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視覺認知實驗室 - TMS
 


TMS 簡介:

歷史 :
  Michael Faraday ( 1831 )提出電磁共生的理論( electromagnetic induction ), d'Arsonval ( 1896 )利用該原理,直接刺激視網膜,發現會產生光幻視( phosphenes )的生理效果。 Barker 等人( 1974 )開始研究用短期磁脈衝刺激周邊神經,並且希望將此發展成臨床上可用的磁刺激器( magnetic stimulator ),以記錄肌肉動作電位( muscle action potentials )。相較於過去臨床上使用的電刺激,磁刺激是一種無痛、非侵入性且較為舒服的工具。於是 Polson 等人( 1982 )就利用磁刺激器( magnetic stimulator ),刺激周邊神經,並且記錄到 muscle evoked potential (MEP) 。 Barker 等人( 1985 )更進一步的改良磁刺激器的設計,使得能量的轉換效率由 20 %增加至 80 %,並且在不須將大腦打開的情況下,利用磁刺激刺激人類的運動皮質,也因此迅速展開 TMS 的研究。

磁刺激原理( Principles of Magnetic Stimulation ) :
  由於大腦中的神經傳導是需要電流的改變,穿顱磁刺激( transcranial magnetic stimulation, TMS )就藉助這個特性,以一種非侵入性、無痛且安全的方式,利用金屬線圈,直接對腦中特定區域發出強力但短暫的磁性脈衝,在人腦的神經線路上引發微量的電流。當電流流經 TMS 的銅線圈,會先轉變成磁能,這個強大且快速變化的磁場穿透過皮膚及頭骨。雖然電磁場的強度可高達 1.5 特士拉( tesla ,為磁通量密度單位)磁場強度的磁脈衝,是地球磁場的三萬倍,但每個脈衝只持續不到幾毫秒,沒有攜帶多少能量。加上磁場強度會隨著距離增加而快速下降,因此只能穿越 2-3 公分的大腦外層皮質。當準確定位的磁場抵達時,會引發附近神經元產生小幅的電流,興奮了腦中的特定目標區域。
   Magnetic nerve stimulator 包括二個部分,一是高電流脈衝產生器( high current pulse generator )可以發射出 5000 安培的電流,二是刺激線圈( coil )。刺激線圈的內部是由銅線繞成環狀,加上溫度感應器及安全開關,外面是以塑膠材質覆蓋( Reza Jalinous, 1998 )。
   線圈又可分為單環線圈( single circular coil )及雙環線圈( double circular coil )(圖 1. ),單環線圈正中央的感應電流是 0 ,感應電流最大值是在中央點外圍 50mm 。而雙環線圈正中央的感應電流是最大值(圖 2. )。
   目前常用的 TMS 系統,主要是 Magstim 系統,該系統的電容器( capacitor ),可儲存高達 2800 伏特( volts ),當電容器接到 trigger input signal ,此時儲存在電容器的能量就會送到刺激線圈。電容器開關( Thyristors )可以在數毫秒內,產生強大電流。發射的電流可分為 monophasic, biphasic & polyphasic (圖 3. ):
•  monophasic 的優點是可以減少線圈內熱量的浪費,降低噪音,減少刺激雜訊以及增加刺激準確度。
•  biphasic 的優點是適合 bilateral cortical stimulation ,但是準確度較 monophasic 低。
•  polyphasic 的優點也是適合 bilateral cortical stimulation ,但是雜訊高,易生熱,準確度也較 monophasic 低。
( 可參考 http://www.biomag.hus.fi/tms/Thesis/dt.html#1 )

TMS 的實驗方式 :
  
  單一磁性脈衝( single-pulse )的 TMS 只能產生即時的效果,例如,將單一磁性脈衝送入受試者腦中的運動皮質,依線圈放置位置的不同,造成受試者手部、手臂或腿部產生短暫的抽搐動作( Reza Jalinous, 1998 )。
     反覆 TMS ( repetitive TMS, rTMS )是以連續且帶有規律的磁性脈衝引起行為的改變,這種行為效果與單一磁性脈衝不同,在進行 rTMS 的短時間內, rTMS 能夠阻斷或抑制某個大腦的功能,例如,重複刺激在控制語言的運動區上,可造成受試者暫時無法說話。藉由這種「功能性剔除」的方法,我們可以重新檢視過去從腦傷病人身上所得來的知識。 rTMS 依刺激頻率可分為 Low-frequency TMS: < 1 Hz ,以低頻的電訊刺激神經元,造成「長期壓抑」( long-term depression, LTD )的現象,降低了細胞之間聯繫的效率,以及 High-frequency TMS: >1 Hz ,是以較高頻的電訊刺激產生興奮效果,亦即產生「長期增益」( long-term potentiation, LTP )。 rTMS 嘗試以類似 LTD 或 LTP 的方式來改變大腦路線,造成神經細胞網路的抑制或興奮,這個效果可以持續數分鐘到數個小時之久,也讓我們開始思考如何藉由 rTMS 來重新塑造大腦路線。為了進一步瞭解 rTMS 對於腦中線路的影響, Bohning 等人希望發展出能夠同時進行 rTMS 及功能性磁造影( fMRI )掃瞄的方法,讓我們準確的知道刺激到大腦哪一個區域,以及 rTMS 刺激前後的神經線路的改變為何( Reza Jalinous, 1998 )。
   目前 TMS 主要應用在探討大腦可塑性( brain plasticity )、語言、運動、計算 ” 神經傳導時間 ” ( conduction velocity changes )、精神疾病及視知覺( visual perception )等問題。在使用 TMS 的安全性問題上, TMS 並不會產生長期神經心理上的效果( long-term neuropsychological effects ),過去研究指出 single-pulse TMS 並不會產生副作用,可是有一些研究指出 rTMS 對於一些受試者可能會產生痙攣,而這些受試者通常有癲癇的家族史。此外,服用抗憂鬱劑患者、心臟病患者皆不能接受 TMS 刺激。若想要知道更多、更詳細的資料,可參考 Reza Jalinous 編寫 TMS 指導手冊( Guide to Magnetic stimulation )及 Wassermann ( 2002 )在 Handbook of transcranial magnetic stimulation 的第四章。

TMS 的安全使用事項相關網站
http://www.ists.unibe.ch
http://www.psycom.net/depression.central.transcranial.html
http://members.aol.com/mag stim/

圖A

圖A

   

圖 1. A 為單環線圈及磁場強度 3D 圖。 B 為雙環線圈及磁場強度 3D 圖。

   
   

圖 2. 單環線圈及雙環線圈感應電流強度。

   
   

圖 3. 電容器發射電流型態, monophasic ( A ) , biphasic ( B ) & polyphasic ( C )。

   
   
   


 

 
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