什麼是複雜中值項
非侵入性腦刺激（NIBS）實驗涉及許多重複的過程，這些過程在該領域的研究中的還不夠標準化。考慮到實驗設計以及研究人員經驗的多樣性，需要一個自動化但是靈活的資料收集和分析工具來提高NIBS實驗的客觀性、可信度和可重複性。本研究開發的BEST工具包是一個基於matlab的開源軟體，具有圖形化的使用者介面，允許使用者進行設計、執行和分享可自由配置的涉及多種技術的方案（protocols）（包括經顱磁刺激、電刺激和超聲刺激（TMS、tES、TUS））、多個session的NIBS研究。BEST工具包可以相容各種記錄和刺激裝置，可以透過對肌電和腦電的資料進行分析，來實現刺激引數實時設定，以促進閉環方案和實時應用。目前該工具包的功能不斷擴充套件，已有的功能包括TMS運動熱點搜尋、閾值估計、運動誘發電位（MEP）和TMS誘發腦電電位（TEP）的測量、劑量反應曲線、配對脈衝和雙線圈的TMS、rTMS干預。
1 簡介
過去三十年，非侵入性腦刺激被廣泛用於基礎和臨床的研究中。越來越多的刺激技術，包括經顱磁刺激、電刺激和超聲刺激（TMS、tES、TUS）以及外周電刺激（PES），以及各種特定的測量和干預方案已被開發出來。儘管如此，許多實驗流程沒有很好地標準化，這影響了實驗間的可比性和可重複性。此外，NIBS與無創的電生理和神經成像手段的結合越來越多，如肌電、腦電和功能磁共振成像（EMG、EEG、fMRI）。而且新方法（如大腦狀態依賴的腦刺激（brain state-dependent brain stimulation））的引入，使得實驗的設計和執行時時，對NIBS使用者的要求越來越高，通常需要定製硬體和軟體使用方案。
為了提高NIBS研究的客觀性和可重複性，鼓勵開放科學，並支援新手使用者可以按照最高標準開展NIBS研究，本研究開發了大腦電生理記錄和刺激（BEST）工具包。該工具包是一個開源軟體，並且具備圖形使用者介面（GUI），使用者可以方便地設計實驗，能夠靈活但標準化、自動化地執行實驗的多個序列（session）和各種不同的刺激和記錄方案（Protocol）。實驗檔案可以方便儲存、分享和發表。BEST工具包相容各種常用的記錄和刺激裝置，可以線上分析和視覺化電生理和行為資料，並自動實時調整刺激引數，以促進資料質量監測和閉環實時應用。
2 技術規格（Technicalspecifications）
BEST工具包是一個開源的跨平臺工具（Windows，Mac， Linux）應用程式，基於MATLAB2017b 結合Java-MATLAB介面工具開發的高階GUI，與其他MATLAB工具包（如FieldTrip，SPM和MAGIC）相容。BEST工具包可以在1。5 GHz雙核處理器和8GB RAM，允許4GB的最大陣列大小（array size）和總記憶體被MATLAB使用的標準計算機上流暢執行。它的低階（low-level）和高階（high-level）函式也可以在自定義的MATLAB指令碼中分別使用，以獲得最大的靈活性。該軟體的開原始碼可以在GitHub （github。com/umairhassan/ best-toolbox）上獲取。網址best-toolbox。org上有詳細的技術文件，包括軟體依賴關係、硬體配置、使用者指南和影片教程。歡迎使用者透過GitHub頁面提交bug報告和需要的額外功能，並註冊一個賬號，以獲得關於bug修復和新功能的通知。
3 輸入/輸出介面 & 時間問題說明
BEST 工具包不僅相容各種傳統硬體裝置（圖 1 A），它既可以採集EMG 、EEG訊號，或按鍵資訊，也可以控制 TMS、tES、TUS 或 PES 裝置進行腦刺激，它還帶有開源訊號處理軟體和微控制硬體，以及實時計算機系統。可以依據先前輸出的引數可以對輸入的引數進行自動評估並且對線上引數調整和迭代，這使得BEST 工具包能夠為各種協議（protocol）提供閉環模式。在本節中，我們將討論當前支援的輸入和輸出介面、與神經導航的整合以及使用 BEST 工具包執行腦刺激實驗的時間複雜度。
圖1A。 BEST工具包環路原理圖。
測量裝置（如EEG/EMG放大器）將數字化訊號傳送到介面裝置（如bossdevice）或直接傳送到BEST工具包，該工具包對訊號進行評估，遠端設定刺激引數並觸發刺激裝置。
BEST工具包還可以與神經導航和
機器人定位裝置進行雙向互動。
3.1 輸入（記錄）（Input (recording)）
BEST 工具包集成了多個應用程式程式設計介面（Applocation Programming Interfaces， API），可以以鎖時的方式從不同的裝置
透過不同的選擇接收時間序列資料。
無論是在相同或不同核心上執行，FieldTrip實時緩衝區（FieldTrip Real Time Buffer）都可以接收各種裝置的輸入，然後透過 TCP/IP 協議將其提供給 BEST 工具包。此外，使用CED Power1401或Micro1401微控制器單元的控制軟體如果和BEST 工具包在相同的核心上執行則可以訪問資料並且可以透過序列（COM）或並行（LPT）的方式與BEST工具包的主機連線收集來自按鈕盒、鍵盤或其他輔助裝置的被試反應。具有數字和模擬輸入和輸出通道的專用實時系統，例如bossdevice可以實時接收和處理來自特定 EEG 放大器（如NeurOne Tesla；actiCHamp Plus）的EEG 和 EMG 資料。在與 BEST工具包相同的核心上載入 bossdevice Simulink Real-Time 韌體，它透過 MATLAB API 提供對原始和處理過的時間序列資料進行實時訪問，能夠為實時應用程式（如EEG-triggered TMS）啟用準連續資料流。
3.2 輸出（刺激）（Output(Stimulation)）
BEST 工具包使用多個 API 與多種輸出裝置連線，以遠端配置刺激引數（例如強度、刺激間間隔等）並觸發刺激（單脈衝或預定義的刺激序列）。MAGIC 工具包（https：//github。com/nigelrogasch/MAGIC）透過序列連線設定 TMS的刺激引數，目前支援 MagVenture、MagStim和 Duomag裝置，並且 NeuroFUS API （ https：//github。com/umair-hassan/neurofus-api ） 允許配置NeuroFUS Pro TUS 裝置（BrainBox， UK）。序列連線（COM、USB）直接與 BEST工具包的主機連線，並且TTL（RS232）觸發脈衝可透過其並行埠或專用 I/O 卡傳送。此外，開源微控制器（如，Arduino、Raspberry-Pi）透過步進電機以機械方式轉動裝置的強度刻度盤生成脈衝寬度調製控制訊號可以作為生成任意序列控制命令和 TTL 觸發脈衝的一種有效低成本解決方案，從而促進定製解決方案（例如，DS7A恆流刺激器的遠端控制）。Bossdevice則是透過 MATLAB API 連線到 BEST 工具包，使用最先進的 FGPIO 系統生成高精度 TTL 脈衝（或脈衝序列）。
3.3 神經導航（Neuronavigation）
除了與記錄和刺激硬體的連線之外，與基於 MR 的無框架立體定向神經導航系統（例如，TMS-Navigator，Localite，Germany）的雙向網路通訊為 BEST 工具包提供了導航刺激裝置的當前位置（例如，TMS 線圈或 TUS 感測器），用於目標控制和逐個試次（trail-by-trail）的目標成功的記錄。BEST 工具包能夠從預定義目標列表中進行選擇，指導使用者或相容的機器人系統（例如，TMS-Cobot， Axilum， France） 到下一個放置刺激裝置的位置。這有助於半自動或全自動閉環熱點搜尋（使用演算法的開發來評估當前目標的質量並智慧地確定下一個目標）以及刺激目標的逐次混合試驗。開源系統（如，InVesalius Navigator）將被包含在未來的版本中。
3.4 時間複雜度（Timecomplexity）
透過 BEST 工具包控制的單個實驗試次所需的總時間包括了裝置韌體、API、作業系統和 BEST 工具包的處理時間，每個元件都有自己的時間複雜度（演算法的執行時間作為其輸入長度的函式），以及某些特定於硬體的延遲。實驗所需的計時精度取決於其具體實驗目標，使用者必須提供符合此要求的硬體設定， BEST 工具包相容高精度（例如，實時腦電圖系統和 bossdevice）和低精度（例如，FieldTrip 緩衝器和主機序列/並行埠）的設定。
對於輸入端來說，一個關鍵因素是BEST 工具包獲得數字時間序列資料所需的時間。對於從具有實時數字輸出的記錄裝置（例如，NeurOne Tesla 或 actiCHamp Plus）透過實時系統（例如，bossdvice）到執行 BEST 工具包的 MATLAB 例項的 UDP 流，可以短至 5-10 毫秒。請注意，對於快速和瞬態事件（例如，EEG 振盪相位）的實時定位，相關資料處理必須完全在實時系統內進行（大約接收資料後的 3 毫秒），而 BEST 工具包只進行一些耗時短的關鍵的線上分析和結果繪圖。相反，資料在透過 FieldTrip 緩衝區進行 TCP/IP 流傳輸約 200-500 毫秒後到達 BEST 工具包，並且從 CED 微控制器獲取資料需要約 400-800 毫秒。
在輸出端，相當大的延遲可能與用於改變刺激引數或觸發刺激器的序列命令的準備、傳輸和處理有關（例如，改變刺激強度需約300-500 毫秒，而反向電流需約3000-4000 毫秒）。從並行埠或 I/O 卡傳送 TTL （RS232） 脈衝到刺激裝置的專用觸發輸入通道會引起較短的延遲（~10–20 ms）。此外，BEST工具包在主機上執行的所有程序最終都依賴於其硬體（CPU、顯示卡、記憶體等）的效能，並受到作業系統其他程序的干擾，造成額外的延遲。對於時間要求嚴格的協議，相對與外部事件，需要高精度的脈衝開始時間（例如，實時EEG誘發TMS，real-timeEEG-triggered TMS）或精確的脈衝間隔（例如，ppTMS 或 rTMS），trigger應該更好地由專用的外部硬體（例如，開源微控制器或實時bossdevice）生成，將trigger延遲減少到亞毫秒範圍。為了確保脈衝間隔的精度，如果沒有足夠的輸出硬體可用於提供精確的觸發定時，也可以將定時控制（部分或全部）移至刺激器（對於某些型號）。
此外，BEST 工具包本身的時間複雜度取決於給定實驗協議中不同處理步驟所需的時間。例如，閉環 MEP 閾值搜尋包括當前試次的資料收集（通道數、分段長度、取樣率）、資料處理（如濾波、重參考、基線校正、剔除偽跡、計算MEP的幅度/潛伏期）、決策（如，計算下一試次的刺激強度）、輸出準備（如，更改刺激引數配置的序列命令）、繪製更新的結果圖（如，鎖時的平均波幅，閾值軌跡），間隔時間（等待剩餘的試驗間間隔，ITI），並最終傳送 TTL 觸發以進行下一次試驗。這些延遲加起來約500-1000 ms，不包括等待時間，並且將最小 ITI 限制為~1 s。對於實時 EEG 幅度/相位誘發TMS（real-time EEG amplitude-/phase-triggeredTMS），相似的在BEST工具包中的線上分析和繪圖延遲時間以及最少1s的ITI，即使實時目標本身（如，透過 bossdevice）執行以可測量的3-6ms迴圈延遲，原則上可以在 BEST 工具包單次試驗中刺激多個目標。
請注意，所提供的所有時間複雜度估計都取決於系統，假設基於標準 PC（8 GB RAM 和 1。5 GHz 雙核處理器）和顯示卡沒有執行其他軟體。然而，即使是對計算要求最高的協議，ITI通常也可以保證小於2秒。
4 工具包結構與功能（Toolbox structure & function）
BEST 工具包是按照實驗的層次結構組織的，它由多個Sessions組成，其中包含多個協議，這些 協議 透過設定多個引數來配置。GUI（圖 1 B）由一個帶有選項卡的視窗組成，這些選項卡不僅允許載入和儲存實驗，還可以開啟和關閉多個可調整大小的框架，這些框架可以訪問高階功能，包括實驗控制、協議設計、結果、硬體配置、常規設定和實驗手冊。
4.1 實驗控制（Experimental control）
NIBS 實驗通常涉及多個刺激方案和重複測量，有時分佈在具有相同或不同引數的多個session中。實驗控制模組（control module）（圖 1 B）允許使用者設定新實驗，將多個協議組織到多個session中，並將整個結構儲存為模板。可以載入這些模板並進行根據不同的被試或研究進行個性化設定或分享給同事。透過對缺失條目和衝突引數進行自動合理性檢查後，協議可以隨時執行、暫停、恢復和取消，並提供它們的完成狀態。雖然商業輸入系統記錄的原始資料預設以其原始檔案格式儲存並且保持不變，但由 BEST 工具包處理的任何資料都以 FieldTrip 資料格式儲存到磁碟中。結果儲存在實驗檔案（Experiment files）中，使其易於與實驗設計引數結合使用。每個被試的實驗檔案可以隨時重新開啟和繼續。
4.2 協議設計（Protocol Design）
BEST 工具包提供了許多高階功能來配置特定的刺激/記錄協議。為此，在實驗控制模組中從下拉選單中選擇一個協議，然後使用協議設計（protocoldesign）模組根據實驗目標設定引數（圖 1B）。幾個標準協議大都是預先配置的，僅需要調整各個引數欄位中的幾個預設值（例如，刺激強度、刺激間間隔、試驗次數、記錄通道）即可。人們也可以互動式地設計具有多個隨機條件的全新協議。可以透過表格或圖形編輯器為每個條件設定特定引數，編輯器中說明了多個裝置的刺激觸發器以及記錄通道。刺激引數可以用絕對和相對術語定義，可以與實驗早期的特定測量結果相關聯（例如，個體靜息或主動運動閾值，RMT/AMT））大多數的協議依賴於實時大腦狀態的方式執行（如：實時腦電誘發TMS從自定義的空間濾波器中提取特定頻帶的特定相位和振幅）或與外部觸發器同步（如concurrent TMS-fMRI 中的MR 體積觸發器），而不是使用預先定義的隨機試驗間隔進行刺激。此外，預先 TMS 基線的臨時評估允許在session記錄期間自動拒絕和替換不良試次（例如，具有 EMG 肌肉神經支配的試次）。自定義 MATLAB 程式碼（包括其他 MATLAB 工具包的函式）可以整合為與刺激觸發器相關的回撥函式，從而在實驗時（包括行為任務）提供完全的靈活性。
圖1B。 實驗控制模組（左）和協議設計模組（右
）。
可以以互動方式配置不
同類型，多個脈衝，刺激強度，刺激，刺激和試驗間
隔間隔的多個刺激器，也可
以支援配對脈衝和雙線圈協議。
4.3 結果
為了允許線上質量控制和促進試驗，記錄的資料由結果模組即時處理和視覺化，並根據各自的協議提供可用的分析和繪圖（結果參見圖 2）。實驗者也可以隱藏結果。所有結果圖都被儲存，並且可以在單獨的視窗中開啟以進行更仔細的檢查。稍後重新開啟實驗並選擇已完成的方案將恢復所有結果。BEST 工具包目前未提供事後離線資料分析功能。
4.4 硬體配置
刺激和記錄裝置因實驗室和實驗而異。硬體配置模組（圖1 C）允許使用者靈活配置（例如，名稱、埠、通道等）多個輸入（刺激）和輸出（記錄）裝置，這些裝置儲存在實驗檔案中，以後可以從協議設計（Protocol design）模組的下拉選單中選擇。
圖1C。硬體配置模組。可以配置多個輸入（測量）和輸出（刺激）裝置，然後從其他BEST Toolbox模組中選擇。
4.5 通用設定（GeneralSetting）
通用設定模組允許使用者設定其他實驗的引數，例如實驗配置和資料的目錄，以及結果圖儲存的設定等。
4.6 實驗書(Lab book)
Lab Book模組在進行實驗時自動記錄所有重要事件（例如，記錄的開始和停止、暫停、成功完成或取消）的時間節點（time stamp）。它還允許實驗者隨時新增自由文字註釋，以記錄實驗檔案中的異常事件和實驗檔案中的實驗設定。
5 協議功能（Protocol Functions）
協議設計模組提供了幾個高階功能來配置標準 NIBS協議（特別是用於 TMS-EMG），例如熱點搜尋、閾值估計、刺激響應曲線、興奮性測量（例如，MEP、ERP 和 TEP），以及皮質內和皮質間相互作用（配對脈衝和雙線圈協議）。下面，我們簡要介紹一些最常用的協議函式（Protocol functions）。
5.1 熱點搜尋(Hotspotsearch)
當刺激裝置（例如，TMS 線圈或PES 電極塊）的位置和方向需要根據預先定義的標準（如，幅度、一致性、波形形狀或感覺質量）被迭代調整以最佳化感興趣的響應（如，MEP、TEP、運動/感覺）時，需要熱點搜尋協議。熱點搜尋通常需要由實驗者做出主觀決定，評估反應並手動迭代改變刺激位置直到滿意。未來的版本將提供客觀的閉環模式，命令使用者或機器人定位系統下一次放置線圈的位置。
5.2 閾值估計 (Thresholdestimation)
可以以閉環方式估計運動或感覺閾值。該協議配置裝置的刺激強度，觸發刺激，獲取反應資料（例如，EMG 或行為輸入），並執行閾值估計方法（例如，PEST或最大似然估計（maximum likelihood estimation））來確定並設定下一個刺激強度（見圖 2 B 中的 RMT 估計）。閾值標準是由使用者定義的（例如，RMT 為 50 μV，AMT 為 200 μV），上述自動預 TMS 評估和試驗拒絕功能以及最大肌肉收縮 EMG 校準執行允許來確保只包括滿足所需的試次（例如，RMT <50 μV 或 AMT 最大收縮的 10-30%）。
圖2B。 透過閉環引數估計程式自動確定RMT，視覺化記錄的MEPs（左上）和刺激強度（右上）、ITI分佈（左下）和實驗狀態（右下）。
5.3 MEP 刺激反應曲線（MEP stimulus-responsecurve）
刺激-反應曲線是表徵刺激和反應引數（例如，TMS 強度和 MEP 幅度）之間關係的常用方法。BEST 工具包將玻爾茲曼 sigmoid 函式（Boltzmann sigmoid function）擬合到資料並提供其閾值、拐點和平穩區（plateau）（圖 2 C）。還可以為雙脈衝和雙刺激器協議（例如，SICI、SICF、LICI、ICF、IHI、SAI 和 PAS）生成相應的曲線，系統地改變或調節刺激的強度、刺激間間隔（ISI ） 或試次間間隔 （ITI），並確定產生最大測試脈衝調製的50%作為最佳引數。
圖2C。 不同強度單脈衝MEPs劑量響應曲線估計（左上），擬合s形函式（右上），跨條件峰-峰振幅散點圖（左
下），提取引數（如閾值、拐點、平臺）（右下）。
5.4 肌電測量（MEP measurement）
MEPs 可以從多個肌肉中測量，峰-峰值幅度和潛伏期在逐個試驗的基礎上評估和儲存，並提供描述性測量（例如，平均值、中值、SD、SEM）（參見圖 2 A）。還可以使用此功能建立配對脈衝和雙刺激器協議。
圖2A。 EEG誘發的TMS正在進行的mu-alpha（8 14hz）節律的峰值（紅色）和波谷（綠色），視覺化目標相位直方圖（左上），時間鎖定平均值（左下），兩種條件的MEPs（中間），ITI分佈（右上）和實驗狀態（右下）。
5.5 TEP 測量（TEP measurement）
TEP 可以從多通道 EEG 中測量，視覺化特定蒙太奇的單次試驗和平均時間鎖定 EEG 資料，以及來自特定感興趣時間視窗的不同 TEP 成分的地形圖（圖 2 E）。
圖2E。 TEP測量，將TMS誘發電位描繪為所有通道（左上）以及每個通道帶有地形資訊（左下）的蝴蝶圖，以及不同時間視窗的地形圖（右上和右下）。
5.6 rTMS 干預
重複 TMS （rTMS） 干預可以靈活設計用於執行已建立的固定頻率 rTMS（例如，1 或 5 Hz）或模式化協議（例如，θ 脈衝刺激）以及具有任意脈衝序列的新協議。根據觸發輸出硬體的時間精度和刺激器提供的配置可能性，使用者可以選擇刺激器在單次觸發時是否釋放單個脈衝、部分突發/序列或整個脈衝序列。
5.7 ERP測量（ERPmeasurement）
ERP 可以從多通道 EEG 記錄，視覺化不同感興趣時間視窗特定蒙太奇的平均鎖時響應和地形圖。ERP 成分的幅度和潛伏期（例如，體感誘發電位的 N20 潛伏期，SEP）被自動提取並提供給後續協議（例如，SAI、PAS 等）。
5.8 靜息狀態腦電圖測量（Resting-stateEEG measurement）
對於靜息狀態腦電圖測量，記錄了幾分鐘的多通道連續腦電圖資料。透過FieldTrip使用多錐形視窗快速傅立葉變換估計功率譜密度，並且可以使用 IRASA 或 FOOOF（後者透過 FieldTrip 和 BrainStorm 工具包）執行 1/f 校正。原始和 1/f 校正的功率譜被視覺化，並且為預定義的目標振盪提供了單獨的峰值頻率和信噪比 （SNR）（圖2D），以支援實時 EEG-誘發 TMS 協議。
圖2D。 靜息狀態腦電圖測量，顯示IRASA獲得的原始的和分形功率譜（左上），1/f校正譜（右下），信噪比（左下），提取的引數（右下）。
5.9 併發TMS-fMRI（Concurrent TMS-fMRI）
為了提供併發 TMS-fMRI所需的 TMS 脈衝和 fMRI 的影象採集的時間精確交叉，BEST 工具包控制外部微控制器和 LM555 定時器積體電路 （ http：//best-toolbox。org/14_TMSfMRIMeasurement ） ，它接收 MR volume觸發器並在適用時觸發 TMS。
5.10 TUS 引數規劃
BEST 工具包支援使用者確定和正確設定聚焦經顱超聲 （TUS） 實驗所需的多個相互依賴的超聲引數，並相應地配置NeuroFUS Pro系統。
6 結論與展望
BEST 工具包為研究人員和臨床醫生提供了一個強大且易於訪問的工具，用於進行最先進的多模式 NIBS 研究的設計、執行和線上分析。它旨在促進 NIBS 研究的客觀性、可重複性和透明度，提高實驗控制和資料質量的標準，並促進實時和閉環應用程式的使用，例如，用於依賴於大腦狀態的大腦刺激。BEST 工具包功能不斷擴充套件，未來版本將提供與（機器人化）基於 MR 的神經導航的完全整合，以完全自動化熱點搜尋和mapping研究。參考文獻在公眾號後臺回覆BE1即可獲取！