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1、摘要低频经颅磁刺激对大鼠影响的脑电分析摘要经颅磁刺激(Transcranial magnetic stimulation, TMS)作为一种无创、无痛的刺激方式，在诊断和治疗方面有广阔的应用前景。目前在癫痫治疗方面，使用低频经颅磁刺激(low-frequency rTMS)进行辅助治疗的研究比较多，但是其治疗原理还在研究之中。脑电分析是电生理研究的一项重要手段，近期研究表明脑电信号具有一定的混沌特性。鉴于低频rTMS研究的重要性，以及低频rTMS前后脑电研究的不足，本文从脑电的非线性动力学和功率谱方面分析了低频rTMS对大鼠大脑的影响。本文首先研究了低频rTMS对正常大鼠脑电的影响，使用了10
2、0个频率为0.5Hz的阈上经颅磁刺激，采集刺激前后大鼠的脑电信号进行分析，同时还进行了对照组实验。分析结果表明，rTMS刺激后大鼠脑电相关维数和功率谱的高频部分，比刺激前降低，并具有显著性意义，而对照组没有此结果。该结果表明低频rTMS对大脑活动有一定抑制作用。本文还研究了500个0.5Hz的rTMS对诱发癫痫的大鼠的作用。实验结果表明，低频rTMS有降低大鼠癫痫发作级别的趋势。同时本文还得到了大鼠癫痫发作各个典型阶段的脑电波形，并分析了脑电相关维数在发作过程中的变化规律。最后，本文讨论了TMS运动诱发电位在研究大鼠脊髓损伤方面的应用。结果表明，TMS运动诱发电位的潜伏期可以反映大鼠脊髓损伤的
3、情况。本文还将独立成分分析(ICA)方法用于运动诱发电位提取，发现该方法有助于分析起始点不够明确的运动诱发电位。关键词：经颅磁刺激；脑电；相关维数；功率谱；运动诱发电位iiiEEG Analysis of Effects of Low-Frequency Transcranial MagneticStimulation on ratsLinxia Li (Electrical Theory & New Technology)Directed by Xiaolin HuoAbstractTranscranial magnetic stimulation (TMS), a non-invasive
4、 and painless tool, is apotential therapeutic and diagnostic tool in psychiatry. Recently, there are manyresearches about low-frequency repetitive TMS (rTMS) on the therapy of epilepsy.However, the reason why rTMS is useful is still under discussion. Nowadays,electroencephalography (EEG) is said to
5、have nonlinear dynamical characters, butthere are still no researches about whether the nonlinear dynamical characters of EEGchange after low-frequency rTMS. In this work, nonlinear dynamical characters andpower spectral of EEG were compared before and after low-frequency rTMS on rats.First of all,
6、the present work discussed the influence of low-frequency rTMS onhealthy rats. A train of 100, 0.5Hz rTMS was applied on each rat, with the intensityabove motor threshold, while sham stimulations were conducted on rats of controlgroup. EEG before and after stimulation were collected and analyzed. Th
7、e resultsshowed that correlation dimension and higher frequency parts were decreasedsignificantly after rTMS, while sham stimulation did not cause this effect. This resultsupport that low-frequency rTMS have inhibitory effects on the brain.A train of 500, 0.5Hz rTMS was applied on a group of rats, w
8、ith the intensityabove motor threshold. After stimulation, PTZ was injected and rats were expected tohave seizures. Compared with the control group, rats after rTMS developed lowerranks of seizures. At the same time, EEG was recorded before and after rTMS. EEG atdifferent seizure status were grouped
9、 and analyzed. How correlation dimensionchanged during seizure development was discussed.At last, the use of TMS to test motor evoked potential (MEP) of rats with spinalinjury was discussed. Results showed that latency of MEP could reflect the injurystatus of spinal cord. In this work, independent c
10、omponent analysis was used todecompose MEP from EMG signals. It seems that this method is helpful to analyzeMEP with blurred start.Key words: Transcranial magnetic stimulation (TMS), electroencephalography (EEG),correlation dimension, power spectrum, motor evoked potential (MEP).iv论文答辩说明本人郑重声明：所呈交的论
11、文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国科学院电工研究所或其他研究教育机构的学位论文所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解中国科学院电工研究所有关保留、使用学位论文的规定，即：电工研究所有权保留并送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅，电工研究所可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解码后也遵循此规定）签名：导师签名：58日期
12、：第一章引言第一章引言1.1经颅磁刺激概述1.1.1经颅磁刺激发展历史1985年Barker等人1用平面线圈对运动皮层进行刺激，观察到手肌的抽动，而且记录到了运动皮层诱发电位，这成为经颅磁刺激 (Transcranial magneticstimulation, TMS)历史上的第一个试验。同一年，Merton在伦敦首次将一连串经颅磁刺激施加于运动皮层1（Barker 1985）。1988年Ueno首次提出了一种新型的线圈八字线圈，它比圆线圈具有更好的聚焦性。TMS作为一种无创、无痛的刺激方式，很快被证明是探测运动通路的一种十分有效的方法。它的发展也十分迅速，线圈逐渐由圆型发展到目前常用的“8
13、”字线圈，刺激也由单个刺激变为重复经颅磁刺激(repetitive TMS, rTMS)以一定频率重复的TMS。TMS的迅速发展得益于它具有下面的优点：A)无痛感；B)非入侵式；C)穿过颅骨时刺激强度不衰减；D)安全有效且易于操作；E)不接触皮肤，不需要对皮肤进行处理。1.1.2经颅磁刺激原理rTMS与TMS都是将脉冲磁场作用于脑组织，诱发一定强度的感应电流，使神经细胞去极化并产生诱发电位。但rTMS在神经元不应期也进行刺激，兴奋更多水平走向的联接神经元，产生兴奋性突触后电位总和，使皮层之间的兴奋抑制联系失去平衡。并且，rTMS的不同频率刺激可能对皮层代谢及脑血流有不同影响，如高频刺激可能导致
14、局部代谢水平增高，而低频刺激则可能导致其降低。此外，rTMS可以显著地影响脑内神经递质及其传递、不同脑区内的多种受体（包括5羟色胺(5-TH)、5-TH2、5-THlA、N-甲酰-D-门冬氨酸(NMDA)等）以及调节神经元兴奋性的基因表达，这些可能是rTMS调节脑功能状态的机制之一2。TMS与传统的电刺激相比主要的不同是：电刺激通过表面电极注入电流，而TMS是利用时变磁场在组织内产生感应电场，该感应电场进而影响神经活动。因为磁刺激在皮肤，软组织和颅骨上没有能量损失，所以造成与电刺激相同的刺激效果时，需要的能量就少，造成的伤痛就少3。一般强度的TMS刺激时不会有痛感，因此为无创、无痛的刺激方式。11.1.3经颅磁刺激的主要应用TMS的应用可以分为两大类：诊断作用和治疗作用。在诊断方面，TMS技术可以用来做大脑皮层功能的定位，研究大脑皮层的兴奋性。TMS还经常用来研究运动中枢传导路径(central motor pathway)，测量中枢传导时间(central conduction time)，检查外围神经病变 (radiculopathy)及神经丛病
