不同范式重复性经颅磁刺激的作用机制及改善脑卒中后运动功能的研究进展

朱萍，钟燕彪，徐曙天，单春雷

1 前言

脑卒中发生率高，是我国第一致残性疾病[1]，大约1/2～2/3的患者遗留有运动功能障碍[2]。这不仅大大降低了脑卒中患者的生活质量，也给其家庭及社会带来巨大负担。因此，脑卒中后运动功能康复对于患者、家属以及社会都具有重要的意义。

传统的针对脑卒中后运动功能障碍的康复方法主要是通过重复的肢体功能训练来间接影响脑重塑，然而这些方法在治疗过程中常常遇到疗效瓶颈。神经调控技术能够直接调控大脑活动和神经环路重塑来促进脑卒中患者运动功能改善，逐渐成为康复领域研究的热点并在临床上得到越来越广泛的应用。经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)是Barker等[3]在1985年公开发表的神经电生理技术，其通过变化的磁场诱导大脑皮质产生感应电流来直接调节神经元的活动、促进脑功能网络的重塑。本文针对不同范式的TMS在脑卒中后运动功能障碍康复中的作用机制及其研究进展综述如下。

2 不同模式TMS的作用机制

TMS是将刺激线圈以一定角度放在受试者皮质功能区对应的头颅外部空间位置，并利用脉冲电流使线圈产生变化的磁场，以此在大脑皮质产生感应电流，从而改变神经元膜电位，可引发目标肌肉的动作电位即运动诱发电位(motor evoked potential, MEP)的技术[3]。目前在临床上常用的以治疗性干预为目的的TMS刺激范式有重复性经颅磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS)、Theta节律爆发式刺激(theta burst stimulation, TBS)、成对关联刺激(paired associative stimulation, PAS)，其作用机制分别如下。

2.1 rTMS的作用机制 rTMS是在保持刺激强度不变的基础上，在选定的皮质部位给予重复、连续、有规律的TMS脉冲刺激。根据刺激频率的不同，rTMS分为低频rTMS(≤1Hz)和高频rTMS(>1Hz)2种，临床上通常采用1～20 Hz之间的刺激频率[4]。目前rTMS对脑卒中后运动功能障碍的确切作用机制仍不明确，但是大量研究结果提示，其效应可能与以下因素有关。

2.1.1 大脑神经可塑性 突触连接和各种结构兴奋性的改变以及相关的运动适应被认为可能反映了脑卒中患者神经可塑性的主要变化[5]。rTMS可在刺激的局部调节大脑皮质的兴奋性，并可产生突触间作用使其在远端同样产生治疗作用[6]。有研究发现低频rTMS可以降低MEP的幅值，而高频rTMS的作用则相反[7]。rTMS作用于M1后可以改变病灶周围、远隔区和未受累半球的突触连接及突触后细胞内的钙离子浓度，调控M1的长时程抑制(long-term depression, LTD)或长时程增强(long-term potentiation, LTP)转换，从而诱导运动皮质兴奋性的变化，从中枢神经系统的水平改善运动控制[8-9]。

2.1.2 利用半球间抑制效应双向调节大脑的兴奋性[1]在健康人群体中，大脑两侧半球之间存在着一种皮质兴奋性的平衡，两侧运动皮质兴奋性会保持在一定范围以内，从而维持正常的运动功能。而在脑卒中发生后，其中一侧的皮质受损，这种平衡会被打破。通常未受损侧半球M1会表现出过高的兴奋性，而受损侧半球M1则表现出兴奋性的降低[10]。研究显示健侧半球M1对受损半球M1表现出异常增高的半球间抑制(interhemisperic inhibition, IHI)可能是脑卒中后运动障碍的原因之一[11]。低频rTMS作用于健侧大脑降低其运动皮质异常增高的兴奋性，从而减少其对受累侧半球运动皮质的抑制作用；而高频rTMS作用于患侧大脑，提高受损半球运动皮质兴奋性[12]，尽可能地恢复两侧大脑半球间原有的交互性抑制平衡[13]，通过双向调节大脑的兴奋性来促进皮质功能修复、重组[14]，从而达到功能康复的目的。

2.1.3 rTMS调控脑内相关的物理或化学变化 大脑内皮质结构复杂，rTMS作用于不同的皮质区可以引起大脑内血流量、激素、脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)水平等方面的变化。高频rTMS可以增加刺激侧大脑前动脉及大脑中动脉的血流速度[15]，而低频rTMS可在降低被刺激侧脑区血流量的同时提高对侧相应脑区血流量[16]。大脑血流量的改变可以调节脑细胞内葡萄糖的代谢水平，从而减少神经元凋亡的发生[17]。此外，低频rTMS刺激健侧半球可以抑制其BDNF的产生，从而改变相应脑电基础活动频率和共振频率，调节大脑功能[18]。

2.2 TBS的作用机制 TBS是TMS的一种特殊刺激范式，是在rTMS的基础上加入了丛状节律式刺激，在2005年以后被广泛应用于脑卒中康复[19]。常见的TBS主要分为连续性TBS(continuous theta burst stimulation，cTBS)和间歇性TBS(intermittent theta burst stimulation，iTBS)2种。由200个连续脉冲串组成，每串有3个脉冲，共计600个刺激脉冲。持续40s没有间隔的TBS被称为cTBS[20]，也叫“持续Theta短阵脉冲刺激”。同样也是600个刺激脉冲，但是每刺激2s便停止8s的TBS，则被称为iTBS，也叫“间歇性Theta短阵脉冲刺激”。iTBS与cTBS均可影响大脑功能重组过程，根据已有的神经生理学研究显示，其调控机制可能包括以下两方面。

2.2.1 双向调控大脑皮质兴奋性 LTP和LTD的发生依赖于内流的钙离子浓度，且这两种过程会在受到刺激后同时产生[21]。cTBS可以使脑内的钙离子浓度升高，当Ca+浓度大于5μmol/L时发生Ca MKII蛋白磷酸化[22]，诱发LTD效应，抑制皮质兴奋性；而iTBS导致细胞内钙离子浓度并不明显升高，诱发LTP效应，提高皮质兴奋性[23]。有部分研究认为TBS还能够通过远隔效应来兴奋或抑制对侧运动皮质的兴奋性[24]，从而双向调控大脑皮质的功能，能够有效地降低半球间失衡带来的影响[25]。

2.2.2 对基因表达和蛋白水平的影响 有动物研究发现，TBS极大减少了谷氨酸脱羧酶(glutamic acid decarboxylase, GAD67)、小白蛋白、钙结合蛋白表达，提示抑制性神经元的活性降低[26-27]。但这些研究结果都显示iTBS比cTBS的作用效果更明显，因为仅在iTBS干预后发现即刻早期基因产物c-Fos和zif268的表达增加及GAD67和PV表达减少。这可能是因为iTBS作用于胼胝体附近，且主要激活皮质锥体细胞但较少激活皮质下神经元，抑制降低故而增加了皮质活性[28]。另有一项研究分析了iTBS、1Hz或10Hz 的rTMS分别作用于数个皮质区对大鼠大脑中两种即刻早期基因蛋白zif268和c-fos表达水平的影响，其结果显示在iTBS干预后几乎所有皮质区中的zif268表达均有升高，而rTMS只有在10Hz刺激才在M1区和感觉皮质中发现有这种效应[29]。这些基因表达和蛋白水平的改变都可以影响到脑内突触连接的改变，促进大脑相关功能的恢复。

2.3 PAS的作用机制 PAS是为了增强TMS的效果，把主要作用于中枢神经系统的TMS和作用在周围神经系统的电刺激按一定时间间隔结合的一种刺激方案，旨在诱导运动系统兴奋性的持久变化[30]。PAS一般在施加于肢体对侧M1的TMS单脉冲刺激之前，采用外周感觉刺激的重复配对，将传入感觉输入与同侧M1活动相整合[31]。PAS诱导突触可塑性的一个关键因素在于PNS和TMS之间的刺激间隔(inter stimulus interval，ISI)，一定时间的刺激间隔会出现类似LTP效应的MEP幅值升高，产生持久的运动皮质兴奋性增强[32]。相反，对于较短的ISI，观察到MEP幅值降低。研究显示当ISI为25ms(PAS 25)时，PAS作用于健康人及脑卒中患者时，均可诱导产生LTP效应；当ISI为10ms(PAS l0)时则产生LTD效应[33]，从而调节大脑皮质兴奋性。在动物实验中[34]，在ISI为5ms的PAS干预后便可以观察到大鼠的运动皮质MEP幅值显著下降，而在ISI为15ms的PAS干预后MEP幅值则显著增加，并且在此实验中单独TMS或PNS没有显示出显著效果。有研究表明，PAS对皮质兴奋性的促进作用可以用N-甲基-D-天冬氨酸受体(N methyl D aspartate receptor, NMDA-r)拮抗剂来阻断[35-36]，因此NMDA-r可能通过一系列的生化反应激活钙-钙调蛋白依赖性激酶，最终导致LTP产生。然而也不能排除通过抑制表达的γ-氨基丁酸受体的分布[37]，并允许更强的NMDA-r反应来促进LTP。毫无疑问，健康人接受TMS和/或外周刺激都会诱发皮质兴奋性的可塑性变化。通过将rTMS与运动点处肌肉传入的电刺激配对，确实可以在人感觉运动皮质中诱导出输出环路兴奋性的持久变化。但最近也有研究猜测，PAS所诱导的脑卒中后皮质兴奋性的增加可能并不是因为皮质内抑制或促进的改变，而是通过从丘脑到初级躯体感觉(S1)和运动皮质的投射改变了丘脑与皮质之间的连接，是皮质下发生的变化所引起[38]。然而这个猜想还有待更多的研究去证实。

3 不同范式TMS改善脑卒中后运动功能的应用进展

TMS除了作为评估工具以外，在国内也逐渐被广泛应用于脑卒中康复治疗。从最初低频或高频的rTMS作用于单侧的大脑半球，到健侧半球低频rTMS联合患侧半球高频rTMS，再到rTMS联合传统的康复干预来促进脑卒中后功能障碍的改善，以及联合应用针刺和经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)来调节皮质兴奋性等不同干预方案。应用不同范式TMS的组合改善脑卒中后运动功能的治疗方案越来越呈现出多样化的趋势[39]，其相关应用研究在近些年也出现了较多的进展。

3.1 rTMS改善脑卒中后运动功能的应用研究 Takeuchi等[40]首次在临床上证实了作用于脑卒中患者健侧Ml的1Hz rTMS能降低由健侧Ml向患侧Ml施加的经胼胝体抑制，从而改善患侧手运动功能。从此，rTMS逐渐被国内外学者应用到脑卒中后运动功能障碍的康复中，尤其是对上肢运动功能的康复。无论是急性期还是亚急性脑卒中患者，仅仅通过周期较短的治疗，便能产生较明显的改善。Sasaki等[41]对29例脑卒中偏瘫早期患者，连续5d采用rTMS高频(10Hz)刺激患侧、低频(1Hz)刺激健侧的对照治疗试验，发现2组rTMS组患者手运动功能均较对照组有明显改善。同样有研究报道采用1Hz rTMS作用于健侧大脑运动区，连续治疗5d，2组试验结果上肢运动功能均得到改善[42-43]。最新研究报道，Fran ois等人[44]对先天性胼胝体发育不全的脑卒中患者采用1Hz的rTMS抑制对侧运动皮质，首次发现rTMS可显著改善上肢对抗性失用(diagonistic dyspraxia)。这也为治疗对抗性失用这一疾病提供了新思路。临床上采用rTMS对下肢功能康复研究相对较少，并且得到的实验结果因研究对象不同而产生的差异性较大。Chieffo等[45]对5例皮质下损伤导致的下肢功能障碍患者，采用20Hz的高频rTMS连续对患者双侧下肢运动皮质区刺激3周，结果显示试验组的下肢Fugl-Meyer评分及10米步行测试结果在行走速度方面均有显著提升。

3.2 TBS改善脑卒中后运动功能的应用研究 iTBS有提高皮质兴奋性的作用，较多的临床试验证明iTBS对脑卒中后运动障碍的康复有益。Diekhoff等[46]单独将iTBS应用于慢性脑卒中患者的患侧M1区，结果显示，患侧M1的兴奋性显著增强及健侧半球M1兴奋性的下降，同时观察到了试验组的上肢功能得到明显改善，这与Lazzaro等[47]的研究结果一致。这些研究均显示iTBS可作为一种治疗手段改善脑卒中后上肢的运动功能。此外cTBS联合运动训练在改善脑卒中后手功能运动方面也取得一定效果。Yamada等[48]对10位卒中后上肢偏瘫患者，采用大脑健侧cTBS(共2400脉冲，总刺激时间为160s)联合强化作业训练(分别给予120min个性化定制的一对一作业训练和120min自我训练，如粘土成型、写字作画等)，结果显示患侧手的Fugl-Meyer评分及Wolf运动功能测试评分均有显著提高，且Wolf运动功能测试时间明显缩短。同样，Ackerley等[49-50]对10例慢性皮质下脑卒中患者进行600脉冲TBS治疗后，给予上肢运动训练(4组精准抓握动作训练，每组持续4min)，结果显示无论iTBS还是cTBS都能提升手的抓举能力并改善瘫痪手的表现，且TBS联合运动训练的效果优于单纯干预的效果。这与Di等[47]用MEP作为评估手段的研究结果一致。对于慢性脑卒中患者，也有研究采用cTBS来抑制皮质兴奋性，同时结合物理治疗(包括腕部、手指和拇指的力量训练、抓握以及重复的任务练习)。

3.3 PAS改善脑卒中后运动功能的应用研究 Stefan等[51]首次将PAS作为诱导突触特异的Hebbian可塑性的有效手段，并将其应用于健康受试者并发现，当电刺激应用于腕关节正中神经，25ms后TMS刺激对侧M1，通过该间隔的重复配对可增加皮质脊髓兴奋性。与基线值相比，MEP的平均幅值显著增加。这一研究显示PAS可以诱导运动皮质兴奋性的持久变化。这些研究均提示应用PAS作为有效靶向感觉运动通路的干预可能提高脑卒中后运动功能障碍患者的运动恢复能力。PAS诱导的皮质运动兴奋性的变化在受试者之间个体差异很大。Stefan等[52]的研究数据表明，只有约75%的受试者在PAS后显示出MEP幅值的LTP样增加。此外，对于可以采用的最佳刺激间隔依然没有确切统一，Shin等[53]首先将PAS应用于脑梗塞大鼠，并得出结论认为ISI为8ms的PAS显著增加MEP的幅值并促进功能恢复。而Amaya等[54]以躯体感觉诱发电位作为指标来确定ISI，然后将PAS应用于恒河猴，发现ISI为15ms的PAS能够显著增加皮质兴奋性，并且其效应持续时间长达2h，而5ms的PAS则无效。些间隔的差异可能与不同动物的感觉传导路径的长短有关。目前在临床上，大多研究者采用的ISI为25ms或10ms，普遍认为PAS 25可诱导产生M1的LTP效应，而PAS 10则诱导产生LTD效应。

4 结语

rTMS、TBS以及PAS都是在TMS技术上发展起来的新型神经调控技术和治疗手段，已成为研究神经网络以及调节脑功能的有力工具。在临床康复中，上述刺激范式除了对脑卒中患者的运动功能障碍取得了疗效以外，对脑卒中后失语症、吞咽障碍、记忆及认知功能等方面都产生积极的作用。rTMS涉及到频率、强度等不同刺激参数，并且参数组合方案较多，故影响结果的因素繁杂，而且不同的参数会对神经网络及脑功能产生不同的影响。同时大多数临床研究者对TBS及PAS也缺乏较为全面和深入的认识。因此，其潜在的巨大临床价值尚未被开发，应用的前景广阔。未来必然会涌现更多的基础研究和临床试验来推动相关领域发展，从而为脑卒中患者制定和提供更加有效、更加合理的康复方案，帮助患者早日回归家庭和社会做出贡献。