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经颅功能脑图谱(fTBA)指导fNIRS与TMS等经颅技术对脑功能系统的精确靶向 ——
朱朝喆课题组在《Neuroimage》提出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”.
2020年4月,北京师范大学认知近年来,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