單側(cè)下肢電刺激對正常人大腦皮質(zhì)影響的功能磁共振成像研究①

李霞，徐守宇，解光堯

單側(cè)下肢電刺激對正常人大腦皮質(zhì)影響的功能磁共振成像研究①

李霞，徐守宇，解光堯

目的探討單側(cè)電刺激肢體運動對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響。方法8名健康男性右利腿志愿者，電刺激誘導右踝背屈運動，同時進行功能磁共振成像掃描。結(jié)果電刺激右踝背屈運動主要激活雙側(cè)的初級軀體運動區(qū)、雙側(cè)初級軀體感覺區(qū)、雙側(cè)次級軀體感覺區(qū)、雙側(cè)扣帶回、同側(cè)運動前區(qū)、對側(cè)運動輔助區(qū)。結(jié)論單側(cè)肢體電刺激引起的雙側(cè)大腦皮質(zhì)的變化。

電刺激；單側(cè)下肢；功能磁共振成像；腦功能

[本文著錄格式]李霞，徐守宇，解光堯.單側(cè)下肢電刺激對正常人大腦皮質(zhì)影響的功能磁共振成像研究[J].中國康復理論與實踐,2015,21(3):249-251.

CITED AS:Li X,Xu SY,Xie GY.Effects of unilateral electrical stimulation of lower limbs on cerebral cortex:a study with functional magnetic resonance imaging in health men[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2015,21(3):249-251.

肌肉電刺激是促進肌肉力量增長和功能康復的有效方法[1]。單側(cè)肢體電刺激訓練不僅能明顯提高訓練側(cè)肢體力量，還能提高未受訓練側(cè)肢體的肌肉力量[2]。臨床研究顯示，增加健側(cè)電刺激能明顯增強腦卒中患者的肌肉收縮力，提高患肢運動功能，改善日常生活能力[3-4]。本研究通過功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)研究單側(cè)電刺激踝背屈運動時雙側(cè)大腦皮質(zhì)的活化，探討單側(cè)電刺激肢體運動對腦功能的影響，為臨床單側(cè)肢體損傷后肌萎縮的康復、腦卒中等病患早期健側(cè)電刺激治療提供理論支持。

1 資料和方法

1.1 一般資料

健康男性右利足志愿者8名，年齡20～30歲。所有受試者均無神經(jīng)系統(tǒng)疾病、骨骼肌肉傷病、心臟病史及專業(yè)體育訓練史；對本研究的目的和要求均能充分理解，受試前無任何不適感，自愿參加本實驗。

1.2 測試方法

受試者仰臥，放松、閉目，頭部制動，右膝關(guān)節(jié)保持90°，右踝關(guān)節(jié)跖屈15°；左腿自然放松。將一對刺激電極分別置于右腿脛骨前肌肌腹上，陰極置于運動點處，陽極距離陰極2 cm。接通Trio300型多功能

電刺激儀(日本ITO伊藤超短波株式會社)，予方波肌肉電刺激，刺激頻率50 Hz，脈寬200 μs。逐漸調(diào)大刺激強度，使受試者踝背屈至最大耐受強度，且不引起受試者產(chǎn)生疼痛或其他不愉快感覺。

采用組塊設(shè)計，靜息態(tài)和刺激態(tài)交替。靜息態(tài)受試者休息，不做任何運動；刺激態(tài)予上述電刺激。刺激態(tài)和靜息態(tài)各1 min，重復3次。電刺激運動同時進行fMRI掃描。實驗人員及肌肉電刺激儀均在掃描間外，輸出電流通過屏蔽線傳至兩極。

1.3 fMRI掃描及參數(shù)

采用GE 1.5 T磁共振掃描系統(tǒng)，標準頭線圈。采用梯度回波結(jié)合單次激發(fā)回波平面成像技術(shù)，重復時間3000 ms，回波時間40 ms，視野為24×24 cm，矩陣128×128，層厚6 mm，層距1 mm。

1.4 統(tǒng)計學分析

采用SPM軟件進行數(shù)據(jù)處理。fMRI圖像經(jīng)標準化和空間平滑處理，對符合要求數(shù)據(jù)進行組分析。顯著性水平α=0.05，激活范圍閾值10個像素。

2 結(jié)果

電刺激右踝關(guān)節(jié)背屈運動主要激活以下區(qū)域：雙側(cè)的初級軀體運動區(qū)(primary motor cortex,M1)、雙側(cè)初級軀體感覺區(qū)(primary sensory area,S1)、雙側(cè)次級(頂蓋)軀體感覺區(qū)(secondary somatosensory cortices, SⅡ)和扣帶回(cingulate gyrus,GC)；同側(cè)運動前區(qū)(premotor area,PMA)，對側(cè)運動輔助區(qū)(supplementary motor area,SMA)。見表1、圖1。

圖1 腦激活區(qū)立體圖像

表1 腦激活區(qū)部位、坐標和激活強度

3 討論

電刺激是使用特定的脈沖電流，對神經(jīng)細胞或肌肉細胞刺激，代替人腦發(fā)出的神經(jīng)沖動，誘導肌肉進行有規(guī)律的收縮，提高肌肉力量。研究表明，電刺激發(fā)展肌力的效果非常明顯[5]。電刺激肌肉訓練3～8周，可使肌肉力量增加7%～58%，并對骨骼肌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有利的影響[6-8]：肌纖維增粗、肌肉體積和重量增加、肌肉內(nèi)毛細血管豐富等[9]。

在運動生理學上有訓練效果的交叉遷移現(xiàn)象，指單側(cè)肢體運動訓練可以產(chǎn)生對側(cè)同源部位力量、功能的同步提高[10]。電刺激引起的肌肉收縮在發(fā)展同側(cè)肌肉力量的同時，也能夠增長對側(cè)肌肉的力量[5,11]。通過肌肉電刺激訓練，對側(cè)肢體力量的增長與主動收縮練習相當，甚至更好。Hortobágyi等對肌肉電刺激收縮和隨意收縮的交叉遷移效果進行比較，兩組在訓練側(cè)和未訓練側(cè)肢體都有力量增長；同時，電刺激引起的交叉遷移效果要略優(yōu)于隨意收縮[5]。在臨床上，脊髓損傷患者經(jīng)過長期功能性電刺激，能夠引起對側(cè)手同源肌肉的力量增長[12]。骨折、腦卒中等患者，早期不能直接對患側(cè)進行訓練，對健側(cè)肢體進行肌肉電刺激，對促進患側(cè)肢體功能恢復有重要意義。

電刺激訓練和隨意等長收縮訓練都能產(chǎn)生交叉遷移效果[2]。交叉遷移現(xiàn)象的核心機制至今沒有統(tǒng)一的認識。我們前期研究觀察到，單側(cè)主動踝背屈運動引起雙側(cè)大腦皮質(zhì)多個運動相關(guān)皮質(zhì)激活[13]。本研究觀察單側(cè)電刺激踝背屈運動，同樣出現(xiàn)雙側(cè)大腦多個運動及感覺皮質(zhì)被激活，但與前期研究存在激活區(qū)域的差異。說明主動運動和電刺激運動可能通過不同的神經(jīng)傳導通路產(chǎn)生交叉遷移現(xiàn)象。

在其他相關(guān)實驗中也能觀測到雙側(cè)皮質(zhì)的激活。如電刺激正中神經(jīng)，雙側(cè)S1均被激活[14]。電刺激手指可引起對側(cè)S1、SMA和雙側(cè)SⅡ激活[15-16]。電刺激誘發(fā)腕背屈活動引起對側(cè)M1、S1、SMA，同側(cè)SⅡ激

活[17]。本實驗引起雙側(cè)M1、S1、SⅡ激活，與其他實驗不同，可能在于刺激強度較大(使受試者背屈至最大耐受強度)、刺激部位不同有關(guān)。

M1區(qū)在功能恢復重建中起著重要作用[18]。其主要功能是執(zhí)行任務(wù)，是運動功能的高級中樞。雙側(cè)GC的激活可能是相應的大腦皮質(zhì)通過胼胝體通路將沖動擴散到對側(cè)的運動皮質(zhì)。M1和SMA等運動相關(guān)區(qū)域的激活，說明電刺激引起的本體感覺傳入可能直接通過脊髓反射引起梭外肌收縮。中央前回是本體感覺投射中樞[19]，高級中樞運動相關(guān)區(qū)域的激活可解釋為高級中樞對低級反射的調(diào)控。雙側(cè)S1、SⅡ的激活，使參與踝關(guān)節(jié)主動運動外反饋的周圍本體感受器興奮，相當于人為激活環(huán)路中的感覺性外反饋環(huán)節(jié)[20]，對可能的運動產(chǎn)生易化作用。另外，同側(cè)S1、SⅡ、PMA的激活，說明參與運動準備、運動執(zhí)行及本體感受的大腦區(qū)域?qū)徊孢w移也有一定的價值。電刺激訓練可能是先產(chǎn)生運動本體感覺或皮膚淺感覺，反映到大腦皮質(zhì)或其他感覺相關(guān)區(qū)，再反饋給初級運動皮質(zhì)及相關(guān)運動區(qū)，從而實現(xiàn)單側(cè)電刺激時產(chǎn)生雙側(cè)效應。

研究證實，健康人4周單側(cè)踝跖屈力量訓練，在訓練側(cè)和未訓練側(cè)都觀察到力量增長及對側(cè)大腦灰質(zhì)和白質(zhì)的變化[21]。腦卒中患者隨著肢體運動功能的恢復，激活部位逐漸局限于患側(cè)感覺運動區(qū)，且雙側(cè)大腦半球的激活體積也相應減少[22]。電刺激治療有利于腦梗死后運動功能的提高，并有助于腦功能重組[23]。

綜上所述，單側(cè)電刺激踝背屈運動激活雙側(cè)大腦多個感覺、運動皮質(zhì)，說明電刺激運動引起的交叉遷移現(xiàn)象可能主要通過感覺-運動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，有助于腦的功能重組，為腦卒中、骨折等早期無法進行患肢運動的患者，通過健側(cè)訓練早期介入提供理論支持。

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Effects of Unilateral Electrical Stimulation of Lower Limbs on Cerebral Cortex:A Study with Functional Magnetic Resonance Imaging in Health Men

LI Xia,XU Shou-yu,XIE Guang-yao
Rehabilitation Department,the Third Affiliated Hospital of Zhejiang Chinese Medial University,Hangzhou,Zhejiang 310005,China

Objective To investigate the effect of unilateral electric stimulation of lower limbs movement on central nervous system. Methods 8 right-footed healthy men accepted electrical stimulation to evoke dorsiflexion of the right ankle,while the cerebral cortex activations were observed with functional magnetic resonance imaging.Results For electrical stimulation evoked contraction task,the significant activations were observed in the bilateral primary motor cortex,primary sensory area,secondary somatosensory cortex,cingulated gyrus;ipsilateral premotor area and contralateral supplementary motor area.Conclusion Unilateral electrical stimulation may result in activations of bilateral cerebral cortex.

electrical stimulation;unilateral lower limbs;functional magnetic resonance imaging;cerebral function

10.3969/j.issn.1006-9771.2015.03.001

R454.1

A

1006-9771(2015)03-0249-03

2014-12-14

2015-02-05)

1.浙江中醫(yī)藥大學附屬第三醫(yī)院2013年度院級醫(yī)藥衛(wèi)生科技計劃項目(No.ZS13CA13)；2.國家中醫(yī)藥管理局重點學科建設(shè)經(jīng)費資助項目(No.國中醫(yī)藥人教發(fā)[2012]32號)。

浙江中醫(yī)藥大學附屬第三醫(yī)院康復科，浙江杭州市310005。作者簡介：李霞(1979-)，女，漢族，河北邯鄲市人，碩士研究生，講師，主要研究方向：神經(jīng)系統(tǒng)疾病的康復。通訊作者：徐守宇(1966-)，男，漢族，浙江杭州市人，博士研究生，副教授，主要研究方向：骨關(guān)節(jié)疾病康復。E-mail:overnightjo@msn.com。