低频重复经颅磁刺激（rTMS)降低运动皮层兴奋性的研究

刘运洲，张忠秋

1 前言

经颅磁刺激 TMS（Transcranial Magnetic Stimulation)是一种安全、无创伤、无疼痛的新型认知神经科学技术，该技术由Barker等[2]于1985年首先创立的一种皮质刺激方法而发展起来。它通过时变磁场使深部脑组织产生感应电流，从而对刺激区域及较远的相关区域产生影响，且所产生的生物学效应能够持续到刺激停止后的一段时间。重复经颅磁刺激（rTMS)可调节大脑皮层的兴奋性，其所产生的兴奋或抑制效应取决于刺激参数如强度、频率、脉冲总数、持续时间等，一般来说，高频（＞5 Hz)rTMS能够促进皮层的兴奋性，而低频（≤1 Hz)rTMS则抑制皮层的兴奋性，基于它能调节大脑皮层的兴奋性而被广泛地应用于精神病学和神经病学的临床治疗[9，19]。

运动训练过程中尤其是邻近比赛，焦虑问题时常困扰着广大运动员及教练员，实践中常常采用放松训练、认知调节、表象演练等方式进行调控[1]，然而有时效果并不理想。低频（≤1 Hz)rTMS能够抑制皮层的兴奋性[9]，推定rTMS存在抗焦虑作用的最初证据来自健康志愿者的研究，依据“效价假说”，van Honk[24]和 Schutter[23]等对健康被试进行了一系列实验，结果显示，在右侧背外侧前额叶（DLPFC)施加阈下低频rTMS可减少焦虑相关行为，与假刺激相比尤其可降低自评焦虑及对侧脑电θ波活动增加。此外，d’Alfonso等在健康被试右侧背外侧前额叶（DLPFC)施加低频rTMS后，被试选择性注意愤怒的面孔，其解释为通过对右半球的抑制起到抗焦虑作用[7]。由此可见，在右侧DLPFC施加低频rTMS可调节躯体行为（减少焦虑相关行为[24])、认知（选择性注意愤怒的面孔[9])及大脑皮层的活动（对侧脑电θ波活动增加[24]，大脑皮层是情绪活动的最高控制中枢)，从而起到降低焦虑的作用。结构和功能神经影像学研究显示，焦虑发生时右侧前额叶皮层兴奋性增加[6]，而低频（≤1 Hz)rTMS能抑制皮层兴奋性[2]且具有一定的抗焦虑作用[23，24]，为此，可尝试将 rTMS作为干预手段，通过在右侧DLPFC施加低频rTMS来降低运动员的状态焦虑，即从中枢神经系统对运动员的赛前焦虑进行调控，将具有一定的理论意义和实践意义。

当前，一些研究证实了低频（≤1 Hz)rTMS能够抑制皮层的兴奋性，不仅可使刺激区域皮层的兴奋性降低约几s至数 min（取决于刺激持续时间)[5，21]，而且还能引发对侧皮层兴奋性的改变（即较远的相关区域)[21，25]。如 Chen等人（1997)首次研究了低频rTMS对运动皮层兴奋性的影响，他们考察0.9 Hz的rTMS刺激15 min后的运动诱发电位（M EP)，指出低频率rTMS导致MEP减少19.5％，且在刺激停止后这种效应至少持续了 15 min[5]；Romero等[22]（2002)的研究显示，1 Hz，90％RM T（静息阈值)的600次rTMS导致运动诱发电位（MEP)减少，刺激停止后这种效应至少持续了10 min。

然而，另有研究表明，刺激强度对高频rTMS或低频rTMS的刺激效果起着至关重要的决定作用[20]。如 Gabrielle等[14]的研究显示，在2Hz和6Hz的600次rTMS刺激中，80％RM T均导致运动皮层的兴奋性降低。在刺激强度为90％RM T的一些研究中（刺激频率范围为1～15 Hz)则出现了较大的被试内差异，这些研究认为，90％ RM T可能落在一个阈值范围，高于此强度的rTMS利于兴奋而低于此强度的rTMS利于抑制[14，20]。由此可见，rTMS的刺激效果不仅与频率有关，而且，强度、脉冲总数、持续时间等也有关。

总之，由于 rTMS的刺激参数较多，导致了影响刺激效果的因素也较多，到目前为止，在具体参数的设置上尚未取得一致意见，不能简单认为高频rTMS促进兴奋而低频rTMS导致抑制，在实际应用之前须对刺激参数的神经生理效果进行检验。为此，要想将rTMS作为降低焦虑的一种干预手段，首先必须确定出适宜的刺激参数并对参数的刺激效果进行检验。当前，大部分研究证实了1 Hz的rTMS能够降低运动皮层的兴奋性[5，21]，而 Gabrielle等[11]的研究认为，无论是高频（6Hz)rTMS还是低频（2Hz)rTMS，80％RM T均可导致运动皮层的兴奋性降低，于是，在此基础上，考虑到实际应用的需要，本研究拟采用1 Hz， 80％RM T的rTMS在被试左侧初级运动皮层（M 1区)施加刺激，分别对500次、1 000次、1 500次rTMS的刺激效果进行检验，旨在确定能够较好降低运动皮层兴奋性且具有足够持续效应的磁刺激参数，为使用rTMS降低运动员的赛前焦虑提供理论基础。研究假设为1 Hz，80％RM T， 1 500次rTMS能够较好地降低运动皮层的兴奋性及产生较长的后效应。

2 方法

2.1 被试

体校学生8名，右利手，其中，男、女各4名，平均年龄16±2.52岁，运动年限 6～9年，均为二级以上运动员。被试经过严格筛选，无既往病史、家族病史及精神类疾病，符合经颅磁刺激（TMS)实验标准。所有被试均自愿参加，且未参加过相关实验，也不知道实验目的。告知被试实验过程、可能的影响，并与其签订实验协议及付给相应报酬。

2.2 实验设计

被试内设计。所有被试均接受4种刺激条件的实验，即假刺激a、磁刺激b、磁刺激c、磁刺激d。为了避免遗留效应，各实验间均间隔一周[8]；为了避免顺序效应，男、女被试均按拉丁方的顺序参加实验：即：1)a b c d；2)b c d a ；3)c d a b；4)d a b c。此外，要求被试在实验期间不要饮酒及服用兴奋性或抑制性药物，保持正常的饮食和作息习惯，测试时间为上午8：30～11：30。4种刺激条件的刺激参数如下：

假刺激a：1 Hz，80％RM T，1 500次rTMS（150个序列，共30 min)；磁刺激b：1 Hz，80％RM T，500次 rTMS （50个序列，共10 min)；磁刺激c：1 Hz，80％RM T，1 000次rTMS（100个序列，共20 min)；磁刺激 d：1 Hz，80％ RM T，1 500次rTMS（150个序列，共30 min)，所有刺激序列均持续10 s间隔2 s，每个序列10次刺激。

2.3 实验设备

经颅磁刺激器：Magtism RAPID2型（英国Magtism公司)磁刺激仪，使用标准蝶型70 mm双线圈（即“8字型”线圈，具有较好的聚焦性能，刺激部位更精确)，磁场强度为2.2 T。

2.4 实验过程

实验在屏蔽室内进行，实验前简单介绍 TMS、实验程序、注意事项及可能的影响，并告知被试实验过程中如有不适可随时终止实验。分别测试刺激前，刺激结束后即刻，刺激结束后30 min、60 min、120 min时放松状态下右手拇短展肌（First Dorsal Interosseous-FDI)的运动诱发电位振幅（Motor Evoked Potential Amplitude-MEP Amplitude)。

磁刺激：被试舒服地坐在两侧有扶手的靠椅上，保持全身放松，下颚放在固定的支架上。线圈平面与被试颅骨表面相切，置于左侧初级运动皮层（即M 1区，位于国际标准脑电10～20记录系统的Cz点)能够最佳激活右手拇短展肌的位置，按照设定的刺激参数实施刺激。

假刺激：实施方法与磁刺激相同，操作时将输出强度降低到20％，使之远远低于大脑皮层产生生理反应的强度[13]。

静息阈值（Rest Motor Threshold-RM T)：指目标肌肉在完全放松的情况下，连续10次经颅磁刺激中有5次以上产生大于50μV运动诱发电位（MEP)的最小磁刺激强度。静息阈值测定时，线圈的输出强度设置为70％，先找到能诱发出波幅最大且重复性好的最佳刺激点，然后在此点每次减少5％的输出强度，找到能够诱发 50μV左右MEP的输出强度后，再以每次增加或减少1％的输出强度进行微调，直至找到在连续10次的经颅磁刺激中有5次以上产生大于50μV M EP的最小刺激强度。

运动诱发电位（Motor Evoked Potential-MEP)：采用Magtism RAPID2型磁刺激仪的M EP模块及其专用电极线记录右手拇短展肌（FDI)的表面肌电（M EP参数为：时间基值50ms，滤波通带2 Hz～10K Hz)。记录电极置于拇短展肌肌腹，参考电极置于远心端的肌腱，接地极置于手腕。

运动皮层的兴奋性采用运动诱发电位振幅（M EP Amplitude)进行评价，其机制为肌肉的随意收缩使细胞膜电位上升，对刺激的兴奋性增加，TMS刺激可募集更多数量的肌细胞参与收缩[27]。运动诱发电位振幅通过测量波峰与波谷之间的电位差来确定。为了考察rTMS后运动诱发电位振幅的变化，采用单脉冲磁刺激（sTMS)在放松状态下诱发右手拇短展肌（FDI)产生M EP，刺激强度设置为能够诱发1.0～2.0 mV运动诱发电位振幅的强度。各被试在整个测试中均保持同一刺激强度，将连续6次sTMS的结果平均后作为测试值，sTMS之间间隔5 s。为了保持测试的准确性，实验中用彩笔在刺激位置做上标记。为了便于比较刺激前、后运动诱发电位振幅的变化，将刺激后运动诱发电位振幅与刺激前运动诱发电位振幅的百分比来表示。

2.5 统计方法

使用统计软件SPSS 15.0对数据进行统计分析，显著性水平定为α=0.05。

3 结果

rTMS刺激过程中被试均未感到疼痛，未引起不适反应，刺激后没有产生不利影响。

将刺激参数（假刺激a，磁刺激b，磁刺激c，磁刺激d)和测试时间（刺激前，刺激结束后即刻，刺激结束后30 min、60 min、120 min)作为被试内主因素，对运动诱发电位振幅（MEP Amplitude)进行双因素重复测量方差分析（表1)，结果显示刺激参数的主效应极端显著，F（4，28)= 101.274，P＜0.0005；测试时间的主效应极端显著， F（3，21)=108.302，P＜0.0005；更重要的是，刺激参数与测试时间的交互作用极端显著，F（12，112)=32.844，P＜ 0.0005。

表1 本研究4种刺激参数刺激前、后的运动诱发电位振幅一览表 （M±SD)

对4种刺激参数刺激前、后各自的运动诱发电位振幅（MEP Amplitude)分别进行重复测量方差分析及采用成对样本t检验进行事后比较分析（图1)。

图1 本研究4种刺激参数刺激前、后的运动诱发电位振幅示意图

假刺激 a：测试时间的主效应不显著，F（4，28)= 1.548，P=0.216。同刺激前的运动诱发电位振幅相比，刺激结束后即刻、刺激结束后30 min、60 min、120 min时的运动诱发电位振幅无明显变化。表明假刺激a未能导致运动诱发电位振幅发生变化。

磁刺激 b：测试时间的主效应极端显著，F（4，28)= 10.392，P＜0.0005；成对样本 t检验显示，刺激前和刺激结束后即刻差异极显著，t=4.640，df=7，P=0.002，刺激前和刺激结束后30 min（t=-0.210，df=7，P= 0.839)、刺激结束后 60 min（t=-0.146，df=7，P= 0.888)、刺激结束后120 min（t=0.633，df=7，P=0.547)均差异不显著。同刺激前的运动诱发电位振幅相比，刺激结束后即刻的运动诱发电位振幅减小了11.27％，刺激结束后30 min、60 min、120 min时的运动诱发电位振幅无明显变化。表明磁刺激b导致运动诱发电位振幅减少，其后效应持续的时间小于30 min。

磁刺激c：测试时间的主效应极端显著，F（4，28)= 41.979，P＜0.0005；成对样本 t检验显示，刺激前和刺激结束后即刻差异极端显著，t=8.159，df=7，P＜0.0005，刺激前和刺激结束后30 min差异极显著，t=4.614，df= 7，P=0.002，刺激前和刺激结束后60 min（t=0.000，df =7，P=1.000)、刺激结束后120 min（t=-0.908，df= 7，P=0.394)均差异不显著。同刺激前的运动诱发电位振幅相比，刺激结束后即刻、刺激结束后30 min时的运动诱发电位振幅分别减少了21.24％、14.41％，刺激结束后60 min、刺激结束后120 min时的运动诱发电位振幅无明显变化。表明磁刺激c导致运动诱发电位振幅减少，其后效应持续的时间大于30 min小于60 min。

磁刺激d：测试时间的主效应极端显著，F（4，28)= 105.869，P＜0.0005；成对样本 t检验显示，刺激前与刺激结束后即刻（t=12.484，df=7，P＜0.0005)、刺激结束后30 min（t=11.950，df=7，P＜0.0005)、刺激结束后60 min（t=9.794，df=7，P＜0.0005)均差异极端显著，刺激前与刺激结束后120 min差异不显著，t=2.066，df =7，P=0.078。同刺激前的运动诱发电位振幅相比，刺激结束后即刻、刺激结束后30 min、刺激结束后60 min时的运动诱发电位振幅分别减少 37.07％、32.94％、17.25％，刺激结束后120 min时的运动诱发电位振幅无明显变化。表明磁刺激d导致运动诱发电位振幅减少，其后效应持续的时间大于60 min小于120 min。

对刺激结束后即刻，刺激结束后30 min、60 min、120 min时四种刺激参数的运动诱发电位振幅（M EP amplitude)分别进行重复测量方差分析及采用成对样本 t检验进行事后比较分析（图2)：

图2 本研究4种刺激参数刺激后运动诱发电位振幅比较示意图

刺激结束后即刻：刺激参数的主效应极端显著，F（3， 21)=105.869，P＜0.0005；成对样本 t检验显示，假刺激a与磁刺激b差异极显著，t=4.467，df=7，P=0.003，假刺激a与磁刺激c（t=10.077，df=7，P＜0.0005)、磁刺激d（t=11.086，df=7，P＜0.0005)均差异极端显著，磁刺激b与磁刺激c差异显著，t=2.862，df=7，P= 0.024，磁刺激b（t=5.170，df=7，P=0.001)、磁刺激c（t =5.639，df=7，P=0.001)与磁刺激 d均差异极显著。同刺激前的运动诱发电位振幅相比，磁刺激b、磁刺激c、磁刺激 d的运动诱发电位振幅分别减小 11.27％、21.24％、37.07％，假刺激a的运动诱发电位振幅无明显变化。表明刺激结束后即刻，在运动诱发电位振幅减少的幅度上，磁刺激d＞磁刺激c＞磁刺激b。

刺激结束后30 min：刺激参数的主效应极端显著，F （3，21)=65.003，P＜0.0005；成对样本 t检验显示，磁刺激d与假刺激a（t=-10.783，df=7，P＜0.0005)、磁刺激b（t=-10.097，df=7，P＜0.0005)均差异极端显著，磁刺激d与磁刺激c差异极显著，t=-4.777，df=7，P =0.002，假刺激a（t=6.520，df=7，P＜0.0005)、磁刺激b（t=6.917，df=7，P＜0.0005)与磁刺激c均差异极端显著，假刺激a与磁刺激b差异不显著，t=0.732，df= 7，P=0.488。同刺激前的运动诱发电位振幅相比，磁刺激c、磁刺激d的运动诱发电位振幅分别减少了14.41％、32.94％，假刺激a和磁刺激 b的运动诱发电位振幅无明显变化。表明刺激结束后30 min时，在运动诱发电位振幅减少的幅度上，磁刺激d＞磁刺激c。

刺激结束后60 min：刺激参数的主效应极端显著，F （3，21)=38.930，P＜0.0005；成对样本 t检验显示，假刺激a（t=9.095，df=7，P＜0.0005)、磁刺激b（t=9.029， df=7，P＜0.0005)、磁刺激c（t=9.029，df=7，P＜ 0.0005)与磁刺激d均差异极端显著，假刺激a与磁刺激 b （t=-0.532，df=7，P=0.617)、磁刺激c（t=-0.069， df=7，P=0.947)均差异不显著，磁刺激b与磁刺激c差异不显著，t=0.317，df=7，P=0.761。与刺激前的运动诱发电位振幅相比，磁刺激d的运动诱发电位振幅减少了17.25％，假刺激a、磁刺激b、磁刺激c的运动诱发电位振幅无明显变化，表明刺激结束后60 min时，只有磁刺激d仍能导致运动诱发电位振幅减少。

刺激结束后 120 min：刺激参数的主效应不显著， F（3，21)=1.653，P=0.208。同刺激前的运动诱发电位振幅相比，假刺激a、磁刺激b、磁刺激c、刺激d的运动诱发电位振幅均无明显变化，表明4种刺激参数在刺激结束后120 min时均不能导致运动诱发电位振幅减少。由此可见，在运动诱发电位振幅减少的幅度上，磁刺激d＞磁刺激b＞磁刺激c。

4 讨论

本研究按照 TMS实验标准对被试进行了严格筛选，刺激过程中被试均未感到疼痛，未引起不适反应，刺激后没有产生不利影响。结果显示：在被试左侧初级运动皮层（M 1区)施加1 Hz，80％RM T的500次、1 000次、1 500次 rTMS（持续10 s间隔2 s)均能导致运动诱发电位振幅减少及产生一定持续时间的后效应；与500次、1 000次rTMS相比，1 500次rTMS的运动诱发电位振幅减少的幅度较大及后效应持续的时间较长。该结果与研究假设一致，即1 Hz，80％RM T，1 500次rTMS能较好地降低运动皮层的兴奋性及产生较长的后效应。

研究中对实验过程和额外变量进行了严格控制，并设置了控制组（假刺激)，假刺激未能导致运动诱发电位振幅发生变化，说明运动诱发电位振幅的变化均由rTMS引起，所得出的结果是 rTMS直接作用的结果。研究显示， 1 Hz，80％RM T的500次、1 000次、1 500次rTMS（持续10 s间隔2 s)均能降低运动皮层兴奋性，该结果与当前一些采用类似刺激参数的研究结果一致[21，22]，可能由于低频rTMS抑制了皮层中间神经元的兴奋性或降低了中间神经元与皮质细胞之间的联系[10，11]，从而导致运动皮层的兴奋性降低。

研究中比较了4种刺激参数刺激前、后各自的运动诱发电位振幅（图1)，旨在了解刺激是否能够降低运动皮层兴奋性及其所能持续的时间；并对4种刺激参数刺激结束后即刻、刺激结束后30 min、60 min、120 min时的运动诱发电位振幅进行比较（图2)，旨在了解刺激后各参数导致运动皮层兴奋性降低的程度，结果显示，磁刺激d（1 Hz， 80％RM T，1 500次rTMS)的运动诱发电位振幅减少的幅度较大及其后效应持续的时间较长。与500次、1 000次rTMS相比，1 500次rTMS的运动诱发电位振幅减少的幅度较大及后效应持续的时间较长，一方面，可能与神经递质γ-氨基丁酸（简称 GABA)的释放有关[24]，γ-氨基丁酸属于抑制性神经递质，在大脑皮层浅层及小脑的浦肯野细胞中含量较高，随着刺激次数的增多其释放增加。氨基酸类递质是与交感节前神经元形成突触的轴突末梢释放的重要递质，γ-氨基丁酸的释放增加可引起交感节前神经元发生抑制，从而降低神经元的活性及减慢神经传导速度；另一方面，可能与突触的可塑性有关，低频刺激时，突触前膜释放的谷氨酸使突触后膜的NMDA受体激活，钙离子流入树突后，钙离子浓度的适度增高激活了磷酸酶，从而诱导出长时程抑制（LTD)[16]，于是，随着刺激次数的增加，突触的传递效率便出现了长时程降低。

前额叶参与许多复杂的认知和行为功能，通过广泛的皮层间及皮层下通路与边缘系统联系（边缘系统由杏仁核、海马、隔核、扣带回、下丘脑等组成)，焦虑发生时，右侧前额叶皮层兴奋性增加[6]，此时，如果在右侧前额叶皮层施加适宜的低频rTMS，则可抑制其兴奋性及降低边缘系统间的联系。边缘系统间联系的降低可减轻高唤醒度情绪的激活程度[17]及减弱下丘脑-垂体-肾上腺（HPA)轴和内脏植物神经的活动，从而减轻应激反应[26]。此外，低频rTMS还可促进抑制性神经递质γ-氨基丁酸的释放，γ-氨基丁酸可降低神经元的活性及减慢神经传导速度，起到抗焦虑的作用[19]。当前研究证实了低频（≤1 Hz)rTMS能够抑制皮层的兴奋性[2]且具有一定的抗焦虑作用[23，24]，本研究在体校学生（二级以上运动员)左侧初级运动皮层区域（M 1区)施加不同参数的 rTMS，结果显示磁刺激d（1 Hz，80％RM T，1 500次rTMS)具有较强的抑制效应且其后效应持续的时间较长，于是可尝试将参数的rTMS作为干预手段用于降低运动员的赛前焦虑。由于其后效应持续时间较长（大于60 min小于120 min)，从而可使运动员产生抑制的时间也相对较长，于是使得在赛前进行调控成为可能，即可实现从中枢神经系统对运动员的赛前焦虑进行调节与控制。

本研究探讨了不同刺激数量的低频rTMS（1 Hz，80％ RM T)的刺激效果，为将rTMS作为降低运动员赛前焦虑的一种干预手段提供了适宜的刺激参数。在今后的研究中，应继续对它的抗焦虑作用及其机制进行深入探讨，为使用rTMS降低赛前焦虑提供理论基础。此外，由于rTMS的参数较多，在今后的研究中仍需继续对各种参数的刺激效果进行检验，以便在应用中能够找到具有最佳效果的刺激参数。

5 结论

1.1 Hz，80％RM T，500次rTMS（持续10 s间隔2 s， 50个序列，每个序列10次刺激，共10 min)能够降低运动皮层的兴奋性，其后效应持续的时间小于30 min。

2.1 Hz，80％RM T，1 000次rTMS（持续10 s间隔2 s， 100个序列，每个序列10次刺激，共20 min)能够降低运动皮层的兴奋性，其后效应持续的时间大于30 min小于60 min。

3.1 Hz，80％RM T，1 500次rTMS（持续10 s间隔2 s， 150个序列，每个序列10次刺激，共30 min)能够降低运动皮层的兴奋性，其后效应持续的时间大于60 min小于120 min。

4.与 500次、1 000次 rTMS相比，1 500次 rTMS （1 Hz，80％RM T，持续10 s间隔2 s)能较好地降低运动皮层的兴奋性及产生较长的后效应，可作为使用rTMS降低运动员赛前焦虑的刺激参数。

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