Neuroimage：如何提高经颅技术靶向脑功能系统的准确性？

来源：brainnews

2020年4月，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室朱朝喆课题组围绕“提高经颅技术靶向脑功能系统的准确性”在著名脑影像方法学期刊Neuroimage发表如下论文：“Targeting Brain Functions from the Scalp: Transcranial Brain Atlas based on Large-scale fMRI Data Synthesis”.
 
近年来，经颅技术（近红外成像fNIRS和经颅磁刺激TMS）在认知神经科学研究和临床治疗中发挥着日渐重要的作用。然而经颅技术面临着一个根本的技术挑战，即如何在头壳表面放置光极/线圈，以使得它们能够有效地测量/调控到感兴趣的脑功能活动。
 
我们在此前研究中构建的经颅解剖图谱可以将脑解剖信息以直观的方式显示在颅骨表面，提供一种直观的可视化方式指导光极/线圈放置。但当研究者的目标是脑功能系统时，使用解剖图谱就需要额外建立功能与解剖的对应关系，这一过程耗时耗力，并可能引入主观因素带来的误差。此外，脑功能信息的原始空间尺度为体素级别，而解剖图谱的空间尺度仅为解剖分区级别，使用解剖图谱来表达功能信息会大大降低空间精度，丧失解剖分区内部的功能信息细节。
 

因此，本研究旨在直接构建经颅功能图谱。步骤如下：
      1. 基于大数据脑影像元分析建立具有高空间精度的脑功能图谱
      2. 基于此前建立的高分辨率颅-脑对应关系，建立标准颅骨空间到功能信息的概率对应模型。也即将将脑功能图谱直接表达在头壳表面得到经颅功能脑图谱（functional transcranial brain atlas, fTBA）
      3. 给出在个体头壳上如何根据fTBA完成放置的protocol图 1. fTBA的构建流程

图2 头壳导航系统，由3D磁定位仪和导航软件构成。当定位仪探笔标记头壳上任意一点时，这一位置会相应显示在导航软件的图谱上。

基于该框架，我们构建了运动和工作记忆系统的经颅功能脑图谱，并在fNIRS和TMS研究中进行了验证：     

图3 左侧.(a,d)运动相关脑功能图谱（功能特异性图谱: action execution和范式特异性图谱:finger tapping） (b,e)运动相关脑图谱的经颅技术可通达性，即图1中的P(b|s) (c,f)运动相关的经颅脑功能图谱
右侧. 工作记忆相关脑功能图谱，可通达性，经颅脑功能图谱 

在fNIRS验证实验中，我们利用fTBA指导的光极放置可以观测到被试在执行运动和工作记忆任务时的显著激活，并表现出较高的敏感性和特异性。
      敏感性：图谱内通道可以成功检测到任务相关的功能活动（显著激活）。
      特异性：图谱内通道的平均激活水平显著高于图谱外通道。
在TMS验证实验中，刺激运动区7*7网格所得到的MEP（运动诱发电位）map和fTBA map相似。此外，相比传统的确定运动区位置的方法，如10-20系统C3和从Cz出发的5-cm放置原则，利用fTBA指导放置的刺激位点距离运动区的hot-spot点（MEP最大的位置）更近，能更精确地刺激到运动区。

综上，经颅功能图谱解决了以脑功能系统为目标的研究中经颅导航的挑战。通过将功能信息无损、高精度地显示在颅骨表面，实现了更加精确、可靠的fNIRS光极及TMS线圈放置。根据感兴趣的功能不同，经颅功能图谱构建框架可以灵活订制不同的功能系统及具体范式图谱。