9.3 磁刺激神经调控
虽然电刺激是影响神经细胞活动最直接的方式，但考虑到侵入式电刺激对人体创伤较大，非侵入式电刺激的能量在传导过程中损失较多，同时电流在组织内传导的路线十分复杂，研究人员便试图利用其他形式的刺激在人体内诱导电流，磁刺激技术应运而生。
经颅磁刺激是基于法拉第电磁感应原理，通过外部变化的磁场在大脑中诱导产生电流［7］。1985年，英国谢菲尔德大学的学者Anthony Barker在《柳叶刀》杂志发文称，将平面线圈置于运动区头皮上，可在被试对侧手上记录到清晰的运动诱发电位（motor evoked potentials，MEP）。TMS也被称为“基于电磁感应对大脑进行的无电极电刺激”。TMS系统的构成如图9.6所示，除导航系统及其他辅助设备外，包括两个主要部分：一个是控制刺激输出的刺激器，另一个是用于产生变化磁场的线圈。施加磁刺激时，刺激器向线圈发送电流脉冲产生垂直于线圈平面的磁场，该电脉冲在短时间（＜1 ms）内增长到峰值强度并减小到零，磁场强度同样会在上升到峰值（高达约2.5 T）后迅速下降。由于非铁磁性物质的磁导率μ近似于真空磁导率μ0，因此这个快速波动的磁场可以不受阻碍地穿过受试者头皮和头骨，并在大脑中感应出一个电流，其性质由磁场变化率决定。该电流在与线圈平行的平面内流动，但与原始电流的方向相反。
TMS应用的刺激为脉冲型刺激，可分为单相和双相。通过调节刺激间隔、刺激持续时间等参数，可以组合成各种各样的刺激范式。典型的刺激范式有单脉冲磁刺激、双脉冲磁刺激和重复磁刺激三种。
图9.6 TMS系统的构成（摘自Transcranial Magnetic Stimulation［8］）（书后附彩插）
单脉冲磁刺激：单脉冲磁刺激每次将一个单独的脉冲应用于特定的皮质区域，可用于诊断和探测皮质对每个脉冲的反应。当应用于初级运动皮质时，单脉冲磁刺激可以诱发对侧肌肉活动，通过肌电图记录MEP，可以作为TMS效应的量化，用于测量运动阈值、皮质的兴奋性和功能区定位。
双脉冲磁刺激：又称配对脉冲刺激，是以极短间隔在同一个刺激部位连续给予2个不同强度刺激，或在2个不同部位应用2个刺激线圈分别给予不同强度脉冲刺激，多用于研究皮质易化及抑制作用，也可用于评估其功能连接性。
重复磁刺激（repetitive TMS，rTMS）：rTMS利用脉冲序列诱导皮质活动，其效应持续时间超过刺激持续时间。研究结果显示，1 Hz以下的刺激会导致刺激区皮质活动受抑制，而大于1 Hz的刺激会增强刺激区皮质活动。θ爆发式刺激（theta burst stimulation，TBS）是在rTMS基础上开发的一种快速刺激范式，其刺激频率在θ频段内。其常用刺激范式包括间歇性刺激和持续性刺激两种，间歇性刺激可产生兴奋作用，而持续性刺激可产生抑制作用。
除了不同的刺激范式外，线圈也是影响TMS作用效果的重要因素，不同的线圈类型会导致刺激区域的大小不同。刺激线圈由一个或多个绝缘性良好的铜线圈组成，线圈常封闭在塑料模具中，可有各种形状和尺寸，如图9.7所示。每个线圈的几何形状决定了感应电场的形状、强度和整体焦点，从而决定了刺激区域的形状、强度和整体焦点。
图9.7（a）所示为圆形线圈。圆形线圈是最古老、最简单的TMS线圈。单个线圈产生垂直于线圈的球形磁场。这类线圈尽管聚焦性不是很强，但很适用于单脉冲刺激范式。
图9.7（b）所示为8字形线圈，也称蝶形线圈。8字形线圈通过将两个圆形线圈相接形成。虽然每个线圈单独使用时聚焦性不是很强，但是线圈接触点处的叠加磁场比周围区域更强，因此刺激区域在空间中容易确定。这种类型的线圈是大多数临床和科研的最优选择。仿真建模结果显示，一个小的8字形线圈（每个线圈直径4 cm）可以实现大约5mm3的空间分辨率。
图9.7 不同形状的刺激线圈（摘自Transcranial Magnetic Stimulation［8］）
（a）圆形线圈；（b）8字形线圈；（c）双锥线圈；（d）Hesed线圈
图9.7（c）所示为双锥线圈。双锥线圈是最早出现的深部线圈，其构成类似于8字形线圈，但两个线圈（称为“翼”）不共面，而是呈一定角度。这种线圈通常可诱发较大的电场强度，常用于刺激下肢运动代表区或通过刺激内侧额叶达到激活前扣带回皮质的目的。
图9.7（d）所示为Hesed线圈，简称H型线圈。H型线圈是由比利时科学家Yiflach Roth和Abraham Zangen等提出的，通过具有多个平面的更复杂的线圈设计来实现的，产生磁场的衰减函数较为平缓，使得电流可以更深地进入大脑。H型线圈旨在刺激更深的皮质层。研究表明，H型线圈能够刺激皮质表面以下6 cm的神经结构。目前FDA已批准H型线圈用于治疗耐药性抑郁症。
除了以上较为典型的线圈类型外，研究人员也会根据具体的需求设计线圈，如用于深部刺激的H型线圈，由处在平行平面上的一大一小两个线圈构成，以及可以实现集中刺激的四叶草型线圈等。
自1985年开始，科学家对磁刺激的研究也不断深入，世界上第一个TMS装置是在1985年开发，最初用于诊断和研究，后来用于治疗。其在发展过程中通常与神经科学技术相结合，不仅用于评估大脑活动与行为之间的因果关系、皮质内和皮质间的相互作用［9］，以及各种神经精神疾病的神经生理学基础等，还应用于调节大脑活动，在一系列神经精神疾病如抑郁症、慢性疼痛和癫痫的治疗中显示出较好的应用前景。