不同范式重復性經顱磁刺激的作用機制及改善腦卒中后運動功能的研究進展

朱萍，鐘燕彪，徐曙天，單春雷

1 前言

腦卒中發(fā)生率高，是我國第一致殘性疾病[1]，大約1/2～2/3的患者遺留有運動功能障礙[2]。這不僅大大降低了腦卒中患者的生活質量，也給其家庭及社會帶來巨大負擔。因此，腦卒中后運動功能康復對于患者、家屬以及社會都具有重要的意義。

傳統的針對腦卒中后運動功能障礙的康復方法主要是通過重復的肢體功能訓練來間接影響腦重塑，然而這些方法在治療過程中常常遇到療效瓶頸。神經調控技術能夠直接調控大腦活動和神經環(huán)路重塑來促進腦卒中患者運動功能改善，逐漸成為康復領域研究的熱點并在臨床上得到越來越廣泛的應用。經顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)是Barker等[3]在1985年公開發(fā)表的神經電生理技術，其通過變化的磁場誘導大腦皮質產生感應電流來直接調節(jié)神經元的活動、促進腦功能網絡的重塑。本文針對不同范式的TMS在腦卒中后運動功能障礙康復中的作用機制及其研究進展綜述如下。

2 不同模式TMS的作用機制

TMS是將刺激線圈以一定角度放在受試者皮質功能區(qū)對應的頭顱外部空間位置，并利用脈沖電流使線圈產生變化的磁場，以此在大腦皮質產生感應電流，從而改變神經元膜電位，可引發(fā)目標肌肉的動作電位即運動誘發(fā)電位(motor evoked potential, MEP)的技術[3]。目前在臨床上常用的以治療性干預為目的的TMS刺激范式有重復性經顱磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS)、Theta節(jié)律爆發(fā)式刺激(theta burst stimulation, TBS)、成對關聯刺激(paired associative stimulation, PAS)，其作用機制分別如下。

2.1 rTMS的作用機制 rTMS是在保持刺激強度不變的基礎上，在選定的皮質部位給予重復、連續(xù)、有規(guī)律的TMS脈沖刺激。根據刺激頻率的不同，rTMS分為低頻rTMS(≤1Hz)和高頻rTMS(>1Hz)2種，臨床上通常采用1～20 Hz之間的刺激頻率[4]。目前rTMS對腦卒中后運動功能障礙的確切作用機制仍不明確，但是大量研究結果提示，其效應可能與以下因素有關。

2.1.1 大腦神經可塑性 突觸連接和各種結構興奮性的改變以及相關的運動適應被認為可能反映了腦卒中患者神經可塑性的主要變化[5]。rTMS可在刺激的局部調節(jié)大腦皮質的興奮性，并可產生突觸間作用使其在遠端同樣產生治療作用[6]。有研究發(fā)現低頻rTMS可以降低MEP的幅值，而高頻rTMS的作用則相反[7]。rTMS作用于M1后可以改變病灶周圍、遠隔區(qū)和未受累半球的突觸連接及突觸后細胞內的鈣離子濃度，調控M1的長時程抑制(long-term depression, LTD)或長時程增強(long-term potentiation, LTP)轉換，從而誘導運動皮質興奮性的變化，從中樞神經系統的水平改善運動控制[8-9]。

2.1.2 利用半球間抑制效應雙向調節(jié)大腦的興奮性[1]在健康人群體中，大腦兩側半球之間存在著一種皮質興奮性的平衡，兩側運動皮質興奮性會保持在一定范圍以內，從而維持正常的運動功能。而在腦卒中發(fā)生后，其中一側的皮質受損，這種平衡會被打破。通常未受損側半球M1會表現出過高的興奮性，而受損側半球M1則表現出興奮性的降低[10]。研究顯示健側半球M1對受損半球M1表現出異常增高的半球間抑制(interhemisperic inhibition, IHI)可能是腦卒中后運動障礙的原因之一[11]。低頻rTMS作用于健側大腦降低其運動皮質異常增高的興奮性，從而減少其對受累側半球運動皮質的抑制作用；而高頻rTMS作用于患側大腦，提高受損半球運動皮質興奮性[12]，盡可能地恢復兩側大腦半球間原有的交互性抑制平衡[13]，通過雙向調節(jié)大腦的興奮性來促進皮質功能修復、重組[14]，從而達到功能康復的目的。

2.1.3 rTMS調控腦內相關的物理或化學變化 大腦內皮質結構復雜，rTMS作用于不同的皮質區(qū)可以引起大腦內血流量、激素、腦源性神經營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)水平等方面的變化。高頻rTMS可以增加刺激側大腦前動脈及大腦中動脈的血流速度[15]，而低頻rTMS可在降低被刺激側腦區(qū)血流量的同時提高對側相應腦區(qū)血流量[16]。大腦血流量的改變可以調節(jié)腦細胞內葡萄糖的代謝水平，從而減少神經元凋亡的發(fā)生[17]。此外，低頻rTMS刺激健側半球可以抑制其BDNF的產生，從而改變相應腦電基礎活動頻率和共振頻率，調節(jié)大腦功能[18]。

2.2 TBS的作用機制 TBS是TMS的一種特殊刺激范式，是在rTMS的基礎上加入了叢狀節(jié)律式刺激，在2005年以后被廣泛應用于腦卒中康復[19]。常見的TBS主要分為連續(xù)性TBS(continuous theta burst stimulation，cTBS)和間歇性TBS(intermittent theta burst stimulation，iTBS)2種。由200個連續(xù)脈沖串組成，每串有3個脈沖，共計600個刺激脈沖。持續(xù)40s沒有間隔的TBS被稱為cTBS[20]，也叫“持續(xù)Theta短陣脈沖刺激”。同樣也是600個刺激脈沖，但是每刺激2s便停止8s的TBS，則被稱為iTBS，也叫“間歇性Theta短陣脈沖刺激”。iTBS與cTBS均可影響大腦功能重組過程，根據已有的神經生理學研究顯示，其調控機制可能包括以下兩方面。

2.2.1 雙向調控大腦皮質興奮性 LTP和LTD的發(fā)生依賴于內流的鈣離子濃度，且這兩種過程會在受到刺激后同時產生[21]。cTBS可以使腦內的鈣離子濃度升高，當Ca+濃度大于5μmol/L時發(fā)生Ca MKII蛋白磷酸化[22]，誘發(fā)LTD效應，抑制皮質興奮性；而iTBS導致細胞內鈣離子濃度并不明顯升高，誘發(fā)LTP效應，提高皮質興奮性[23]。有部分研究認為TBS還能夠通過遠隔效應來興奮或抑制對側運動皮質的興奮性[24]，從而雙向調控大腦皮質的功能，能夠有效地降低半球間失衡帶來的影響[25]。

2.2.2 對基因表達和蛋白水平的影響 有動物研究發(fā)現，TBS極大減少了谷氨酸脫羧酶(glutamic acid decarboxylase, GAD67)、小白蛋白、鈣結合蛋白表達，提示抑制性神經元的活性降低[26-27]。但這些研究結果都顯示iTBS比cTBS的作用效果更明顯，因為僅在iTBS干預后發(fā)現即刻早期基因產物c-Fos和zif268的表達增加及GAD67和PV表達減少。這可能是因為iTBS作用于胼胝體附近，且主要激活皮質錐體細胞但較少激活皮質下神經元，抑制降低故而增加了皮質活性[28]。另有一項研究分析了iTBS、1Hz或10Hz 的rTMS分別作用于數個皮質區(qū)對大鼠大腦中兩種即刻早期基因蛋白zif268和c-fos表達水平的影響，其結果顯示在iTBS干預后幾乎所有皮質區(qū)中的zif268表達均有升高，而rTMS只有在10Hz刺激才在M1區(qū)和感覺皮質中發(fā)現有這種效應[29]。這些基因表達和蛋白水平的改變都可以影響到腦內突觸連接的改變，促進大腦相關功能的恢復。

2.3 PAS的作用機制 PAS是為了增強TMS的效果，把主要作用于中樞神經系統的TMS和作用在周圍神經系統的電刺激按一定時間間隔結合的一種刺激方案，旨在誘導運動系統興奮性的持久變化[30]。PAS一般在施加于肢體對側M1的TMS單脈沖刺激之前，采用外周感覺刺激的重復配對，將傳入感覺輸入與同側M1活動相整合[31]。PAS誘導突觸可塑性的一個關鍵因素在于PNS和TMS之間的刺激間隔(inter stimulus interval，ISI)，一定時間的刺激間隔會出現類似LTP效應的MEP幅值升高，產生持久的運動皮質興奮性增強[32]。相反，對于較短的ISI，觀察到MEP幅值降低。研究顯示當ISI為25ms(PAS 25)時，PAS作用于健康人及腦卒中患者時，均可誘導產生LTP效應；當ISI為10ms(PAS l0)時則產生LTD效應[33]，從而調節(jié)大腦皮質興奮性。在動物實驗中[34]，在ISI為5ms的PAS干預后便可以觀察到大鼠的運動皮質MEP幅值顯著下降，而在ISI為15ms的PAS干預后MEP幅值則顯著增加，并且在此實驗中單獨TMS或PNS沒有顯示出顯著效果。有研究表明，PAS對皮質興奮性的促進作用可以用N-甲基-D-天冬氨酸受體(N methyl D aspartate receptor, NMDA-r)拮抗劑來阻斷[35-36]，因此NMDA-r可能通過一系列的生化反應激活鈣-鈣調蛋白依賴性激酶，最終導致LTP產生。然而也不能排除通過抑制表達的γ-氨基丁酸受體的分布[37]，并允許更強的NMDA-r反應來促進LTP。毫無疑問，健康人接受TMS和/或外周刺激都會誘發(fā)皮質興奮性的可塑性變化。通過將rTMS與運動點處肌肉傳入的電刺激配對，確實可以在人感覺運動皮質中誘導出輸出環(huán)路興奮性的持久變化。但最近也有研究猜測，PAS所誘導的腦卒中后皮質興奮性的增加可能并不是因為皮質內抑制或促進的改變，而是通過從丘腦到初級軀體感覺(S1)和運動皮質的投射改變了丘腦與皮質之間的連接，是皮質下發(fā)生的變化所引起[38]。然而這個猜想還有待更多的研究去證實。

3 不同范式TMS改善腦卒中后運動功能的應用進展

TMS除了作為評估工具以外，在國內也逐漸被廣泛應用于腦卒中康復治療。從最初低頻或高頻的rTMS作用于單側的大腦半球，到健側半球低頻rTMS聯合患側半球高頻rTMS，再到rTMS聯合傳統的康復干預來促進腦卒中后功能障礙的改善，以及聯合應用針刺和經顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)來調節(jié)皮質興奮性等不同干預方案。應用不同范式TMS的組合改善腦卒中后運動功能的治療方案越來越呈現出多樣化的趨勢[39]，其相關應用研究在近些年也出現了較多的進展。

3.1 rTMS改善腦卒中后運動功能的應用研究 Takeuchi等[40]首次在臨床上證實了作用于腦卒中患者健側Ml的1Hz rTMS能降低由健側Ml向患側Ml施加的經胼胝體抑制，從而改善患側手運動功能。從此，rTMS逐漸被國內外學者應用到腦卒中后運動功能障礙的康復中，尤其是對上肢運動功能的康復。無論是急性期還是亞急性腦卒中患者，僅僅通過周期較短的治療，便能產生較明顯的改善。Sasaki等[41]對29例腦卒中偏癱早期患者，連續(xù)5d采用rTMS高頻(10Hz)刺激患側、低頻(1Hz)刺激健側的對照治療試驗，發(fā)現2組rTMS組患者手運動功能均較對照組有明顯改善。同樣有研究報道采用1Hz rTMS作用于健側大腦運動區(qū)，連續(xù)治療5d，2組試驗結果上肢運動功能均得到改善[42-43]。最新研究報道，Fran ois等人[44]對先天性胼胝體發(fā)育不全的腦卒中患者采用1Hz的rTMS抑制對側運動皮質，首次發(fā)現rTMS可顯著改善上肢對抗性失用(diagonistic dyspraxia)。這也為治療對抗性失用這一疾病提供了新思路。臨床上采用rTMS對下肢功能康復研究相對較少，并且得到的實驗結果因研究對象不同而產生的差異性較大。Chieffo等[45]對5例皮質下損傷導致的下肢功能障礙患者，采用20Hz的高頻rTMS連續(xù)對患者雙側下肢運動皮質區(qū)刺激3周，結果顯示試驗組的下肢Fugl-Meyer評分及10米步行測試結果在行走速度方面均有顯著提升。

3.2 TBS改善腦卒中后運動功能的應用研究 iTBS有提高皮質興奮性的作用，較多的臨床試驗證明iTBS對腦卒中后運動障礙的康復有益。Diekhoff等[46]單獨將iTBS應用于慢性腦卒中患者的患側M1區(qū)，結果顯示，患側M1的興奮性顯著增強及健側半球M1興奮性的下降，同時觀察到了試驗組的上肢功能得到明顯改善，這與Lazzaro等[47]的研究結果一致。這些研究均顯示iTBS可作為一種治療手段改善腦卒中后上肢的運動功能。此外cTBS聯合運動訓練在改善腦卒中后手功能運動方面也取得一定效果。Yamada等[48]對10位卒中后上肢偏癱患者，采用大腦健側cTBS(共2400脈沖，總刺激時間為160s)聯合強化作業(yè)訓練(分別給予120min個性化定制的一對一作業(yè)訓練和120min自我訓練，如粘土成型、寫字作畫等)，結果顯示患側手的Fugl-Meyer評分及Wolf運動功能測試評分均有顯著提高，且Wolf運動功能測試時間明顯縮短。同樣，Ackerley等[49-50]對10例慢性皮質下腦卒中患者進行600脈沖TBS治療后，給予上肢運動訓練(4組精準抓握動作訓練，每組持續(xù)4min)，結果顯示無論iTBS還是cTBS都能提升手的抓舉能力并改善癱瘓手的表現，且TBS聯合運動訓練的效果優(yōu)于單純干預的效果。這與Di等[47]用MEP作為評估手段的研究結果一致。對于慢性腦卒中患者，也有研究采用cTBS來抑制皮質興奮性，同時結合物理治療(包括腕部、手指和拇指的力量訓練、抓握以及重復的任務練習)。

3.3 PAS改善腦卒中后運動功能的應用研究 Stefan等[51]首次將PAS作為誘導突觸特異的Hebbian可塑性的有效手段，并將其應用于健康受試者并發(fā)現，當電刺激應用于腕關節(jié)正中神經，25ms后TMS刺激對側M1，通過該間隔的重復配對可增加皮質脊髓興奮性。與基線值相比，MEP的平均幅值顯著增加。這一研究顯示PAS可以誘導運動皮質興奮性的持久變化。這些研究均提示應用PAS作為有效靶向感覺運動通路的干預可能提高腦卒中后運動功能障礙患者的運動恢復能力。PAS誘導的皮質運動興奮性的變化在受試者之間個體差異很大。Stefan等[52]的研究數據表明，只有約75%的受試者在PAS后顯示出MEP幅值的LTP樣增加。此外，對于可以采用的最佳刺激間隔依然沒有確切統一，Shin等[53]首先將PAS應用于腦梗塞大鼠，并得出結論認為ISI為8ms的PAS顯著增加MEP的幅值并促進功能恢復。而Amaya等[54]以軀體感覺誘發(fā)電位作為指標來確定ISI，然后將PAS應用于恒河猴，發(fā)現ISI為15ms的PAS能夠顯著增加皮質興奮性，并且其效應持續(xù)時間長達2h，而5ms的PAS則無效。些間隔的差異可能與不同動物的感覺傳導路徑的長短有關。目前在臨床上，大多研究者采用的ISI為25ms或10ms，普遍認為PAS 25可誘導產生M1的LTP效應，而PAS 10則誘導產生LTD效應。

4 結語

rTMS、TBS以及PAS都是在TMS技術上發(fā)展起來的新型神經調控技術和治療手段，已成為研究神經網絡以及調節(jié)腦功能的有力工具。在臨床康復中，上述刺激范式除了對腦卒中患者的運動功能障礙取得了療效以外，對腦卒中后失語癥、吞咽障礙、記憶及認知功能等方面都產生積極的作用。rTMS涉及到頻率、強度等不同刺激參數，并且參數組合方案較多，故影響結果的因素繁雜，而且不同的參數會對神經網絡及腦功能產生不同的影響。同時大多數臨床研究者對TBS及PAS也缺乏較為全面和深入的認識。因此，其潛在的巨大臨床價值尚未被開發(fā)，應用的前景廣闊。未來必然會涌現更多的基礎研究和臨床試驗來推動相關領域發(fā)展，從而為腦卒中患者制定和提供更加有效、更加合理的康復方案，幫助患者早日回歸家庭和社會做出貢獻。