重復經(jīng)顱磁刺激聯(lián)合運動訓練對腦活動影響的溯源分析*

向芳，劉睿旭，靳靜娜，王欣，劉志朋，殷濤，2△

(1.中國醫(yī)學科學院 北京協(xié)和醫(yī)學院 生物醫(yī)學工程研究所，天津300192；2.中國醫(yī)學科學院神經(jīng)科學中心, 北京 100730)

1 引 言

腦卒中患者常伴隨運動功能障礙，特別是手部運動功能障礙，嚴重影響其生活質(zhì)量。為了促進其運動功能康復，臨床上常采用運動訓練的方法，如上肢訓練、日常生活活動訓練等。

研究發(fā)現(xiàn)，腦卒中患者患側(cè)皮層興奮性降低，健側(cè)皮層的興奮性增加，健側(cè)皮層對患側(cè)皮層活動的抑制增加，且與患者肢體運動功能障礙密切相關(guān)[1]。重復經(jīng)顱磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation, rTMS) 可以通過改變其刺激頻率而達到興奮或抑制大腦活動的目的[2-3]，因此，rTMS被作為一種促進運動訓練提高運動能力的手段。由于高頻rTMS存在誘發(fā)癲癇的風險，研究中多采用低頻rTMS刺激腦卒中患者健側(cè)運動區(qū)，通過抑制健側(cè)皮層的興奮性，減弱健側(cè)皮層對患側(cè)腦區(qū)興奮性的抑制，增加患側(cè)皮層的興奮性，從而達到改善肢體運動功能的目的。目前，研究者使用了Fugl-Meyer運動評分[4]、Wolf運動功能測試[4]、運動誘發(fā)電位[5]和F-wave[6]等運動行為學和神經(jīng)興奮性的方法驗證了rTMS聯(lián)合運動訓練對運動能力提高的有效性。近年來，研究者開展了利用fMRI[7]、NIRS、腦電[8]等影像方法研究rTMS對腦活動的影響。但rTMS聯(lián)合運動訓練的作用機制仍不明確，其對腦皮層電生理活動機制的研究仍然很缺乏。

在腦皮層電生理活動的分析方法中，頭皮腦電是皮層電活動源在頭皮的映射，可間接反映皮層的電生理活動；而溯源腦電是通過溯源的方式將頭皮腦電直接定位到皮層腦活動源，可直觀、精確地觀測腦皮層電生理活動的變化，在腦皮層電生理活動分析中具有明顯優(yōu)勢。標準化低分辨率電磁斷層成像[9](standardized low resolution brain electromagnetic tomography, sLoreta)是目前廣泛使用的皮層溯源方法。該方法基于線性原理，在配準的Talairach腦圖譜下通過計算每個體素的標準化電流密度值，并以MNI(montreal neurological institute，MNI)152坐標系(5 mm空間分辨率)的形式展現(xiàn)溯源結(jié)果。sLoreta定位誤差小，可得到精確的溯源結(jié)果，可作為探究rTMS聯(lián)合運動訓練對腦皮層電生理活動影響的有效方法。

因此，本研究擬通過皮層溯源來觀察rTMS聯(lián)合運動訓練對腦皮層電生理活動的調(diào)控作用。募集健康受試者，將其運動不靈活的非利手類比于腦卒中患者的患側(cè)手，采用sLoreta溯源分析rTMS聯(lián)合運動訓練對腦皮層活動的影響，探討其對腦皮層電生理活動的調(diào)控機制，為應用于腦卒中患者的運動康復治療提供一定的幫助和指導。

2 材料和方法

(1)受試者：募集19名健康受試者，年齡(25.5±3.2)。受試者本人及家族無神經(jīng)精神系統(tǒng)疾病病史，核磁共振影像檢查均未發(fā)現(xiàn)顱內(nèi)疾病。根據(jù)愛丁堡利手判定準則，所有受試者均為右利手。實驗前48 h內(nèi)，受試者均未服用刺激類或興奮類物品，保證良好的精神狀態(tài)。且每位受試者都自愿參加實驗，并簽訂知情同意書。

(2)運動閾值(motor threshold, MT)的測定：利用Micromed多通道生理信號記錄儀記錄右手拇短展肌的肌電信號。利用單脈沖TMS刺激大腦左側(cè)初級運動皮層，觀察肌電采集軟件上記錄的運動誘發(fā)電位，連續(xù)10次刺激中至少5次誘發(fā)的振幅大于50 μV的最小刺激強度即可認為是MT。

(3)實驗過程：掃描每位受試者的頭部核磁圖像，使用BrainSight精密定位導航系統(tǒng)重建每位受試者的三維頭模型。采用Magstim Rapid2磁刺激器，刺激線圈使用70 mm的“8”字線圈，利用精密定位導航系統(tǒng)將TMS刺激線圈的磁場聚焦點與目標靶點進行精確定位，確保實驗過程中，刺激位置和方向的一致性、準確性。

將受試者隨機分為rTMS聯(lián)合運動訓練組(10名)和運動訓練組(9名)。rTMS聯(lián)合運動訓練組利用1 Hz rTMS刺激大腦左側(cè)初級運動皮層，刺激強度為90%MT，刺激時間為20 min，隨后進行1 h左手書寫訓練，連續(xù)14 d；運動訓練組每天進行1 h左手書寫訓練，持續(xù)14 d。分別于實驗開始前后，采集1 min閉目靜息態(tài)腦電信號。

(4)腦電信號記錄及預處理：采用Neuronscan腦電采集系統(tǒng)和64導EASYCAP帽采集閉目靜息態(tài)的腦電信號，腦電放大器參數(shù)設置為DC—200 Hz，采樣率為1 000 Hz。

利用Matlab軟件及eeglab工具箱對采集的腦電信號進行預處理。首先變參考為雙耳乳突，然后將采樣率1 000 Hz腦電信號降為250 Hz，對腦電信號進行0.5～80 Hz的濾波處理，利用50 Hz陷波器去除工頻干擾，采用獨立成分分析對腦電信號其它偽跡進行去除，如眼動偽跡等。最后選取50 s無偽跡的腦電信號，分成25段，每段2 s，每兩段之間沒有重疊，進行下一步的溯源分析。

溯源分析：sLoreta[9-10]能定位頭皮腦電信號在腦皮層的空間位置和在腦皮層的活動變化，皮質(zhì)活動變化由6239個灰質(zhì)體素sLoreta值與相應的布羅德曼腦區(qū)(brodmann areas，BA)配置而確定。本研究提取了δ(0.5～3.5 Hz)、θ(4～7.5 Hz)、α(8～12.5 Hz)、β(13～30.5 Hz)、γ(31～80 Hz)五個頻段，將每個頻段腦電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為sLoreta類型。利用sLoreta軟件自帶的統(tǒng)計學非參數(shù)圖譜(statistical non-parametric mapping,SnPM)分析法統(tǒng)計分析實驗前后腦電頻段活動的差異性變化(P<0.05)[11]。

3 結(jié)果

本研究采用sLoreta溯源分析比較rTMS聯(lián)合運動訓練和運動訓練前后的皮層電生理活動變化，包括各頻段皮層活動特征以及主要激活皮層區(qū)域，探究了rTMS聯(lián)合運動訓練對皮層腦活動的調(diào)控機制。

3.1 運動訓練前后各頻段皮層活動特征的變化

圖1為運動訓練后相對于運動訓練前的各頻段皮層腦活動變化，并采用了6視圖的方式呈現(xiàn)其在空間的具體定位。運動訓練后，各頻段皮層活動的強度均表現(xiàn)為增加，主要集中在額葉和頂葉。統(tǒng)計學結(jié)果進一步顯示了各頻段皮層活動在BA分區(qū)中的定位。其中，δ頻段皮層活動變化位于體感聯(lián)合皮層BA7(頂葉)(n=9,t=9.361,P=0.03)，θ、α、β頻段皮層活動變化溯源位于額極區(qū)BA10和額眶區(qū)BA11(額葉)(n=7,t=8.402,P=0.04；n=9,t=8.964,P=0.01；n=10,t=7.788,P=0.03)、γ頻段皮層活動變化溯源位于皮層BA7、BA10和BA11(n=8，t=7.161,P=0.02)。

3.2 rTMS聯(lián)合運動訓練前后各頻段皮層活動特征的變化

圖2為rTMS聯(lián)合運動訓練后相對于rTMS聯(lián)合運動訓練前的各頻段皮層腦活動變化。從圖中可以看出，低頻段(δ、θ、α)皮層活動強度均表現(xiàn)為增加，高頻段(β、γ)皮層活動強度均表現(xiàn)為降低，呈現(xiàn)出由高頻向低頻逐步偏移的趨勢。然后本研究對rTMS聯(lián)合運動訓練前后的各低頻段(δ、θ、α)皮層活動變化做統(tǒng)計學對比分析，結(jié)果顯示θ頻段皮層活動增加最明顯，表現(xiàn)更廣泛的激活腦區(qū)，且在體感皮層BA2和緣上回BA40(頂葉)具有顯著性差異(n=8,t=3.474,P=0.03)；α頻段皮層活動也在體感聯(lián)合皮層BA7表現(xiàn)出顯著性差異( n=7,t=10.265,P=0.04)，但激活腦區(qū)明顯少于θ頻段；δ頻段皮層活動未表現(xiàn)出顯著性差異(n=10,t=9.209,P=0.26)。進一步對rTMS聯(lián)合運動訓練前后的高頻段(β、γ)皮層活動變化做統(tǒng)計學分析，結(jié)果顯示γ頻段皮層活動下降最明顯，并且在皮層BA7體現(xiàn)出顯著性差異(n=8,t=-8.544,P=0.04)，而β頻段皮層活動雖顯示出大范圍的降低，但并未表現(xiàn)出顯著性差異(n=10，t=-2.590,P=0.55)，更傾向于是頻譜偏移的過渡頻段。

圖1運動訓練前后各頻段腦電信號在腦皮層分布的統(tǒng)計差異圖。每個頻段從前后、左右、頂?shù)琢鶄€方向展示腦電信號活動在腦皮層的分布。其中紅色和黃色代表運動訓練后腦皮層活動增加。圖中共展示delta、theta、alpha、beta、gamma五個頻段在皮層活動的變化(圖中L：左；R：右；A：前；P：后)

Fig1SnPMofsLoretadifferencesinthedelta,theta,alpha,betaandgammacomparingafterandbeforemotortraining.ImagesdepictingSnPMsseenfromdifferentperspectiveslikeleft,right,anterior,posterior,topandbottom.Redandyellowcolorsindicateincreasedactivity.

圖2rTMS聯(lián)合運動訓練前后各頻段腦電信號在腦皮層分布的統(tǒng)計差異圖。每個頻段從前后、左右、頂?shù)琢鶄€方向展示腦電信號活動在腦皮層的分布。其中紅色和黃色代表腦皮層活動增加，藍色代表腦皮層活動降低。圖中共展示delta、theta、alpha、beta、gamma五個頻段在皮層活動的變化(圖中L：左；R：右；A：前；P：后)

Fig2SnPMofsLoretadifferencesinthedelta,theta,alpha,betaandgammacomparingafterandbeforerTMSandmotortraining.ImagesdepictingSnPMsseenfromdifferentperspectiveslikeleft,right,anterior,posterior,topandbottom.Redandyellowcolorsindicateincreasedactivity.Bluecolorsindicatedecreasedactivity

4 討論與結(jié)論

本研究使用1 Hz rTMS刺激優(yōu)勢半球運動區(qū)，抑制優(yōu)勢半球的腦活動，而非優(yōu)勢半球?qū)姆抢诌M行不熟悉的運動訓練，以促進非利手運動能力的提高。使用了sloreta腦溯源的方法對頭皮腦電進行了皮層腦區(qū)定位，獲得了皮層活動的變化，探討了14 d rTMS聯(lián)合運動訓練對腦皮層活動的影響。

rTMS聯(lián)合運動訓練前后靜息態(tài)腦電信號從高頻到低頻皮層活動強度逐漸增加，呈現(xiàn)出由高頻向低頻逐漸偏移的趨勢，且θ頻段表現(xiàn)出更廣泛的激活腦區(qū)。本研究采用的運動訓練方式為書寫任務，書寫是一個復雜的過程，需要運動區(qū)，視覺區(qū)等多個腦區(qū)參與。Bland and Oddie等人[12]發(fā)現(xiàn)嚙齒動物在感覺信息傳入后在更新運動計劃過程中，θ頻段腦電信號在協(xié)調(diào)感覺與運動腦皮層活動變化發(fā)揮了作用。Caplan等人[13]研究癲癇患者參與虛擬出租車任務過程中，θ頻段腦電信號可協(xié)調(diào)不同腦皮層處理感覺與運動腦活動變化來提高空間學習與感覺運動整合能力。因此，rTMS聯(lián)合運動訓練使整個腦皮層的θ頻段皮層活動變化，提示rTMS聯(lián)合運動訓練可能通過加強不同腦皮層之間的信息交流來實現(xiàn)其對大腦的調(diào)控作用的。

運動訓練后皮層活動顯著性變化的區(qū)域位于頂葉和額葉(見圖1)，而rTMS聯(lián)合運動訓練后皮層活動顯著性變化的區(qū)域僅位于頂葉，而在額葉腦區(qū)未發(fā)現(xiàn)顯著性的改變(見圖2)。 已有研究表明，額葉皮層活動變化與大腦對書寫內(nèi)容的認知提取內(nèi)容有關(guān)[14]，頂葉皮層活動變化與書寫運動控制有關(guān)[15-16]。因此，本研究結(jié)果提示rTMS聯(lián)合運動訓練相比于運動訓練降低了對書寫內(nèi)容認知提取的腦活動，僅需較低的腦活動就可完成復雜的運動認知功能。

本研究采用sloreta溯源分析技術(shù)，從皮層活動定位的角度探討了rTMS聯(lián)合運動訓練對腦活動的影響。研究表明rTMS聯(lián)合運動訓練影響了廣泛的腦區(qū)活動，對腦活動的作用與單純的運動訓練存在顯著差異，闡明了相比于單純運動訓練，rTMS聯(lián)合運動訓練對腦活動調(diào)控的特異性。本研究有助于加深對rTMS聯(lián)合運動訓練的神經(jīng)活動機制理解，為未來理解其對腦卒中患者運動康復的作用機制提供有益的幫助。