個(gè)假定的神經(jīng)心理學(xué)感興趣區(qū)，對(duì)其進(jìn)行刺激，目的是擾亂與其相關(guān)的功能。我們發(fā)現(xiàn)了許多有趣的和可復(fù)制的效應(yīng)，盡管時(shí)間有限，但它們?nèi)匀淮嬖谇冶欢啻窝芯?/span>，但缺乏可信的機(jī)制解釋限制了這些發(fā)現(xiàn)的影響。

為了使行為TMS的發(fā)現(xiàn)具有生理學(xué)證據(jù)，我們提出了三種機(jī)制。第一個(gè)是TMS對(duì)認(rèn)知功能的影響是由神經(jīng)噪音引起的，TMS導(dǎo)致了刺激區(qū)無(wú)組織的活動(dòng)，阻止其正常功能的發(fā)揮。第二是相互競(jìng)爭(zhēng)，TMS抑制了神經(jīng)活動(dòng)，即通過(guò)減少信號(hào)而不是增加噪音。第三，Schwarzkopf認(rèn)為行為增強(qiáng)和損傷是因?yàn)?/span>TMS誘導(dǎo)了隨機(jī)共振效應(yīng)。然而，這些建議仍然是未經(jīng)檢驗(yàn)的假設(shè)。 

2 TMS與心理學(xué)新時(shí)代的五大因素

該領(lǐng)域的成熟基于五大支柱的進(jìn)步：

第一個(gè)是TMS引起的生理機(jī)制和行為變化之間的聯(lián)系。我們重點(diǎn)介紹了TMS和非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物的單細(xì)胞記錄的工作；

第二個(gè)是使用TMS和腦成像來(lái)理解人類認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)；

第三個(gè)是從運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的峰時(shí)依賴可塑性(STDP)研究中采用和發(fā)展配對(duì)關(guān)聯(lián)刺激(PAS)，以及認(rèn)知研究中雙線圈皮質(zhì)-皮質(zhì)PAS(ccPAS)。

第四個(gè)是狀態(tài)依賴，與TMS實(shí)驗(yàn)制定、執(zhí)行和解釋息息相關(guān)；

最后一個(gè)是行為，使用TMS來(lái)提高對(duì)心理功能的理解，并測(cè)試認(rèn)知過(guò)程理論。 

3 生理和行為

在介紹TMS時(shí)，最常收到的問(wèn)題是，您如何知道它在做什么？它的傳播距離有多遠(yuǎn)？它還會(huì)中斷網(wǎng)絡(luò)的其他哪些部分？在神經(jīng)元水平上發(fā)生了什么？效果會(huì)持續(xù)多久？如果我們考慮TMS的單個(gè)脈沖，我們現(xiàn)在就可以對(duì)這些問(wèn)題做出良好的回應(yīng)。

傳播始終是一個(gè)推論性問(wèn)題，其依據(jù)是，如果線圈移動(dòng)幾毫米或旋轉(zhuǎn)到不同的角度，MEPs或行為效應(yīng)將會(huì)減弱或消失。模擬TMS的傳播過(guò)程是困難的，因?yàn)槟X脊液和白質(zhì)/灰質(zhì)具有不同的傳導(dǎo)性，當(dāng)然模型也不涉及行為狀態(tài)。

闡明這些問(wèn)題所需的方法是直接的生理記錄。最初，這些記錄是在麻醉狀態(tài)中進(jìn)行的。從這些研究中，我們了解到TMS在兩個(gè)階段具有特定的興奮或抑制效應(yīng)(即抑制之后是更長(zhǎng)的興奮時(shí)間)；成對(duì)脈沖TMS在M1中的效應(yīng)反映在視覺(jué)皮層的誘發(fā)電位活動(dòng)中，并且TMS誘發(fā)電位活動(dòng)是狀態(tài)依賴的(與刺激前的神經(jīng)元活動(dòng)水平有關(guān))。但要想在生理和行為之間建立聯(lián)系，需要對(duì)清醒的、行為正常的猴子進(jìn)行記錄。Ortuno刺激執(zhí)行視覺(jué)檢測(cè)任務(wù)的猴子的初級(jí)視覺(jué)皮層(V1)，并記錄外側(cè)膝狀核(LGN)的活動(dòng)，TMS誘導(dǎo)的LGN活動(dòng)變化證明了次要位置的活動(dòng)受到影響，其影響是狀態(tài)依賴的。

最全和最新的進(jìn)展來(lái)自非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物的單細(xì)胞記錄，在視覺(jué)線索提示下的伸展、抓取、舉起和保持任務(wù)訓(xùn)練中記錄數(shù)據(jù)。在一些試驗(yàn)中，猴子的PFG上接受了運(yùn)動(dòng)閾值(MT)60%或120%的單脈沖TMS。記錄取自在任務(wù)中使用手的對(duì)側(cè)的下頂葉PFG的500多個(gè)細(xì)胞活動(dòng)，作為TMS強(qiáng)度、刺激線圈的距離和任務(wù)相關(guān)性的函數(shù)進(jìn)行分析(圖1)。在MT為120%時(shí)，TMS對(duì)單個(gè)神經(jīng)元有明顯影響。TMS脈沖會(huì)產(chǎn)生偽跡，所以實(shí)驗(yàn)分析了脈沖后10ms的活動(dòng)。TMS的主要作用是在前50ms誘發(fā)一連串動(dòng)作電位。在與任務(wù)無(wú)關(guān)的神經(jīng)元中，這與傳遞TMS的任務(wù)階段(即提示、舉起、抓取、保持)無(wú)關(guān)。在其他神經(jīng)元，早期興奮之后是一段抑制期，在少數(shù)神經(jīng)元中，第三階段的興奮可以持續(xù)長(zhǎng)達(dá)250ms(平均小于100ms)。對(duì)線圈距離的分析和與相鄰神經(jīng)元的比較表明，TMS的影響僅限于2-3 mm。在MT的60%時(shí)，TMS幾乎沒(méi)有生理效應(yīng)。

圖1 TMS對(duì)獼猴頂葉皮質(zhì)區(qū)單個(gè)神經(jīng)元的影響

注釋：(a)猴頭部和TMS線圈的3D模型，顯示記錄電極的接近角度。

(b)在伸手抓握任務(wù)期間，當(dāng)運(yùn)動(dòng)閾值(MT)為120%時(shí)，單細(xì)胞對(duì)TMS的反應(yīng)。無(wú)論是在任務(wù)開始時(shí)(灰色符號(hào))還是在到達(dá)期(黑色符號(hào))施加TMS，刺激均在約10至40 ms之間誘發(fā)一波活動(dòng)(紅色曲線)。在非TMS試驗(yàn)中，活動(dòng)無(wú)變化(黑色曲線)。光柵圖舉例說(shuō)明了響應(yīng)的一致性。

(c)另一類反應(yīng)是抑制-興奮-抑制。該神經(jīng)元的反應(yīng)顯示與b組中的細(xì)胞相同的初始興奮性爆發(fā)。當(dāng)在任務(wù)開始時(shí)應(yīng)用TMS(灰色符號(hào)和插圖光柵圖)時(shí)，有三個(gè)活動(dòng)階段:興奮(0–40 ms)、抑制(40–100 ms)和興奮(100 ms+)。在某些細(xì)胞中，較長(zhǎng)的活性維持期可延長(zhǎng)至300 ms。黑色曲線顯示了非TMS試驗(yàn)中神經(jīng)元的活性。(d)兩只猴的記錄位點(diǎn)網(wǎng)格，顯示記錄的空間特異性。

(e，f)該圖顯示了在TMS線圈中心(中心)、1 mm前部/后部(+1A，+1P)和1或2 mm中部以下的五個(gè)記錄位點(diǎn)的平均細(xì)胞應(yīng)答率(+1M，+2M)。這些圖表顯示了在120% MT下對(duì)TMS刺激的反應(yīng)(綠色曲線)、在60% MT下對(duì)TMS的反應(yīng)(紫色曲線)以及沒(méi)有TMS刺激時(shí)的反應(yīng)(灰色曲線)。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的最后一個(gè)發(fā)現(xiàn)是單脈沖TMS也在刺激區(qū)的中心和外圍誘導(dǎo)了低頻振蕩的增加。這些振蕩是TMS的誘發(fā)電位和長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)效應(yīng)的因素，大多在δ和較低的θ范圍。在腦電研究中，這種振蕩沒(méi)那么顯著。然而，單細(xì)胞反應(yīng)和腦電的空間和時(shí)間尺度不同。單細(xì)胞水平上的相對(duì)局部低頻振蕩與腦電、腦磁圖(MEG)中頻率變化較大的全局頻率之間的關(guān)系是今后研究的一個(gè)方向。

從心理學(xué)的角度來(lái)看，也許最有趣的發(fā)現(xiàn)是，在一些神經(jīng)元中，第一階段記錄的瞬時(shí)脈沖和第二階段活動(dòng)的減少與抓取任務(wù)表現(xiàn)受損的情況一致。已知PFG中的神經(jīng)元參與行動(dòng)目標(biāo)選擇和抓取行為。這是迄今為止將TMS誘導(dǎo)的神經(jīng)活動(dòng)變化與對(duì)行為的影響直接聯(lián)系起來(lái)的最強(qiáng)有力的證據(jù)。

Romero也開始評(píng)估持續(xù)θ脈沖刺激(cTBS)對(duì)單細(xì)胞反應(yīng)的影響。他們測(cè)量了300次cTBS脈沖后的反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)PFG區(qū)的大多數(shù)細(xì)胞活動(dòng)明顯減少。反應(yīng)分為三組：早期組，47%的細(xì)胞在cTBS后的前5分鐘受到影響；后一組，44%的細(xì)胞在cTBS后5-30分鐘表現(xiàn)出抑制效應(yīng)；以及非常晚的一組剩余細(xì)胞，在cTBS后30分鐘以上興奮性降低。這些結(jié)果表明，θ脈沖刺激雖然基于動(dòng)物研究并廣泛應(yīng)用于行為研究，但并不具有單一的效應(yīng)，這一點(diǎn)在解釋行為研究時(shí)必須加以考慮。

這些發(fā)現(xiàn)是我們理解TMS生理效應(yīng)的一個(gè)里程碑，至少為回答有關(guān)局部擴(kuò)散、與任務(wù)相關(guān)的細(xì)胞相互作用以及效應(yīng)持續(xù)時(shí)間提供了起點(diǎn)，還有助于解釋神經(jīng)噪聲、信號(hào)減少和隨機(jī)共振等機(jī)制。早期和晚期的興奮性反應(yīng)(圖1)對(duì)應(yīng)于噪音效應(yīng)，減少響應(yīng)的第二階段正好是信號(hào)減少假說(shuō)所預(yù)測(cè)的。振蕩階段，與早期脈沖和抑制階段不同，發(fā)生在閾下刺激，這與隨機(jī)共振描述是一致的。 

4 功能解剖網(wǎng)絡(luò)

TMS與功能磁共振成像的結(jié)合使我們能夠在整個(gè)大腦中描繪出神經(jīng)損傷的遠(yuǎn)程影響。這種方法的價(jià)值有三個(gè)方面。首先，它使我們能夠描繪TMS的次要影響。其次，任何復(fù)雜的人類行為都是通過(guò)分布式腦網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算的，將TMS與功能磁共振成像相結(jié)合，可以繪制出這些網(wǎng)絡(luò)的范圍和功能，以及因果關(guān)系。第三，存在無(wú)法直接用TMS刺激的皮質(zhì)和皮質(zhì)下區(qū)域；但是，TMS-fMRI聯(lián)合研究表明，刺激側(cè)面腦區(qū)可以調(diào)節(jié)偏遠(yuǎn)區(qū)域的神經(jīng)反應(yīng)，包括海馬旁回和杏仁核。

研究額葉是如何自上而下地控制視覺(jué)感知和決策的，這是一個(gè)經(jīng)證實(shí)非常有用的TMS-fMRI研究。在視覺(jué)辨別任務(wù)中額葉參與自上而下控制，在對(duì)額葉眼動(dòng)區(qū)（FEF）進(jìn)行TMS刺激的同時(shí)記錄fMRI數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)刺激右側(cè)FEF，V1至V4區(qū)域中央視野的視網(wǎng)膜視覺(jué)拓?fù)浔碚鞯幕顒?dòng)降低，外圍視野的表征增加。一項(xiàng)后續(xù)的TMS研究證實(shí)了這些結(jié)果的行為學(xué)相關(guān)性，證明了TMS刺激FEF，增強(qiáng)了外圍視覺(jué)刺激相對(duì)于中心視覺(jué)刺激的感知對(duì)比度。

TMS-fMRI聯(lián)合研究在研究其他認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)方面也是非常有價(jià)值的。之前令人困擾的問(wèn)題，即行為影響是否源于二次刺激，變得容易解決。人臉感知網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)很好的例子。研究表明，不同的腦區(qū)優(yōu)先代表不同的面部特征，如情緒、身份、注意點(diǎn)和社交線索。TMS-fMRI可以系統(tǒng)地干擾這些腦區(qū)，并檢查網(wǎng)絡(luò)連接的因果關(guān)系。Pitcher使用這種方法來(lái)區(qū)分處理動(dòng)態(tài)和靜態(tài)面部特征的皮層通路。通過(guò)θ脈沖 (TBS) 刺激右側(cè)枕葉人臉處理區(qū)(rOFA)或右側(cè)顳后上溝(rpSTS)。與現(xiàn)有的人臉處理模型相反，研究發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)面部特征(如身份)和動(dòng)態(tài)面部特征(如表情)是通過(guò)從早期視覺(jué)皮層開始的分離的皮層通路進(jìn)行處理的。

像OFA和pSTS這樣的腦區(qū)可以被直接刺激，人臉感知網(wǎng)絡(luò)的其他部分，如杏仁核，不能直接成為TMS的目標(biāo)，但可以通過(guò)二次刺激的網(wǎng)絡(luò)來(lái)探究。非人靈長(zhǎng)類的神經(jīng)解剖學(xué)研究確定了一條從STS到杏仁核的皮質(zhì)通路。Pitcher將離線TBS和功能磁共振成像結(jié)合起來(lái)，被試在觀看面部和物體視頻時(shí)進(jìn)行掃描，通過(guò)對(duì)rpSTS進(jìn)行TBS刺激，右側(cè)杏仁核對(duì)面部視頻的神經(jīng)反應(yīng)減少，這一結(jié)果與非人靈長(zhǎng)類數(shù)據(jù)一致(圖2)。

圖2五5個(gè)ROI在cTBS前后動(dòng)態(tài)面部、身體和物體刺激的信號(hào)變化

進(jìn)一步可以使用TMS-fMRI在沒(méi)有任務(wù)要求的情況下觀察認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)。Handwerker結(jié)合TMS和靜息態(tài)功能磁共振成像(rsfMRI)，繪制了整個(gè)人臉感知網(wǎng)絡(luò)被短暫破壞的遠(yuǎn)程影響。與控制組相比，在rpSTS施加TBS刺激，靜息態(tài)網(wǎng)絡(luò)連接減少，不僅在rpSTS和其他面部選擇區(qū)之間觀察到，而且在大腦腹側(cè)、內(nèi)側(cè)和外側(cè)表面觀察到(如，右側(cè)杏仁核和雙側(cè)梭狀回和枕葉人臉處理區(qū))。在沒(méi)有任務(wù)需求的情況下觀察網(wǎng)絡(luò)完整性，使TMS-rsfMRI具有臨床價(jià)值，因?yàn)楸辉囋趻呙鑳x中完成任務(wù)很困難。例如，TBS結(jié)合rsfMRI已被用于研究衰老，視覺(jué)空間忽視、小腦連接和抑郁癥。

結(jié)合rsfMRI和TMS也可以用來(lái)測(cè)量刺激如何改善解剖網(wǎng)絡(luò)中的功能連通性。Wang研究了參與聯(lián)想記憶的皮層-海馬大腦網(wǎng)絡(luò)，使用rsfMRI確定左側(cè)海馬和左側(cè)頂葉之間的功能連接。連續(xù)5天在左側(cè)頂葉部位持續(xù)高頻TMS(20 Hz)刺激20分鐘。與假刺激相比，TMS增加了刺激部位和左側(cè)海馬之間的功能連接，伴隨著聯(lián)想記憶任務(wù)中行為表現(xiàn)的改善。

5 峰時(shí)依賴可塑性

TMS效應(yīng)的基本生理學(xué)和TMS與fMRI相結(jié)合所揭示的網(wǎng)絡(luò)反應(yīng)，證實(shí)了心理學(xué)實(shí)驗(yàn)中關(guān)于TMS的重要推論。使用兩個(gè)線圈刺激大腦皮層的研究，在生理和行為學(xué)上也取得了很大進(jìn)展，即STDP(峰時(shí)依賴可塑性)，指的是突觸前和突觸后活動(dòng)隨時(shí)間的變化。這一Hebbian機(jī)制已經(jīng)在小動(dòng)物上進(jìn)行了研究，神經(jīng)藥理學(xué)研究揭示了N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)和谷氨酸在誘導(dǎo)長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)中的作用以及GABA突觸在抑制中的作用，具有顯著的時(shí)間特異性。Hebbian學(xué)習(xí)模型是，重復(fù)成對(duì)刺激一個(gè)腦區(qū)(條件脈沖)，幾毫秒后再刺激第二個(gè)腦區(qū)(測(cè)試脈沖)，提高了兩個(gè)部位之間的突觸效率，使得第二個(gè)腦區(qū)更容易接受來(lái)自第一個(gè)腦區(qū)的輸入。在人體中，使用TMS對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的研究表明，使用外周神經(jīng)刺激與皮質(zhì)TMS脈沖配對(duì)的PAS，如果這兩個(gè)刺激相差幾毫秒的時(shí)間窗，可以誘導(dǎo)MEPs變化。刺激正中神經(jīng)(MN)10ms后，在M1施加TMS刺激降低了隨后的MEP，而25ms的MN-M1間隔增加了MEP。Rizzo稱之為ccPAS（皮質(zhì)-皮質(zhì)PAS），我們使用這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)指代所有關(guān)于可塑性的雙皮質(zhì)刺激研究。在右手(左半球) 和左手(右半球)的M1上以0.05 Hz施加TMS脈沖30min，兩個(gè)半球之間的延遲為8毫秒。為每個(gè)被試設(shè)置刺激強(qiáng)度，范圍在靜息運(yùn)動(dòng)閾值的115%到125%之間。生理效應(yīng)是增加右半球手部表征的MEP，降低大腦半球間抑制(IHI)。通過(guò)在左右M1上施加35-45毫秒的長(zhǎng)延遲的單個(gè)脈沖來(lái)測(cè)量IHI，這些脈沖會(huì)抑制MEP。在行為學(xué)上，ccPAS加快了左食指(右半球)的反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)30分鐘。

ccPAS(皮質(zhì)-皮質(zhì)配對(duì)關(guān)聯(lián)刺激）的M1效應(yīng)似乎是穩(wěn)健的和可復(fù)制的。Buch在被試完成伸展和抓握任務(wù)時(shí)，在腹側(cè)運(yùn)動(dòng)前區(qū)(PMv)施加TMS以調(diào)節(jié)M1。持續(xù)至少一個(gè)小時(shí)的STDP(峰時(shí)依賴可塑性)效應(yīng)是狀態(tài)依賴的，因?yàn)楫?dāng)被試執(zhí)行任務(wù)時(shí)，PMv上施加TMS誘導(dǎo)了M1的興奮，但靜息態(tài)時(shí)，PMv上施加TMS抑制了M1的活動(dòng)。然而，這對(duì)任務(wù)本身的表現(xiàn)沒(méi)有影響。Chao在后頂葉皮質(zhì)(PPC)上施加TMS后8毫秒調(diào)節(jié)M1，獲得了M1興奮性的變化。他們發(fā)現(xiàn)STDP對(duì)MEP的影響持續(xù)了一個(gè)多小時(shí)，但對(duì)任務(wù)沒(méi)有影響。Johnen使用ccPAS探究了在PMv和M1之間誘導(dǎo)更強(qiáng)的連接，是否會(huì)轉(zhuǎn)化為在被試執(zhí)行伸展抓取任務(wù)時(shí)通過(guò)fMRI測(cè)量的功能連接的增加，發(fā)現(xiàn)ccPAS在任務(wù)執(zhí)行期間增加了兩個(gè)腦區(qū)之間的連接強(qiáng)度，而沒(méi)有增加靜息態(tài)的連接。隨后的分析表明，PMv-M1的ccPAS對(duì)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)之間的相互作用具有特定的影響。PMv與AIP之間的功能連接增強(qiáng)，而背側(cè)運(yùn)動(dòng)前區(qū)(PMd)與M1、PMd與后頂上小葉(pSPL)之間的功能連接降低。對(duì)行為學(xué)沒(méi)有影響。

Santarnecchi還研究了ccPAS(皮質(zhì)-皮質(zhì)配對(duì)關(guān)聯(lián)刺激）如何改變腦網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)(圖3)。他們將ccPAS應(yīng)用于默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)(DMN)的頂葉和任務(wù)積極網(wǎng)絡(luò)(TPN)的前額葉。根據(jù)fMRI研究，這兩個(gè)腦區(qū)在各自網(wǎng)絡(luò)中的連接強(qiáng)度是負(fù)值。根據(jù)先前對(duì)額頂網(wǎng)絡(luò)的STDP(峰時(shí)依賴可塑性)研究，采用三種時(shí)間條件：DMN/TPN ISI +10ms，DMN/TPN ISI -10ms，DMN/TPN ISI=0ms。在15分鐘內(nèi)以0.2 Hz的頻率施加成對(duì)的脈沖。他們沒(méi)有測(cè)量運(yùn)動(dòng)皮層中的STDP，而是研究當(dāng)因變量為BOLD信號(hào)時(shí)，認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的不同部分對(duì)TMS脈沖有何反應(yīng)。兩個(gè)發(fā)現(xiàn)是：(a)當(dāng)DMN脈沖先于TPN脈沖10ms時(shí)，兩個(gè)腦區(qū)的負(fù)連接性發(fā)生了明顯的變化，以及(b)在三分之一的被試中，連接變?yōu)檎?圖3)。其影響也是依賴于狀態(tài)，也沒(méi)有任何行為學(xué)影響的報(bào)道。

圖3 ccPAS對(duì)左角回和左額葉之間的功能連接強(qiáng)度的影響

我們對(duì)ccPAS(皮質(zhì)-皮質(zhì)配對(duì)關(guān)聯(lián)刺激）感興趣，是希望STDP(峰時(shí)依賴可塑性)在臨床上應(yīng)用，在Rizzo之后的研究，盡管STDP發(fā)生了顯著的生理變化，但大多數(shù)研究要么沒(méi)有測(cè)量，要么沒(méi)有看到STDP帶來(lái)的行為變化。Kohl嘗試將ccPAS誘導(dǎo)的STDP的生理與行為相匹配。他雙向刺激了下額葉(IFC)和前SMA。他們假設(shè)在IFC之前4或10ms刺激前SMA，會(huì)抑制丘腦底核(STN)并干擾行為任務(wù)，而在刺激前SMA之前 4或10ms刺激IFC會(huì)促進(jìn)STN和任務(wù)執(zhí)行。他們以0.2 Hz的頻率施加了100對(duì)ccPAS脈沖。他們給被試的兩個(gè)任務(wù)是停止信號(hào)反應(yīng)時(shí)間(SSRT)任務(wù)和時(shí)間折扣任務(wù)。雖然他們報(bào)告了對(duì)SSRT的一些影響，但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)對(duì)延遲折扣任務(wù)的影響。這一領(lǐng)域的挑戰(zhàn)是建立生理上STDP效應(yīng)(通過(guò)MEPs或fMRI測(cè)量)和行為之間的聯(lián)系。

Veniero誘導(dǎo)了長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(LTP)和長(zhǎng)時(shí)程抑制(LTD)的STDP(峰時(shí)依賴可塑性)，并測(cè)定其對(duì)誘發(fā)電位的影響。通過(guò)以5毫秒的ISI在8分鐘內(nèi)用100個(gè)脈沖對(duì)刺激PPC和M1來(lái)誘導(dǎo)雙向STDP。當(dāng)ccPAS對(duì)MEP有抑制作用時(shí)，PPC和M1之間的β相干性增強(qiáng)。當(dāng)ccPAS誘發(fā)MEP的興奮時(shí)，兩個(gè)區(qū)域之間的α相干性增加。Veniero使用的范式，與結(jié)合TMS-EEG在視覺(jué)、注意和意識(shí)方面的工作是一致的，值得推廣。

另一個(gè)問(wèn)題是產(chǎn)生行為效應(yīng)。Momi使用ccPAS同步刺激左額頂網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)。用2 Hz、ISI為10ms的脈沖對(duì)雙向施加ccPAS，時(shí)間為15分鐘。經(jīng)過(guò)5周的重復(fù)刺激和行為測(cè)試，觀察到STDP和方向性行為改變的跡象。額-頂葉ccPAS與關(guān)系推理的改善有關(guān)，而頂-額葉ccPAS與邏輯推理任務(wù)的改善有關(guān)。這是一個(gè)罕見的ccPAS(皮質(zhì)-皮質(zhì)配對(duì)關(guān)聯(lián)刺激）產(chǎn)生復(fù)雜行為變化的例子。

 

6 狀態(tài)依賴關(guān)系

從某種意義上說(shuō)，所有的TMS研究都是基于狀態(tài)依賴的。感知和認(rèn)知實(shí)驗(yàn)中的狀態(tài)依賴方法主要?dú)w功于Juha Silvanto的努力。TMS的作用取決于被刺激的腦組織的當(dāng)前興奮狀態(tài)。然而，在認(rèn)知實(shí)驗(yàn)中，背外側(cè)前額葉皮質(zhì)(DLPC)、PPC、FEF、OFA等的當(dāng)前狀態(tài)，沒(méi)有諸如MEP的直接測(cè)量指標(biāo)。Silvanto的主要貢獻(xiàn)是利用心理實(shí)驗(yàn)中的狀態(tài)依賴來(lái)提高TMS的功能分辨率。

Silvanto利用適應(yīng)性來(lái)影響被刺激區(qū)域的初始狀態(tài)。他的第一項(xiàng)研究可以作為認(rèn)知依賴狀態(tài)的TMS模型。被試適應(yīng)顏色/方位刺激30秒，并報(bào)告測(cè)試刺激的顏色。在呈現(xiàn)測(cè)試刺激后的不同時(shí)間給予TMS。在非TMS試驗(yàn)中，被試觀看適應(yīng)刺激的補(bǔ)色，但在視覺(jué)區(qū)施加TMS誘導(dǎo)了對(duì)原始的適應(yīng)刺激顏色的偏向。

該方法現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于心理意象的研究，短期記憶、字母選擇、抽象、動(dòng)作觀察和語(yǔ)義處理。Cattaneo的研究觀察到了在視覺(jué)或語(yǔ)言區(qū)之外施加TMS產(chǎn)生的命名效應(yīng)。他們測(cè)試了TMS對(duì)左側(cè)PMv，工具詞編碼中類別特異性神經(jīng)元表征的影響。給被試呈現(xiàn)一個(gè)初始類別名稱(“工具”或“動(dòng)物”)，以使PMv適應(yīng)一個(gè)或另一個(gè)類別的對(duì)象，然后當(dāng)目標(biāo)詞與初始類別一致或不一致時(shí)施加TMS，初始效應(yīng)消失了。狀態(tài)依賴的TMS的另一個(gè)例子來(lái)自對(duì)動(dòng)作識(shí)別的研究。Mazzoni使被試適應(yīng)情感運(yùn)動(dòng)的點(diǎn)光顯示。他們?cè)邳c(diǎn)光源顯示開始時(shí)，在前頂內(nèi)溝(aIPS)、pSTS或枕極上施加重復(fù)TMS(rTMS)。只有在aIPS上施加TMS，才能影響被試對(duì)快樂(lè)或恐懼運(yùn)動(dòng)的識(shí)別。

我們可以把STDP和依賴于狀態(tài)的TMS這兩個(gè)最新進(jìn)展結(jié)合起來(lái)。有三項(xiàng)研究可以作為狀態(tài)依賴和ccPAS如何結(jié)合使用的例子。第一個(gè)使用三個(gè)線圈ccPAS刺激雙邊M1和SMA。它們誘導(dǎo)了雙向和時(shí)空特異性STDP，當(dāng)SMA-M1間隔6ms時(shí)MEP增強(qiáng)，而M1-SMA間隔15ms時(shí)MEP降低。為了使這些聯(lián)系發(fā)生，左M1和右M1必須同時(shí)受到刺激。第二項(xiàng)研究，Romei在V5和V1施加TMS，以0.1 Hz的頻率傳送90對(duì)ISI為20ms的刺激，改善了被試在運(yùn)動(dòng)一致性任務(wù)中的表現(xiàn)。后續(xù)研究中，Chiappini表明這種強(qiáng)化效應(yīng)取決于狀態(tài)(圖4)。

一類特殊的實(shí)驗(yàn)使用雙線圈刺激來(lái)探測(cè)腦區(qū)之間的相互作用。Hartwigsen實(shí)驗(yàn)室的研究人員稱它們?yōu)?/span>條件干擾實(shí)驗(yàn)，并展示了它們?cè)?/span>動(dòng)作編程和語(yǔ)義決策方面的作用。Hartwigsen在被試執(zhí)行空間預(yù)先提示的反應(yīng)時(shí)間任務(wù)之前，使用兩個(gè)線圈在PMd上施加1 Hz離線TMS。任務(wù)中，在顳上回(SMG)上施加10 Hz在線rTMS。這兩個(gè)腦區(qū)的聯(lián)合刺激使無(wú)效線索試驗(yàn)時(shí)反應(yīng)時(shí)間減慢，但單獨(dú)刺激SMG不會(huì)產(chǎn)生減慢。他們將其擴(kuò)展到不同形式的離線刺激和不同的行為領(lǐng)域。在被試執(zhí)行語(yǔ)音或語(yǔ)義決定任務(wù)時(shí)，在SMG或角回上施加cTBS作為離線刺激，在線條件下在前額葉或后側(cè)下額葉(IFG)上施加10 Hz刺激。離線角回和在線aIFG刺激使語(yǔ)義判斷任務(wù)的RT減慢。 

7 行為發(fā)現(xiàn)

視覺(jué)意識(shí)一直是許多TMS研究的主題。Allen使用離線cTBS再現(xiàn)了失明效果。θ刺激可能不會(huì)在單個(gè)部位產(chǎn)生單一效應(yīng)。通過(guò)將cTBS與磁共振波譜(MRS)和MEG相結(jié)合，Allen的研究表明，盡管cTBS降低了皮層活性，增加了GABA濃度，但意識(shí)閾值降低了，而不是像預(yù)測(cè)的那樣提高了。效應(yīng)在cTBS后0到48分鐘內(nèi)是穩(wěn)定的。他們提供了一個(gè)很好的例子，說(shuō)明了生理抑制性TMS是如何導(dǎo)致行為增強(qiáng)的。同一研究小組還使用腦磁圖作為使用TMS的計(jì)時(shí)指南，以測(cè)試前SMA和IFC在反應(yīng)抑制中的作用。

離線刺激后行為改善的一個(gè)例子表明，使用心理物理任務(wù)可以幫助解釋生理機(jī)制。V5上施加TMS通常被用來(lái)干擾運(yùn)動(dòng)知覺(jué)，但由于其較大的感受野，該區(qū)域也涉及到空間抑制。Tadin在V5或后枕葉上施加1 Hz的TMS 15min，同時(shí)被試執(zhí)行運(yùn)動(dòng)辨別任務(wù)，造成的抑制中斷導(dǎo)致了運(yùn)動(dòng)辨別任務(wù)的改善。

頂葉的注意功能長(zhǎng)期以來(lái)一直是TMS研究的焦點(diǎn)。Rangelov探究了前饋視皮層輸入對(duì)注意力捕獲是否必要。他們繞過(guò)了視靜脈輸入，將TMS作為有效和無(wú)效的信號(hào)來(lái)誘發(fā)光幻視。與真實(shí)的視覺(jué)刺激相比，產(chǎn)生了相似的效果，盡管略弱，但繞過(guò)解剖通路的范式可以推廣至TMS-fMRI、TMS-EEG和狀態(tài)依賴實(shí)驗(yàn)。Herring的研究表明，單脈沖TMS誘導(dǎo)的視覺(jué)系統(tǒng)振蕩活動(dòng)與內(nèi)源性振蕩具有相同的神經(jīng)起源和特征。他們測(cè)量了被試在跨模態(tài)注意任務(wù)中的經(jīng)顱誘發(fā)電位(TEP)和腦電圖α反應(yīng)。在視覺(jué)注意條件下，TMS增強(qiáng)了TEP(N40)的一個(gè)早期成分，而α功率降低。

頂葉除了注意力還涉及其他功能。Vesia基于非人靈長(zhǎng)類動(dòng)物的單細(xì)胞研究解析了頂葉的功能特異性(圖5)。他們?cè)谏享斎~枕區(qū)(SPOC)和頂內(nèi)溝的兩個(gè)位置(頂內(nèi)溝和角回)施加了三個(gè)10 Hz的TMS脈沖。被試執(zhí)行延遲的空間掃視或到達(dá)任務(wù)，rTMS在延遲期內(nèi)施加。頂內(nèi)溝和角回上的TMS增加了到達(dá)反應(yīng)的變異性，對(duì)對(duì)側(cè)目標(biāo)的到達(dá)和掃視準(zhǔn)確性降低。在SPOC上施加TMS使到達(dá)任務(wù)的準(zhǔn)確性降低，但不影響掃視。

在記憶領(lǐng)域，TMS的研究范圍從啟動(dòng)記憶到工作記憶、情景記憶、元記憶和陳述性記憶。傳統(tǒng)意義上，記憶與海馬和額葉有關(guān)，但TMS的研究也發(fā)現(xiàn)了枕葉的記憶功能。Hilbert研究數(shù)字廣度的工作記憶時(shí)發(fā)現(xiàn)，在任務(wù)開始前，對(duì)枕極施加近10分鐘的1Hz的TMS會(huì)損害被試的記憶表現(xiàn)。幾項(xiàng)TMS研究發(fā)現(xiàn)感覺(jué)皮層在工作記憶中的作用，例如在V5上施加在線rTMS。Van Lamsweerde用單脈沖TMS在枕葉上可以擾亂被試能記住的項(xiàng)目數(shù)，可能是干擾了工作記憶的鞏固。他們還肯定了在研究記憶的某些方面時(shí)考慮感覺(jué)皮層刺激表征的重要性。

在情景記憶領(lǐng)域，一系列研究使用rTMS、rsfMRI、fMRI和EEG來(lái)區(qū)分不同的記憶路徑，并在24小時(shí)內(nèi)增強(qiáng)情景記憶。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)在面孔-單詞聯(lián)想記憶任務(wù)中改善行為。一項(xiàng)結(jié)合TMS和EEG的隨訪研究復(fù)制了這一發(fā)現(xiàn)，使用了物體位置記憶任務(wù)。TMS提高了空間精確度，但不是整體精確度，還引起了電生理測(cè)量的變化。成功回憶試驗(yàn)的θ-α范圍的功率降低，TMS刺激后回憶相關(guān)事件的事件相關(guān)活動(dòng)電位的幅度也降低了。還有研究使用功能磁共振成像測(cè)量了TMS對(duì)記憶形成的影響。通過(guò)三項(xiàng)功能指標(biāo)和三項(xiàng)不同的記憶任務(wù)發(fā)現(xiàn)，在后側(cè)皮質(zhì)-海馬網(wǎng)絡(luò)施加rTMS選擇性地改善了記憶，并改變了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)模式。 

8 TMS對(duì)行為影響的機(jī)制是通用的？

在狀態(tài)依賴實(shí)驗(yàn)中，我們看到TMS激活了適應(yīng)性的神經(jīng)元群體，優(yōu)先激活當(dāng)前任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)元群體。因此，在物理參數(shù)空間、時(shí)間、相關(guān)性和意識(shí)狀態(tài)之間，有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即TMS優(yōu)先刺激弱激活的群體。我們首先強(qiáng)調(diào)了更好地理解TMS生理學(xué)的必要性，但這些行為實(shí)驗(yàn)為未來(lái)的生理記錄提出了新的問(wèn)題。如果像過(guò)去一樣，我們被問(wèn)到如何知道TMS在做什么，我們可以把這個(gè)問(wèn)題返回給有心理背景的電生理學(xué)家，然后問(wèn)，心理狀態(tài)對(duì)生理反應(yīng)有什么影響？了解TMS的生理效應(yīng)和被刺激的大腦的生理狀態(tài)之間的雙向相互作用是下一階段進(jìn)展的先決條件。 

9 總結(jié)

本文作者認(rèn)為，我們對(duì)過(guò)去10-12年的進(jìn)步可能過(guò)于樂(lè)觀，但諸如單細(xì)胞記錄、STDP、狀態(tài)依賴、解剖可靠性、MEP、光幻視和網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)等研究仍是有參考價(jià)值的?，F(xiàn)有研究已經(jīng)在技術(shù)上、概念上、和經(jīng)驗(yàn)上取得了進(jìn)展。但是，與純粹的行為實(shí)驗(yàn)相比，將TMS與各種方法(fMRI、EEG、MEG、MRS、眼動(dòng)、MEP等)相結(jié)合，樣本量往往很小。而且使用兩個(gè)線圈并不容易，且沒(méi)有報(bào)告效應(yīng)量大小，很少有預(yù)先注冊(cè)的研究。所有這些都是弱點(diǎn)且是可以改進(jìn)的：報(bào)告無(wú)效結(jié)果，考慮實(shí)驗(yàn)的預(yù)注冊(cè)，充分報(bào)告刺激方法，采用和改編來(lái)自其他研究領(lǐng)域的開放數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)。我們鼓勵(lì)所有作者和審稿人參與提高該領(lǐng)域的整體研究質(zhì)量。

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