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前言
经颅磁刺激(TMS)可以通过感应电场(E-field)的位置、方向、强度等大量参数组合直接激活大脑皮层。这种灵活性为探索和调节皮层兴奋性提供了前所未有的机会，但同时也存在一定的挑战，当TMS线圈位于感兴趣的头皮区域时，电场对皮层神经元的实际影响是很难预测的。即使由最先进的TMS导航系统提供的个体头部模型作为先验信息，但这些关键因素如轴突定向、细胞结构和局部神经元兴奋性仍未能被很好地解释，并可能显著影响诱导的感应场和大脑活动之间的相互作用。
因此，在初级运动皮层(M1)上，TMS刺激参数(线圈位置、线圈方向、强度)最初是基于粗略的先验解剖信息设定的，然后进行事后调整，直到所选目标肌肉所记录的肌电图(EMG)活动满足标准潜伏期和振幅要求。因此，尽管脊髓运动神经元的兴奋性发生了变化(存在潜在混淆)，但运动诱发电位迄今为止已成为研究、诊断和治疗方案中滴定TMS参数的标准实时反馈。
然而，当刺激初级运动皮层以外的区域时，这种即时的读数是不可用的，因此无法可靠地控制TMS是否或如何有效地影响皮层神经元。这种控制的缺乏不仅限制了对于旨在诱导可塑性的TMS协议，而且对于将TMS与其他技术相结合来评估皮层电 路状态的研究也是如此。例如，皮层直接激活强度的差异已被强调为影响使用TMS结合脑电图(TMS-EEG)探测皮层兴奋性和连通性研究的可重复性的主要问题。显然，最大化刺激皮层神经元的直接影响，同时最小化颅面肌肉、磁或感觉激活等间接影响，是提高TMS-EEG研究的复现性、信噪比(SNR)和信息量的关键前提。为此，在研究者之前的TMS EEG研究中，使用了可视化软件，根据EEG对TMS反应的质量和振幅实时设置刺激参数。这些软件工具要么是在现已停产的EEG系统(eXimia EEG，Nexstim Plc，芬兰)上实现的，要么是基于特定设置定制的硬件/软件方案，因此，社区使用范围受到很大的限制。
在这里，研究者提出了rt-TEP(实时显示TMS诱发电位)，这是一个基于Matlab的开源软件工具，可以实时量化TMS对任何皮层区域的直接影响，同时最小化常见的混淆因素，如听觉相关的激活。使用rt-TEP，研究人员可以(i)有效地监测实验数据和更早地控制由小型线圈位置和姿态的调整引起的伪影，(ii)实时显示早期(8-50ms)TEP振幅，(iii)使用这种反馈滴定TMS，以达到预期的皮层初始激活水平，(iv)估计总体反应质量。通过提供早期(8-50ms)EEG反应的清晰可视化信息、交互式显示，rt-TEP指导操作者设置刺激参数，以确保在实验过程中很好地控制皮层激活水平。此外，通过提供后期整体响应的即时视图，rt-TEP可以用来调整其他相关的实验设置(例如，噪声掩蔽的响度和/或光谱特征)，以最小化听觉诱发电位的影响。rt-TEP接口最广泛使用的TMS兼容的EEG 放大器。源代码在网站https://github.com/iTCf/rt-TEP.git上获取，允许用户扩展本软件的兼容性到其他EEG放大器上。
原理和程序
用rt-TEP对TEP进行实时控制rt-TEP软件必须安装在客户端计算机(Windows、Mac或Linux操作系统)上，客户端计算机通过以太网接收来自服务器计算机的实时数据流，服务器计算机直接连接到EEG放大器，运行负责数据收集和存储的专有软件。第一步，rt-TEP引导操作者通过一系列交互窗口来选择所使用的EEG放大器(图1A)。目前，有四种不同的放大器可供选择：BrainAmp(Brain Products GmbH，德国)、g.HIamp(G.TEC Medical Engineering GmbH，奥地利)、eego™ mylab(ANT Neuro，荷兰)和Bittium NeurOne™ Tesla (Bittium Corporation，芬兰)。
然后，rt-TEP需要指定与服务器计算机连接的设置(例如，IP地址)和所需的数据显示(例如，记录通道的布局，感兴趣的时间窗口，采样率)(图1B)。原则上，可以指定和可视化任意一组EEG和EOG(眼电图)记录通道(图1C)，连接到同一个放大器的其他通道，如心电通道，必须包括在记录通道布局中，尽管rt-TEP不显示。
rt-TEP连接到放大器后，会显示连续的原始EEG数据(见图2，根据箭头进行操作)，以检查实时数据流是否能成功显示。此时，rt-TEP可以显示TEP特性了。这可以通过激活两种不同的交互可视化模式来实现(见图2中的箭头2和箭头3)，每次TMS脉冲后实时更新。按数字箭头顺序操作，可以在开始实际测量之前，指导操作者通过这一系列的步骤来优化刺激参数。如允许对单个试次的响应进行检查，有助于掩蔽脉冲伪影；计算剔除坏导后的平均参考；评估是否存在充电伪影，并将其从感兴趣的窗口中移除；检测、定位和避免/最小化颅面肌激活的潜在伪影。一旦所有影响早期刺激后时间间隔的伪迹被用户识别并最小化，那么显示平均数据提供了TMS对皮层神经元影响的定量评估。这是操作者进一步细化刺激参数的关键步骤，以确保EEG对TMS的早期反应在预期的振幅范围内，且不存在明显的感觉相关伪影。在典型条件下，这种EEG引导的参数搜索从初始线圈定位到感兴趣区域大约持续10分钟。
①SINGLE-TRIAL模式：最小化短潜伏期伪影在single-trial模式下，rt-TEP显示TMS脉冲周围特定时间段(如100-400 ms)的脑电图，每次刺激后都会刷新：EEG通道按地形排列显示(图2，箭头4)。这种模式允许用户快速检测和避免伪影影响刺激后的EEG初始部分。
脉冲伪影：通常，采用定制的电极形状来防止电极本身的涡流感应。通过设定EEG放大器的最佳采集参数，如宽测量范围、滤波带宽和高采样率，可进一步降低脉冲伪信号的持续时间。但即使这些程序已经准备好，电磁伪影仍然比大脑活动大几个数量级，阻碍了早期EEG反应对TMS的实时评估。rt-TEP允许从在线可视化中去除较大的脉冲伪影，在可选择的脉冲传递时间窗口内用一个恒定值替换真实信号(图2，箭头7)。以BrainAmp放大器为例，测量范围为16.384 mV，DC-to-1-kHz硬件滤波带宽和5-kHz采样率，将待替换时间窗口设置为相对于脉冲的-2到+5ms的恒定值，可以有效地消除脉冲伪影(图3A，B)。一旦消除了较大的脉冲伪影，y轴范围可以均匀地进行缩放，以便对EEG信号进行更仔细的检查。
从物理参考到平均参考，剔除坏导：放大器输出的数据是每个测量电极和参考电极之间的电位差。这些单极EEG记录不可避免地会受到物理参照点位置的影响，因为不管在身体的任何部位都没有一个完全“中性”的参照点。因此，无论是单试次还是共同参考的平均数据的时间过程都会人为地导致跨通道的高度相关性。这阻止了对具有特征空间分布伪影的检测，阻止了对广泛伪影和共模态信号的区分，并最终阻止了对真正的经颅磁刺激EEG反应的地形的评估。从理论上讲，平均参考是将每个EEG记录减去所有电极记录的线性组合，能够成功地减小单极参考所存在的偏差，提供了更好的空间信息和更可靠的信号振幅估计。为了计算一个可靠的平均参考，rt-TEP实现了利用一个简单的接口来实时拒绝坏通道(图2，箭头6)：拒绝的通道被排除在平均参考的计算之外，并且不显示。坏通道的检测可以在平均参考和共同参考中进行，因为rt-TEP允许在这两个蒙太奇之间切换，只需点击一下按钮(图3，箭头5)。这个步骤很重要，因为在计算平均参考时，某些通道的异常活动有如此大的振幅，会影响所有其他通道。这一步在检测和拒绝坏通道方面的灵活性是其他商业采集软件所不具备的，但这一步又是后续分析步骤的先决条件，由此可见这步的重要性。
充电伪影：事实上，EEG放大器也可能会受到后续对刺激器的电容器进行充电的干扰，这会导致有瞬态电流流动或充电期间线圈的电位变化(图3C)。如果消除了脉冲伪影，可以很容易地在rtTEP提供的单个试次显示器上识别出该充电伪影(图4)。这种伪影的波形可能会随着TMS线圈类型和刺激强度的特点而改变。如果在获取数据之前没有检测到充电伪影，但在感兴趣的时间窗口内却发现存在充电伪影，那么将会对测量结果造成不可逆的破坏。
如果该伪影存在，可以通过TMS单元上的软件延迟充电时间，能够有效地从感兴趣的窗口中排除充电伪影。例如，在2~2.3s随机抖动的脉冲间刺激时，操作者可以将脉冲后的充电时间设置在900~1000ms之间，以获得TMS周围最大的无伪影时间窗。
放电伪影：被导电凝胶和深层皮肤层的水离子胞外空间覆盖的区域，会被充当疏水介质的表皮角质层隔开，形成一个电容器。被脉冲充电后，这些电容立即放电，并在记录的信号上产生一个非指数衰减的伪影，如图5所示(图3D显示了一个具有代表性的放电伪影通道)。
通过降低表皮最外层的电阻，使用专门设计的EEG电极形状，可以防止放电伪影。特别是，将头发从与电极直接接触的头皮表面拨开；用磨砂膏擦拭皮肤；最后在皮肤和电极之间注入尽可能多的凝胶。如果衰减伪影仍然存在，进一步降低电极阻抗可能有助于降低其振幅。
肌电伪影：TMS脉冲与兴奋性头部组织(如肌纤维和外周神经)之间的相互作用可能会产生额外的伪影，由于皮层神经元的直接扰动，这些伪影会叠加在大脑反应上。事实上，经颅磁刺激脉冲可以通过靠近神经肌接点的肌内神经末梢去极化或激活其神经来诱发颅面肌抽搐。由此产生的肌电信号，由EEG电极记录，可以比神经信号大几个数量级，并且可以持续数十毫秒。如果脉冲、充放电伪影被消除，rt-TEP可以直接检测肌电伪影。它们的波形通常以双相偏转为特征，在刺激后的5-10ms和8-20ms达到峰值，然后在40-50ms左右缓慢回到基线水平(图6)。
当靶点位置远离头部内侧时，经颅磁刺激颅面肌超阈值激活的可能性取决于刺激强度和肌纤维主方向与诱发电场的夹角。图6显示了两个典型的单个试次的经颅磁刺激的EEG反应，通过刺激相同的皮层部位，以相同的强度，但线圈方向不同获得：图6A中清晰可见的肌电伪影通过简单地顺时针旋转线圈30°而大大减少(图6B)。虽然不可能在所有记录中完全消除这种伪影，但基于EEG的TMS参数微调可以在不损害皮层激活水平的情况下起到有效作用。总之，rt-TEP提供的单试次显示模式能够指导操作者通过一系列步骤来识别和消除这些伪影，以可视化、量化和优化TMS对底层电路的影响。
②AVERAGE MODE：最大化TEPs信噪比
为了优化初始皮层激活，减少明显伪影，在开始实际测量前设置刺激参数就很重要，如图7所示。该图直接比较了三个阶段收集的最终平均TEPs(150个试次)。图7A和B中的反应显示早期激活缺失/小，并以较大的晚期对称成分为特征，这些成分在中线通道上最大，这与前人的研究相似。这些波形与直接刺激皮层的效果几乎不同，后者被认为在脉冲后会立即在刺激部位触发较大的反应。相反，图7C中的TEP符合这些基本标准，与之前的研究相似。在这种情况下，一个强的初始激活之后是一个整体的高信噪比的非对称波形。重现这种反应只需要通过轻微调整强度(5-10% MSO)和/或刺激方向，最大化TMS对早期(8-50 ms)成分的直接影响，同时优化噪声掩蔽。做出这样的调整是相对简单的，但仅基于先验信息是不可能的，而且只有当操作者被TMS实时的信息视觉反馈(如rt-TEP提供的反馈)指导下才能做到这一点。
结论
本研究介绍并发布了一种新的工具，基于实时读取TMS对神经元回路的影响，来促进TEPs的获取。rt-TEP引导用户完成两个顺序步骤。第一步(single-trial模式)是用来检测和减少影响刺激后早期阶段的伪影。第二步(average模式)允许调整刺激参数，直到达到皮层激活的预期水平，这是由线圈下诱发的早期成分(8-50 ms)的峰-峰振幅判断的。这种高水平的初始皮层激活是获得高信噪比TEPs的必要特征，从而能够可靠地计算时空动态的复杂性。其实，研究人员和临床医生都希望避免出现如图7A所示的情况，这种情况不仅是TMS-EEG研究的明显缺点，也是干预性治疗方法(可塑性)的缺陷，而rt-TEP可以很容易地对此进行控制和优化。而且rt-TEP通过一系列可视化步骤，指导操作者消除/最小化数据采集过程中的伪影和混淆因素，考虑到了许多离线伪影排除算法(如主成分分析-PCA和独立成分分析-ICA)固有的局限性。最后，rt-TEP为实验人员提供了关于数据质量的清晰、实时反馈，能够有效地避免在后期处理数据时才发现TEP的质量很差。
原文：The rt-TEP tool: real-time visualization of TMS-Evoked Potentials to maximize cortical activation and minimize artifacts.
https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2022.109486
