Theta节律刺激的作用机制及其在脑卒中后运动功能康复中的应用

李甲笠，单春雷

早在30多年前，Barker等[1]首次报道了经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)，从此实现了非侵入性地刺激大脑皮质，诱导皮质兴奋性的瞬时或长时改变的目的。重复性经颅磁刺激(Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation，rTMS)能够引起持续到刺激结束后数分钟至数小时的皮质环路可塑性改变，很多研究也已证明rTMS对脑卒中后的运动功能恢复的促进作用[2-3]。Theta节律刺激(Theta Burst Stimulation，TBS)是rTMS的一种最新范式，具有刺激时间短、刺激脉冲数少、刺激强度低等优势，并能诱导持久的大脑兴奋性改变，因而引起了研究者的广泛关注。本文从TBS的作用机制及其在脑卒中后运动功能康复中的研究进展方面做一综述。

1 TBS作用机制的研究进展

1.1 TMS的基本原理 TMS是无创性脑刺激(Non-invasive Brain Stimulation，NIBS)技术的常见类型，被广泛用于探索神经生理和大脑可塑性的研究中。TMS刺激仪的基本原理是电容器向封装于绝缘材料中的金属线圈发出短时的强电流，这个电流产生的快速波动的磁场可以几乎无衰减地穿过能够感受伤害的组织，如头皮和脑膜，并在其下的皮质中产生电流，引起受刺激区域内的神经元去极化并发放冲动。磁场随距离呈指数衰减，从而限制了刺激的深度和刺激的范围[4]。rTMS常用于持续地调节皮质活动，其引起皮质兴奋性变化的机制与长时程增强(Long-term Potentiation，LTP)和长时程抑制(Long-term Depression，LTD)有关。

1.2 TBS方案 Theta节律刺激(Theta Burst Stimulation，TBS)最初由Huang等[5]提出，是rTMS的一种特殊范式，最初用于运动皮质的干预。TBS模拟了清醒状态下行为正常的啮齿动物在探索新环境时海马锥体细胞的放电模式[6]。研究显示，在啮齿动物的运动皮质或海马区域给予以5Hz频率(theta节律)重复的3～5个100Hz的刺激脉冲，能够诱发出LTP效应[7]。另有研究报道，在啮齿动物和人类的运动或其他自发运动行为期间，皮质区域出现theta振荡[8]。有人认为theta振荡可以调节人类新皮层的高频gamma振荡[9]。TBS方案即模拟了theta节律与gamma节律的耦合。TBS与常规rTMS的主要区别在于：短时的刺激(40～190s)即能引起皮质兴奋性的改变，并且这种改变能持续到刺激结束后至少20～30min。TBS的特点是内部频率高、刺激强度低、持续时间短。TBS的基本参数为：3个50Hz的脉冲为一丛、每丛以5Hz的频率(theta节律)重复刺激，刺激强度一般为80%活动运动阈值(Active Motor Threshold,AMT)。常见的TBS范式有两种：①间歇性TBS(intermittent TBS, iTBS)：是以上述参数持续刺激2s，停8s，总时长191.84s，总脉冲数600个。iTBS可诱发LTP效应，提高皮质兴奋性；②持续性TBS(continuous TBS，cTBS)：是以上述参数连续刺激，总时长40.04s，总脉冲数600个。cTBS可诱发LTD效应，抑制皮质兴奋性。Huang等[5]的研究显示：iTBS增加皮质兴奋性的效应达到刺激结束后20min，cTBS降低皮质兴奋性的效应则可以达到60min。

1.3 TBS调节大脑皮质兴奋性的作用机制

1.3.1 TBS后效应的皮质起源 Lazzaro等[10]在颈部硬膜外隙植入电极，记录由TMS诱发的锥体束中的一系列下行冲动。植入电极记录到的第一个冲动称为直接波(D-波)，反映皮质脊髓轴突的直接激活；随后的冲动称为间接波(I-波)，反映在运动皮质的神经网络中产生的活动。Lazzaro等发现，cTBS明显降低了产生早期I-波的皮质环路的兴奋性，而晚期I-波和D-波较少受到影响。这表明cTBS对产生早期I-波的中间神经元与中枢神经系统之间的突触有重要影响。iTBS对早期I-波无影响，增加了晚期I-波的幅度，并持续增强皮质脊髓下行冲动。这表明iTBS主要作用于介导晚期I-波产生的神经元。另外，iTBS刺激M1下肢代表区后记录到的I-波不仅振幅升高，而且同步性明显增强。因此iTBS的作用可能是由于晚期I-波环路的突触传递增强和/或对皮质脊髓细胞爆发性输入的同步增加。

1.3.2 TBS对谷氨酸受体、γ氨基丁酸(GABA)受体的影响 Huang等[11-12]提出，TBS对神经系统环路的后效应与谷氨酸受体(Glu-R)、N-甲基-D-天冬氨酸受体(NMDA-R)、α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体(AMPA-R)的活性调节有关，与在LTP和LTD中观察到的变化类似。LTP和LTD产生的离子机制为：Glu与NMDA-R结合，mg2+门控离子通道打开，Ga2+内流。Ga2+的迅速大幅增加增强了与羧基的结合能力，而缓慢小幅增加则增强了与氨基的结合能力。如果Ga2+与羧基结合，则触发钙-钙调蛋白依赖性激酶的激活，继而使AMPA-R磷酸化，从而增加Na+的通透性，并增加突触后膜受体的数量，最终导致LTP。如果Ga2+与氨基结合，则触发磷酸酶途径的激活，从而去除APMA-R中的磷酸基团并降低Na+的通透性，减少突触后膜受体的数量，最终导致LTD[13]。Huang等[11]的研究显示，美金刚(NMDA-R拮抗剂)能够阻断cTBS与iTBS的后效应，而安慰剂组没有显示出明显的效果，证明iTBS和cTBS的后效应至少部分依赖于NMDA-R活性。还有一种假说认为TBS的靶标不仅在兴奋性网络，也在抑制性网络。有研究者认为，TBS的theta节律可能降低抑制性输入的作用，并通过促进更强的NMDA-R反应来促进LTP[14]。

1.3.3 TBS对基因表达和蛋白水平的影响 早有一些研究显示，rTMS发挥作用可能的神经生物学机制是调节某些基因的表达，如脑源性神经营养因子(BDNF)或c-fos[15-16]。BDNF是神经营养因子家族中分布最广泛的一种蛋白质，参与皮质神经元的突触可塑性、神经发生、运动神经元的存活、运动技能学习中的可塑性反应，以及某些神经精神疾病的发病机制。研究观察到rTMS干预后血清BNDF浓度升高，且这种升高出现于rTMS刺激结束后数分钟，并不是即刻出现，证明这种BDNF的升高是由rTMS诱导的蛋白表达引起的，而不是急性释放[17]。zif268和c-fos都与早期LTP(<1h)的诱导有关。一项研究分析了iTBS、1Hz与10HzrTMS作用于数个皮质区域对大鼠大脑中zif268和c-fos表达水平的影响[18]。结果显示1Hz与10HzrTMS能够增强运动皮质以及其他皮质区域的c-fos蛋白表达，但iTBS没有这种效应。iTBS刺激后几乎所有皮质区域中的zif268表达均升高，而10HzrTMS仅在M1和感觉皮层中有这种效应。Mix等[19]发现iTBS干预后，啮齿动物的两种钙结合蛋白表达均降低，表明钙结合蛋白的降低可能导致GABA能活性降低，因此促进了iTBS后的LTP样效应。

1.3.4 TBS对皮质兴奋性的调节 以单脉冲TMS诱发的MEP振幅为指标，作用于一侧半球M1的cTBS能够使对侧半球M1的MEP振幅升高，而iTBS则产生相反的作用[20]。结合目前普遍认为的半球间竞争抑制模型，cTBS降低了刺激侧半球的兴奋性，从而使刺激侧半球对非刺激测半球的抑制减弱，间接提高了非刺激测半球的兴奋性，iTBS的作用则正好相反[21]。有研究将TBS应用于包括Brodmann 5区(BA5)在内的高级体感区[22]，发现cTBS后MEP升高，提示BA5可能对同侧和对侧M1的兴奋性也有很强的调节作用。

2 TBS在脑卒中后运动功能康复中的应用

脑卒中发生后，神经网络活动处于紊乱状态，如何在这种情况下有效地利用突触可塑性以改善脑功能，是目前研究的热点。一些研究是基于简单的半球间失平衡概念，即患侧半球兴奋性降低与健侧半球兴奋性增加，同时健侧半球对患侧半球过度抑制。但脑损伤后的功能变化十分复杂，不能用一个简单概念来概括。替代模型是指未受损脑区代偿受损功能的现象，如受损半球的非初级运动皮质可以代偿受损皮质下行通路的功能控制。Di等[23]提出，高度受损患者的结构保留度较低，这时替代模型可以更好地解释损伤后恢复的机制；随着损伤程度的降低，结构保留度增加，这时虽然不能排除替代模型的效应，但半球间失平衡起到了重要作用。NIBS技术治疗脑卒中后运动障碍的机制应该综合考虑，得到更全面的解释。

2.1 iTBS的应用 已有较多研究显示，将iTBS应用于脑卒中患者的患侧大脑半球可以提高运动功能恢复。一项随机对照试验对慢性皮质下卒中患者的患侧运动皮层进行iTBS治疗，与假对照组相比，iTBS组的上肢功能在治疗后1个月得到明显改善[24]。Diekhoff等[25]的研究显示，iTBS应用于患侧M1显著增加了患侧M1的兴奋性，同时观察到了健侧半球M1兴奋性的下降。他们还指出iTBS的个体敏感性受到患侧半球运动网络连接的个体间差异的影响。Volz等[26]对26例发生缺血性脑卒中2周内的患者进行了连续5d的iTBS治疗，在对患侧M1施以iTBS治疗后立即进行45min以手部运功功能为重点的标准化康复治疗。结果显示， 与假对照组相比iTBS治疗后的握力恢复较基线明显提高，并且在卒中发生后3个月的随访中，iTBS组的握力明显高于对照组(85% vs. 63%)，同时iTBS组也表现出更好的运动网络连接。作者认为，iTBS作用于患侧M1可以有效地预防卒中后的脑网络退化。Di Lazzaro等[27]用MEP作为评估手段，证明iTBS作用于患侧半球M1手部代表区以及cTBS作用于健侧半球M1手部代表区，对脑卒中急性期患者的患侧运动皮层均表现出了促进作用。

2.2 cTBS的应用 Talelli等[28]研究了TBS对脑卒中后运动功能康复的影响，也是首次研究了cTBS对慢性卒中患者健侧半球的影响。结果证实了TBS的安全性，iTBS作用于患侧大脑可以短暂地改善患手的运动功能，但cTBS没有对患手运动功能表现出积极效果。作者推测可能是因为cTBS的刺激强度(80%AMT)低于影响经胼胝体通路的阈值。在另一项研究中，cTBS作用于健侧M1后，虽然患侧M1兴奋性下降，但行为学指标反而恶化[29]。一项对41例慢性卒中患者的进一步对照研究显示[30]，cTBS作用于健侧半球，在9HPT，Jebsen手功能测试等结果评估中与对照组没有明显差异。但也有研究显示，慢性卒中患者经过一次健侧cTBS治疗后，手运动的灵活性得到改善[31]。有研究者认为，在脑卒中运动障碍的康复治疗中不推荐在健侧半球应用cTBS作为治疗手段[32]。对cTBS应用于健侧半球治疗脑卒中后上肢运动障碍的研究，从以上这些高异质性的结果难以得出明确的结论。

3 TBS的局限性

与rTMS相比，TBS的优势主要在于刺激强度低、脉冲数少、治疗时间短[33]。但TBS也存在缺点。目前cTBS的作用存在争议，且研究数目不足，研究的异质性较大，尚不能得出一致的结论。关于最佳刺激参数，目前也没有共识，在一些研究中，研究者改变了TBS方案中的脉冲数、刺激强度、电流方向等参数。虽然已有大量研究报道了iTBS的兴奋性作用和对脑卒中后上肢运动恢复的促进作用，但仍有一些研究显示个体对iTBS的响应存在显著的差异。Virginia等[34]对28名健康受试者进行了3种兴奋性NIBS范式(阳极经颅直流电刺激(a-tDCS)、成对关联刺激(PAS25)、iTBS)的研究。结果显示，在干预后即刻、1天后、1周后，各组受试者的运动学习和皮质兴奋性均无一致的显著差异。作者分析这种结果出现的可能原因包括样本量过小、研究采用了离线设计、测量指标单一等。Virginia等[35]后来又对56名健康受试者进行了a-tDCS、PAS25、iTBS的研究。结果显示只有39%、45%和43%的受试者分别对PAS25、a-tDCS和iTBS做出了预期的响应。作者认为，对不同NIBS方案均存在高度的个体间差异，在该研究领域中，解决这种个体间差异是不可忽视的一个关键问题。目前已有一些研究者针对上述这种个体差异进行了研究。研究显示BDNF单核苷酸多态性(SNP)Val66Met基因型在情景记忆中有着重要作用。这种BDNF的基因多态性对个体的NIBS差异性响应有着重要的意义。Cheeran等[36]研究了BDNF Val66 SNP的影响。在Val/Val纯合子的个体(n=9)中，cTBS后MEP显著降低，iTBS后MEP显著升高，而在携带1～2个Met等位基因的个体中(n=9)则没有这种显著变化。Antal等[37]报道，iTBS只能在携带Val66Val等位基因的受试者中诱导出LTP样可塑性，而不能在携带Val66Met等位基因的受试者中诱导出LTP。但是Mastroeni等[38]研究Val66Met基因型对cTBS和iTBS个体响应的影响，却并未发现BDNF基因型的显著影响。

虽然TBS在个体间的响应存在相当大的差异，但在个体内的变化要小的多。Hinder等[39]对30名健康受试者进行cTBS的干预，结果显示个体间差异达到41.4%，而个体内差异为12.6%。许多因素可能导致个体内差异，如激素水平、每次试验在一天中的时间、研究开始前的大脑活动水平等。如Clow等[40]报道，皮质醇分泌的昼夜节律能够影响cTBS诱发的神经可塑性反应，在清晨皮质醇水平高峰时，对cTBS的响应高于一天中的其他时间。

4 小结

相比rTMS，TBS有着刺激时间短、刺激强度低、脉冲数少等独特的优势，是一种极具潜力的NIBS技术。但TBS的作用机制目前尚不完全明了，需要更多的研究发掘其潜在机制。目前已有的研究显示TBS的作用机制主要与兴奋性和抑制性神经递质、基因表达和蛋白水平等相关。研究结果支持iTBS能够促进脑卒中后上肢运动功能的恢复，并促进两大脑半球的功能重新平衡。而关于cTBS的作用目前仍存在争议，已有研究异质性较大，且研究数目不足，没有足够的证据支持cTBS对脑卒中后运动障碍的康复有效。综上，TBS对脑卒中后运动障碍康复的机制需要更多的研究来验证。与其他NIBS技术一样，TBS的作用存在较为明显的个体间差异，且原因尚不完全明了，需要更多的研究来探索。在今后的临床应用和研究中，应当关注样本量计算的意义和样本富集的显著效果，以尽可能减少个体间差异带来的不利影响，提高研究质量。