同步 iTBS/fNIRS 技术揭示左侧 DLPFC 对 iTBS 的血流动力学响应
本研究“Investigating the hemodynamic response to iTBS of the left DLPFC: A concurrent iTBS/fNIRS study” 于2025年2月发表于国际顶刊《Brain Stimulation》（IF＝7.6），来自香港理工大学康复治疗科学系的 Adam W.L. Xia, Minxia Jin 和 Bella B.B. Zhang等人为本文的第一作者。
摘要/研究介绍
经颅磁刺激（TMS）已成为治疗抑郁症的重要手段，但刺激期间的实时神经活动变化一直难以捕捉。香港理工大学团队首次通过多通道近红外光谱（fNIRS）技术，同步监测间歇性 θ 波爆发刺激（iTBS）作用于左侧背外侧前额叶皮层（DLPFC）时的血流动力学响应，并探索个体差异对治疗效果的影响。
研究方法
参与者与实验设计
本研究采用前瞻性横断面设计，纳入 20 名右利手健康成年人（平均年龄 25.65±4.85 岁，男女各 10 人）。参与者需完成 3-15 次 iTBS/fNIRS 同步实验（间隔≥48 小时），共收集 157 次有效数据。排除标准包括精神疾病史、TMS 禁忌症及药物依赖等。
图 1. 实验设计示意图
同步iTBS/fNIRS技术
① 间歇性 θ 波爆发刺激（iTBS）
采用标准 iTBS 协议：20 串 θ 波爆发（每串 10 个 50Hz 脉冲，间隔 5Hz），共 600 脉冲，持续 3 分钟。刺激强度为 90% 静息运动阈值（RMT），通过 TMS 导航系统（LOCALITE）精准定位左侧 DLPFC（MNI 坐标 - 38, +44, +26）。RMT 通过刺激左侧初级运动皮层（M1）确定，确保诱发至少 50μV 的运动诱发电位。
② 近红外光谱（fNIRS）监测
使用 NIRxBorealis 系统，785nm/830nm 双波长，6.26Hz 采样率（(NIRx Medical System，南京尖创科技为该设备代理商），通过 21 个标准光极（13 光源 + 8 探测器）形成 28 通道（3cm 间距），覆盖双侧前额叶。8 个短距探测器（8mm）用于去除浅层组织干扰。信号采集分为刺激前、中、后各 3 分钟，参与者需闭眼静息以减少运动伪影。
图 2. fNIRS 光极与通道布置。a) 光极设计。b) 标准通道位置
③ fNIRS 数据处理
预处理：排除低质量通道（信号范围 500μV-1V），短距回归（SSR）去除浅层干扰。
独立成分分析（ICA）：分离并移除 TMS 诱发的瞬时波动成分及低频呼吸伪影（40-60 秒 U 型波）。
信号优化：小波降噪（α=0.1）、低通滤波（0.09Hz 截止）及基线校正（刺激前均值）。
个体差异变量
个体间因素：首次实验评估年龄、性别、教育年限及 NEO-FFI 人格特质（神经质、外向性、开放性、宜人性、尽责性）。
个体内因素：每次实验记录情绪（I-PANAS-SF 量表）、咖啡摄入、睡眠效率（Fitbit）、认知任务表现（SART 和 3-back）及体力活动水平（IPAQ-SF）。
统计分析
重复测量 ANOVA：比较刺激前 / 中 / 后血流动力学差异。
广义线性混合模型（GLMM）：纳入年龄、性别等 16 个变量，随机效应为参与者截距与斜率，固定效应采用 AR1 协方差结构。
多重校正：Bonferroni 调整（p<0.025），效应量计算 Cohen’s f²，R 语言模拟验证模型稳健性。
研究结果
iTBS刺激期间及后效的血流动力学变化
① 刺激侧 DLPFC
脱氧血红蛋白（HbR）在刺激期间显著升高，刺激结束后恢复至基线水平。氧合血红蛋白（HbO）虽整体存在波动（p=0.042），但经 Bonferroni 校正后无统计学意义。
② 对侧 DLPFC
HbR 在刺激期间和刺激后均显著下降，提示远程神经抑制效应。HbO 无显著变化。
图 3. 刺激侧与对侧 DLPFC 在 iTBS 刺激前、中、后的血流动力学响应
个体差异因素对iTBS诱导血流动力学变化的影响
① 人口学因素
年龄：年龄每增加 1 岁，刺激侧 HbR 反应增强 0.033 μM・mm（β=0.033, p=0.0047），表明皮层兴奋性随年龄增长更敏感。
性别：男性 HbR 升高幅度显著高于女性，同时 HbO 下降更明显，可能与激素水平或皮层结构差异有关。
教育年限：教育年限每增加 1 年，HbR 反应减弱 0.094 μM・mm，提示认知储备可能调节神经可塑性。
② 心理与生理因素
宜人性人格特质：得分每升高 1 分，HbR 反应减弱 0.013 μM・mm，可能反映情绪调节能力对神经活动的抑制作用。
积极情绪：积极情绪水平每升高 1 分，HbR 反应减弱 0.032 μM・mm，表明即时心理状态影响刺激效果。
其他因素：咖啡摄入、睡眠效率、体力活动等未显示显著影响。
图 4. iTBS 诱导血流动力学变化的个体差异因素
讨论
01. 局部和远程血流动力学响应
本研究首次揭示 iTBS 刺激期间左侧背外侧前额叶皮层（DLPFC）的脱氧血红蛋白（HbR）显著升高，而对侧区域 HbR 在刺激后持续下降。这一发现挑战了传统观点，即神经激活必然伴随氧合血红蛋白（HbO）升高。刺激侧 HbR 升高可能反映两种机制：代谢抑制（iTBS 直接降低局部代谢活动，减少氧气消耗）或血管直接激活（TMS 同时作用于神经元与血管系统）。对侧区域的 HbR 下降提示远程抑制效应，可能通过前额叶 - 顶叶网络或皮质 - 皮质下通路实现。值得注意的是，本研究结果与 Chang 等（2024）的 fMRI 研究存在差异（BOLD 信号升高），推测可能与刺激强度（本研究采用 90% RMT vs 80% RMT）或技术特性（fNIRS 对浅层皮层更敏感）有关。
02. 个体差异因素的影响
个体差异对治疗响应的显著影响表明，年龄、性别、教育及人格特质可能通过不同生物学机制调节血流动力学变化：
年龄：皮层厚度随年龄增长而减少，可能增强刺激穿透性，导致 HbR 反应增强。
性别：男性皮层 - 头皮距离更近，睾酮水平可能促进神经可塑性，而女性雌激素的神经保护作用可能减弱反应。
教育年限：高教育群体可能通过更高的认知储备（如谷氨酸 / GABA 平衡）抑制过度激活。
宜人性人格特质：高宜人性者情绪调节能力更强，可能通过前额叶 - 边缘系统连接抑制过度激活。
积极情绪：即时心理状态影响神经活动，提示需在患者情绪平稳时进行治疗。
总结
本研究在单次治疗层面揭示了临床间歇性 θ 波爆发刺激（iTBS）的神经机制：刺激侧背外侧前额叶皮层（DLPFC）的脱氧血红蛋白（HbR）在刺激期间显著升高，而对侧区域的 HbR 在刺激期间及后效期均呈现下降趋势。此外，研究强调在探索 iTBS 对皮层兴奋性的影响时，需充分考虑年龄、性别、教育年限、宜人性人格特质及积极情绪（PA）等个体因素的重要性。
