Theta節(jié)律刺激的作用機制及其在腦卒中后運動功能康復中的應用

李甲笠，單春雷

早在30多年前，Barker等[1]首次報道了經顱磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)，從此實現(xiàn)了非侵入性地刺激大腦皮質，誘導皮質興奮性的瞬時或長時改變的目的。重復性經顱磁刺激(Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation，rTMS)能夠引起持續(xù)到刺激結束后數(shù)分鐘至數(shù)小時的皮質環(huán)路可塑性改變，很多研究也已證明rTMS對腦卒中后的運動功能恢復的促進作用[2-3]。Theta節(jié)律刺激(Theta Burst Stimulation，TBS)是rTMS的一種最新范式，具有刺激時間短、刺激脈沖數(shù)少、刺激強度低等優(yōu)勢，并能誘導持久的大腦興奮性改變，因而引起了研究者的廣泛關注。本文從TBS的作用機制及其在腦卒中后運動功能康復中的研究進展方面做一綜述。

1 TBS作用機制的研究進展

1.1 TMS的基本原理 TMS是無創(chuàng)性腦刺激(Non-invasive Brain Stimulation，NIBS)技術的常見類型，被廣泛用于探索神經生理和大腦可塑性的研究中。TMS刺激儀的基本原理是電容器向封裝于絕緣材料中的金屬線圈發(fā)出短時的強電流，這個電流產生的快速波動的磁場可以幾乎無衰減地穿過能夠感受傷害的組織，如頭皮和腦膜，并在其下的皮質中產生電流，引起受刺激區(qū)域內的神經元去極化并發(fā)放沖動。磁場隨距離呈指數(shù)衰減，從而限制了刺激的深度和刺激的范圍[4]。rTMS常用于持續(xù)地調節(jié)皮質活動，其引起皮質興奮性變化的機制與長時程增強(Long-term Potentiation，LTP)和長時程抑制(Long-term Depression，LTD)有關。

1.2 TBS方案 Theta節(jié)律刺激(Theta Burst Stimulation，TBS)最初由Huang等[5]提出，是rTMS的一種特殊范式，最初用于運動皮質的干預。TBS模擬了清醒狀態(tài)下行為正常的嚙齒動物在探索新環(huán)境時海馬錐體細胞的放電模式[6]。研究顯示，在嚙齒動物的運動皮質或海馬區(qū)域給予以5Hz頻率(theta節(jié)律)重復的3～5個100Hz的刺激脈沖，能夠誘發(fā)出LTP效應[7]。另有研究報道，在嚙齒動物和人類的運動或其他自發(fā)運動行為期間，皮質區(qū)域出現(xiàn)theta振蕩[8]。有人認為theta振蕩可以調節(jié)人類新皮層的高頻gamma振蕩[9]。TBS方案即模擬了theta節(jié)律與gamma節(jié)律的耦合。TBS與常規(guī)rTMS的主要區(qū)別在于：短時的刺激(40～190s)即能引起皮質興奮性的改變，并且這種改變能持續(xù)到刺激結束后至少20～30min。TBS的特點是內部頻率高、刺激強度低、持續(xù)時間短。TBS的基本參數(shù)為：3個50Hz的脈沖為一叢、每叢以5Hz的頻率(theta節(jié)律)重復刺激，刺激強度一般為80%活動運動閾值(Active Motor Threshold,AMT)。常見的TBS范式有兩種：①間歇性TBS(intermittent TBS, iTBS)：是以上述參數(shù)持續(xù)刺激2s，停8s，總時長191.84s，總脈沖數(shù)600個。iTBS可誘發(fā)LTP效應，提高皮質興奮性；②持續(xù)性TBS(continuous TBS，cTBS)：是以上述參數(shù)連續(xù)刺激，總時長40.04s，總脈沖數(shù)600個。cTBS可誘發(fā)LTD效應，抑制皮質興奮性。Huang等[5]的研究顯示：iTBS增加皮質興奮性的效應達到刺激結束后20min，cTBS降低皮質興奮性的效應則可以達到60min。

1.3 TBS調節(jié)大腦皮質興奮性的作用機制

1.3.1 TBS后效應的皮質起源 Lazzaro等[10]在頸部硬膜外隙植入電極，記錄由TMS誘發(fā)的錐體束中的一系列下行沖動。植入電極記錄到的第一個沖動稱為直接波(D-波)，反映皮質脊髓軸突的直接激活；隨后的沖動稱為間接波(I-波)，反映在運動皮質的神經網(wǎng)絡中產生的活動。Lazzaro等發(fā)現(xiàn)，cTBS明顯降低了產生早期I-波的皮質環(huán)路的興奮性，而晚期I-波和D-波較少受到影響。這表明cTBS對產生早期I-波的中間神經元與中樞神經系統(tǒng)之間的突觸有重要影響。iTBS對早期I-波無影響，增加了晚期I-波的幅度，并持續(xù)增強皮質脊髓下行沖動。這表明iTBS主要作用于介導晚期I-波產生的神經元。另外，iTBS刺激M1下肢代表區(qū)后記錄到的I-波不僅振幅升高，而且同步性明顯增強。因此iTBS的作用可能是由于晚期I-波環(huán)路的突觸傳遞增強和/或對皮質脊髓細胞爆發(fā)性輸入的同步增加。

1.3.2 TBS對谷氨酸受體、γ氨基丁酸(GABA)受體的影響 Huang等[11-12]提出，TBS對神經系統(tǒng)環(huán)路的后效應與谷氨酸受體(Glu-R)、N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDA-R)、α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體(AMPA-R)的活性調節(jié)有關，與在LTP和LTD中觀察到的變化類似。LTP和LTD產生的離子機制為：Glu與NMDA-R結合，mg2+門控離子通道打開，Ga2+內流。Ga2+的迅速大幅增加增強了與羧基的結合能力，而緩慢小幅增加則增強了與氨基的結合能力。如果Ga2+與羧基結合，則觸發(fā)鈣-鈣調蛋白依賴性激酶的激活，繼而使AMPA-R磷酸化，從而增加Na+的通透性，并增加突觸后膜受體的數(shù)量，最終導致LTP。如果Ga2+與氨基結合，則觸發(fā)磷酸酶途徑的激活，從而去除APMA-R中的磷酸基團并降低Na+的通透性，減少突觸后膜受體的數(shù)量，最終導致LTD[13]。Huang等[11]的研究顯示，美金剛(NMDA-R拮抗劑)能夠阻斷cTBS與iTBS的后效應，而安慰劑組沒有顯示出明顯的效果，證明iTBS和cTBS的后效應至少部分依賴于NMDA-R活性。還有一種假說認為TBS的靶標不僅在興奮性網(wǎng)絡，也在抑制性網(wǎng)絡。有研究者認為，TBS的theta節(jié)律可能降低抑制性輸入的作用，并通過促進更強的NMDA-R反應來促進LTP[14]。

1.3.3 TBS對基因表達和蛋白水平的影響 早有一些研究顯示，rTMS發(fā)揮作用可能的神經生物學機制是調節(jié)某些基因的表達，如腦源性神經營養(yǎng)因子(BDNF)或c-fos[15-16]。BDNF是神經營養(yǎng)因子家族中分布最廣泛的一種蛋白質，參與皮質神經元的突觸可塑性、神經發(fā)生、運動神經元的存活、運動技能學習中的可塑性反應，以及某些神經精神疾病的發(fā)病機制。研究觀察到rTMS干預后血清BNDF濃度升高，且這種升高出現(xiàn)于rTMS刺激結束后數(shù)分鐘，并不是即刻出現(xiàn)，證明這種BDNF的升高是由rTMS誘導的蛋白表達引起的，而不是急性釋放[17]。zif268和c-fos都與早期LTP(<1h)的誘導有關。一項研究分析了iTBS、1Hz與10HzrTMS作用于數(shù)個皮質區(qū)域對大鼠大腦中zif268和c-fos表達水平的影響[18]。結果顯示1Hz與10HzrTMS能夠增強運動皮質以及其他皮質區(qū)域的c-fos蛋白表達，但iTBS沒有這種效應。iTBS刺激后幾乎所有皮質區(qū)域中的zif268表達均升高，而10HzrTMS僅在M1和感覺皮層中有這種效應。Mix等[19]發(fā)現(xiàn)iTBS干預后，嚙齒動物的兩種鈣結合蛋白表達均降低，表明鈣結合蛋白的降低可能導致GABA能活性降低，因此促進了iTBS后的LTP樣效應。

1.3.4 TBS對皮質興奮性的調節(jié) 以單脈沖TMS誘發(fā)的MEP振幅為指標，作用于一側半球M1的cTBS能夠使對側半球M1的MEP振幅升高，而iTBS則產生相反的作用[20]。結合目前普遍認為的半球間競爭抑制模型，cTBS降低了刺激側半球的興奮性，從而使刺激側半球對非刺激測半球的抑制減弱，間接提高了非刺激測半球的興奮性，iTBS的作用則正好相反[21]。有研究將TBS應用于包括Brodmann 5區(qū)(BA5)在內的高級體感區(qū)[22]，發(fā)現(xiàn)cTBS后MEP升高，提示BA5可能對同側和對側M1的興奮性也有很強的調節(jié)作用。

2 TBS在腦卒中后運動功能康復中的應用

腦卒中發(fā)生后，神經網(wǎng)絡活動處于紊亂狀態(tài)，如何在這種情況下有效地利用突觸可塑性以改善腦功能，是目前研究的熱點。一些研究是基于簡單的半球間失平衡概念，即患側半球興奮性降低與健側半球興奮性增加，同時健側半球對患側半球過度抑制。但腦損傷后的功能變化十分復雜，不能用一個簡單概念來概括。替代模型是指未受損腦區(qū)代償受損功能的現(xiàn)象，如受損半球的非初級運動皮質可以代償受損皮質下行通路的功能控制。Di等[23]提出，高度受損患者的結構保留度較低，這時替代模型可以更好地解釋損傷后恢復的機制；隨著損傷程度的降低，結構保留度增加，這時雖然不能排除替代模型的效應，但半球間失平衡起到了重要作用。NIBS技術治療腦卒中后運動障礙的機制應該綜合考慮，得到更全面的解釋。

2.1 iTBS的應用 已有較多研究顯示，將iTBS應用于腦卒中患者的患側大腦半球可以提高運動功能恢復。一項隨機對照試驗對慢性皮質下卒中患者的患側運動皮層進行iTBS治療，與假對照組相比，iTBS組的上肢功能在治療后1個月得到明顯改善[24]。Diekhoff等[25]的研究顯示，iTBS應用于患側M1顯著增加了患側M1的興奮性，同時觀察到了健側半球M1興奮性的下降。他們還指出iTBS的個體敏感性受到患側半球運動網(wǎng)絡連接的個體間差異的影響。Volz等[26]對26例發(fā)生缺血性腦卒中2周內的患者進行了連續(xù)5d的iTBS治療，在對患側M1施以iTBS治療后立即進行45min以手部運功功能為重點的標準化康復治療。結果顯示， 與假對照組相比iTBS治療后的握力恢復較基線明顯提高，并且在卒中發(fā)生后3個月的隨訪中，iTBS組的握力明顯高于對照組(85% vs. 63%)，同時iTBS組也表現(xiàn)出更好的運動網(wǎng)絡連接。作者認為，iTBS作用于患側M1可以有效地預防卒中后的腦網(wǎng)絡退化。Di Lazzaro等[27]用MEP作為評估手段，證明iTBS作用于患側半球M1手部代表區(qū)以及cTBS作用于健側半球M1手部代表區(qū)，對腦卒中急性期患者的患側運動皮層均表現(xiàn)出了促進作用。

2.2 cTBS的應用 Talelli等[28]研究了TBS對腦卒中后運動功能康復的影響，也是首次研究了cTBS對慢性卒中患者健側半球的影響。結果證實了TBS的安全性，iTBS作用于患側大腦可以短暫地改善患手的運動功能，但cTBS沒有對患手運動功能表現(xiàn)出積極效果。作者推測可能是因為cTBS的刺激強度(80%AMT)低于影響經胼胝體通路的閾值。在另一項研究中，cTBS作用于健側M1后，雖然患側M1興奮性下降，但行為學指標反而惡化[29]。一項對41例慢性卒中患者的進一步對照研究顯示[30]，cTBS作用于健側半球，在9HPT，Jebsen手功能測試等結果評估中與對照組沒有明顯差異。但也有研究顯示，慢性卒中患者經過一次健側cTBS治療后，手運動的靈活性得到改善[31]。有研究者認為，在腦卒中運動障礙的康復治療中不推薦在健側半球應用cTBS作為治療手段[32]。對cTBS應用于健側半球治療腦卒中后上肢運動障礙的研究，從以上這些高異質性的結果難以得出明確的結論。

3 TBS的局限性

與rTMS相比，TBS的優(yōu)勢主要在于刺激強度低、脈沖數(shù)少、治療時間短[33]。但TBS也存在缺點。目前cTBS的作用存在爭議，且研究數(shù)目不足，研究的異質性較大，尚不能得出一致的結論。關于最佳刺激參數(shù)，目前也沒有共識，在一些研究中，研究者改變了TBS方案中的脈沖數(shù)、刺激強度、電流方向等參數(shù)。雖然已有大量研究報道了iTBS的興奮性作用和對腦卒中后上肢運動恢復的促進作用，但仍有一些研究顯示個體對iTBS的響應存在顯著的差異。Virginia等[34]對28名健康受試者進行了3種興奮性NIBS范式(陽極經顱直流電刺激(a-tDCS)、成對關聯(lián)刺激(PAS25)、iTBS)的研究。結果顯示，在干預后即刻、1天后、1周后，各組受試者的運動學習和皮質興奮性均無一致的顯著差異。作者分析這種結果出現(xiàn)的可能原因包括樣本量過小、研究采用了離線設計、測量指標單一等。Virginia等[35]后來又對56名健康受試者進行了a-tDCS、PAS25、iTBS的研究。結果顯示只有39%、45%和43%的受試者分別對PAS25、a-tDCS和iTBS做出了預期的響應。作者認為，對不同NIBS方案均存在高度的個體間差異，在該研究領域中，解決這種個體間差異是不可忽視的一個關鍵問題。目前已有一些研究者針對上述這種個體差異進行了研究。研究顯示BDNF單核苷酸多態(tài)性(SNP)Val66Met基因型在情景記憶中有著重要作用。這種BDNF的基因多態(tài)性對個體的NIBS差異性響應有著重要的意義。Cheeran等[36]研究了BDNF Val66 SNP的影響。在Val/Val純合子的個體(n=9)中，cTBS后MEP顯著降低，iTBS后MEP顯著升高，而在攜帶1～2個Met等位基因的個體中(n=9)則沒有這種顯著變化。Antal等[37]報道，iTBS只能在攜帶Val66Val等位基因的受試者中誘導出LTP樣可塑性，而不能在攜帶Val66Met等位基因的受試者中誘導出LTP。但是Mastroeni等[38]研究Val66Met基因型對cTBS和iTBS個體響應的影響，卻并未發(fā)現(xiàn)BDNF基因型的顯著影響。

雖然TBS在個體間的響應存在相當大的差異，但在個體內的變化要小的多。Hinder等[39]對30名健康受試者進行cTBS的干預，結果顯示個體間差異達到41.4%，而個體內差異為12.6%。許多因素可能導致個體內差異，如激素水平、每次試驗在一天中的時間、研究開始前的大腦活動水平等。如Clow等[40]報道，皮質醇分泌的晝夜節(jié)律能夠影響cTBS誘發(fā)的神經可塑性反應，在清晨皮質醇水平高峰時，對cTBS的響應高于一天中的其他時間。

4 小結

相比rTMS，TBS有著刺激時間短、刺激強度低、脈沖數(shù)少等獨特的優(yōu)勢，是一種極具潛力的NIBS技術。但TBS的作用機制目前尚不完全明了，需要更多的研究發(fā)掘其潛在機制。目前已有的研究顯示TBS的作用機制主要與興奮性和抑制性神經遞質、基因表達和蛋白水平等相關。研究結果支持iTBS能夠促進腦卒中后上肢運動功能的恢復，并促進兩大腦半球的功能重新平衡。而關于cTBS的作用目前仍存在爭議，已有研究異質性較大，且研究數(shù)目不足，沒有足夠的證據(jù)支持cTBS對腦卒中后運動障礙的康復有效。綜上，TBS對腦卒中后運動障礙康復的機制需要更多的研究來驗證。與其他NIBS技術一樣，TBS的作用存在較為明顯的個體間差異，且原因尚不完全明了，需要更多的研究來探索。在今后的臨床應用和研究中，應當關注樣本量計算的意義和樣本富集的顯著效果，以盡可能減少個體間差異帶來的不利影響，提高研究質量。