癲癇知識

何謂腦磁圖

一、前言

人體腦皮質含有至少 1010個神經元,突觸或其他神經間連結之數目多達1014。當相鄰數千個腦神經細胞協同地在處理訊息,其所產生之微弱電流及磁場,可以利用具備 SQUIDs (superconducting quantum interference devices) 等超導感應設計之磁波計 (magnetometer) 在頭皮外加以記錄,這種檢測腦部磁場訊號的方法稱為腦磁圖(magnetoencephalography, 簡稱MEG) 檢測 。

早在 1968年 Cohen即曾利用單一感應線圈記錄人腦活動磁場以研究 腦部alpha 波,1970 年 Zimmerman 等人發展出裝配 SQUIDS 之磁波計,大為增進對腦部磁場之偵測力,此後MEG的應用潛力逐漸受到重視。近年來MEG 已從最初單一感應線圈進展到多重感應線圈排列、全頭型腦磁圖儀 (whole-scalp MEG) 。全頭型腦磁圖儀之感應線圈數量依廠牌機種有122、128、148、151、256、275、306等不同設計。目前 MEG 已經廣為應用於各種腦部功能之研究,而其在臨床上之應用層面及相關之方法學也逐漸開發中。

腦部電腦斷層(CT) 及磁振造影(MRI) 等檢查能提供靜態的腦部解剖學圖像,以探討有無結構性腦部異常;單光子放射斷層掃描 (SPECT)、正子放射斷層掃描(PET)、及功能性磁振造影(functional MRI) 等檢查是藉由分析腦部血流或腦部對特定物質之代謝狀況以研究相關腦部功能。這些檢查方法雖非侵襲性,受試者仍有暴露於x-ray、放射性同位素、強力磁場之虞。MEG檢查則沒有這些顧慮,藉由記錄腦部磁場並加以分析,可以探討潛在神經興奮源 (activation source) 在腦部之位置及相關神經生理意義。更重要的是,MEG 對神經活動訊號之時間解析度 (temporal resolution, 約 0.5 ms)明顯優於上述各種檢測工具,因而更能偵測瞬間之腦部活動狀況,此外,MEG也有良好之空間解析度 (spatial resolution, 約 5 mm) 以準確檢測特定腦部興奮現像所在的部位。


二、腦磁場記錄之原理及儀器設備

腦皮質神經受到刺激或興奮會產生局部之原發性電流 (primary currents) ,同時在其鄰近介質會伴隨有容積電流 (volume currents),MEG就是記錄這些電流相隨的磁場,實際上所偵測訊號主要來自於原發性電流。人腦輪廓近似球狀,若將整個頭視為圓球狀、對稱性之傳導體,MEG偵測敏感度與潛在原發性電流之方向很有關係,切線走向之神經電流 (tangential currents) 最能被 MEG偵測到。 因此MEG對來自於腦皮質溝 (cortical sulci) 內神經活動的研究是非常有用的。原發性感覺皮質 (包括聽覺、體感覺、視覺) 主要位於腦皮質溝內,可想而知MEG是探討感覺皮質功能的好方法。

腦皮質神經興奮所產生之磁場強度大約是 50–500 fT (1fT = 10-15 Tesla) ,要偵測如此微小的磁場,必須藉由磁通量轉換器 (magnetic flux transformer) 及 SQUIDs等超導性線圈設計。磁通量轉換器有數種類型︰magnetometer 係單一超導性感應線圈構成,它對深部神經活性及外界干擾訊號皆很敏感。為減少外界干擾訊號,有其他設計,較常用的如 first-order gradiometer及planar gradiometer。first-order gradiometer 是由兩個magnetometers一上一下反向纏繞而成,優點是大為減少外界干擾訊號而對腦皮質神經活性敏感。 planar gradiometer 是由兩個超導線圈在同一平面反向纏繞成 8 字型,優點是大為減少外界干擾訊號而對腦皮質神經活性很敏感,由最大訊號出現在哪幾個記錄點即可推測潛在神經興奮源的位子,但對較為深部之訊號偵測能力稍差。

至於磁通量轉換器的種類及數目依MEG廠牌、型式而異。就數目而言,有1、 7、 37、 64、 74 、122、148、156、… 以及多達306個等許多種。為了了進一步分析及定位興奮源,必須至少有20–60 個記錄位置,若使用記錄點較少的MEG進行實驗,必然要花較長時間才能收到足夠資料。台北榮總裝設的MEG系統是芬蘭 Neuromag 公司製造之 VectorviewTM,屬全頭型腦磁圖儀,含有102個magnetometers及 204個planar gradiometers,合計306 個感應器。

另一方面,腦皮質神經之微弱磁場大約只有地表磁場的 108 分之一,許多環境因素 (汽車或地鐵等移動物體、電力線、微波) 皆會產生磁場而干擾對腦部磁場之記錄,MEG 完整設備還包括磁場防護室 (magnetically shielded room)。防護室是由數曾 aluminum 及 mu-metal 構築而成,目的是減少外界磁場的干擾。


三、MEG與EEG之比較

腦電圖儀 (Electroencephalography,簡稱EEG)在人體之應用大約比MEG早了四十年,頭皮EEG主要是記錄腦部電位差,MEG則記錄腦部磁場,目的卻同樣在探討潛在腦部神經興奮源。二者對腦部神經偵測主要的差異有︰(1)MEG偵測突觸後神經細胞內電流 (postsynaptic intracellular currents),其敏感度與神經電流的方向很有關係︰切線走向神經電流 (tangential currents) 最能被 MEG偵測、但輻射走向神經電流(radial currents) 通常無法被 MEG偵,所以MEG對腦皮質溝 (cortical sulci) 內神經活動的偵測尤佳。EEG 偵測突觸後神經細胞外電流 (postsynaptic extracellular currents),不論是切線走向或輻射走向之神經電流均可能被 EEG 所偵測。(2)EEG 記錄不同部位之電位差,需要有參考電極 (reference electrode) ,MEG 係單極記錄各記錄點之磁場強度,並不需要有參考電極。(3)腦脊髓液、頭皮、頭蓋骨等腦外組織會阻礙電位的傳遞而影響 EEG記錄。但是這些結構對磁場不會有阻礙作用。因此,MEG 呈現之腦磁場圖樣較為局限性,也較能呈現特定興奮部位(4)對於切線走向神經電流,MEG可以提供較理想的定位,此外,針對臨近部位或臨近時間範圍內數個不同神經群組之興奮性研究,MEG提供的資料較有助於將這些神經群組加以區分。


四、MEG記錄及資料分析

MEG 記錄中,受試者不可穿戴任何具有磁性物質的衣物、不能戴磁性金屬牙具。受試者必須能夠充分配合,而且檢查中頭部不能任意轉動。此外,依個別實驗需求,得請受試者作必要的配合,例如避免過度眼動、集中或轉移注意力等等。資料收集方面,依個別實驗需求,可以記錄誘發性腦磁場、自發性腦磁場、或者同時記錄誘發及自發性訊號。常見的刺激方法有體感覺刺激 (觸覺、溫覺、痛覺)、聽感覺刺激、視感覺刺激,也可施予幻想刺激、臟器感覺刺激。

資料分析方面,主要利用dipole source modeling 的方式尋找出最可能之興奮源,基本假設是該興奮源為一電流雙極子,最簡單的模型即是把頭視為一均勻傳導球體。根據所記錄訊號,以 inverse solution 推測可能之電流雙極子,將可得到5個基本參數︰方向、大小、及位置座標 (X-軸、Y-軸、Z-軸)。再以 forward solution 計算出預測訊號,再應用 least squares原理以評估其 goodness of fit。此外,也可以應用minimum norm estimate (MNE) 來尋找出最可能之興奮源,相較於dipole source modeling 提供之極為局限性、幾近點狀的興奮源,MNE方法提供的一種 distributed solution,也許較近似生理狀況,但這種方法不能針對深度 (depth) 提供較準確預測。另外對於自發性腦磁場訊號,進行頻譜分析 (spectral analysis)以探討特定問題。

經適切的實驗設計,MEG記錄可以用於探討個別大腦感覺皮質之功能、特定腦區彼此間之功能互動關係、研究注意力、語言、及認知等複雜功能,也可用以探討特定腦區之恢復性或適應性、手術前後特定腦功能區之評估、癲癇病灶定位等等。


五、MEG 之應用

  1. 探討腦部如何處理各種感覺訊息
    例如,當看到某種圖案或聽到某種聲音,哪些腦部區域會有反應?反應的時間先後為何﹖不同類型圖案或聲音又會誘發何種反應?藉由各種感覺刺激可以研究各相關腦部區域的反應及相互關係。
  2. 探討腦部韻律活性 (rhythmical activity) 之來源及生理意義
    alpha-、mu-、gamma-、40 Hz- 等韻律活性也可以應用MEG進一步探討其生理意義。例如,藉由MEG-EMG coherence 研究,以將mu-韻律中 20-Hz 及10-Hz 兩種成份的來源及生理意義加以區分,20-Hz主要來自於運動皮質區,與肌肉運動有關。而10-Hz主要來自於體感覺皮質區。
  3. 協助定位重要功能區,以利腦部手術之進行以及預後之評估。
    MEG檢查可以定位皮質運動區、感覺區、視覺區、聽覺區,針對特定腦瘤患者,MEG可以提供手術前評估之重要資料。
  4. 對某些腦損傷患者,MEG可以協助評估其神經重整或恢復。
  5. 協助癲癇病灶之定位及評估其癲癇之傳播路徑。腦磁圖是一種完全不具有傷害性的腦功能檢查方法,全頭型腦磁圖儀可以在同一時間偵測整個腦部不同部位之興奮狀況,應用腦磁圖檢查癲癇患者可以協助確認癲癇病灶,並釐清病灶與其鄰近功能區位之位置相關性,有助於導引顱內記錄電極正確的擺置,以及後續手術執行計劃之擬定。
(以上文章感謝 林永煬醫師提供)