小脑与卒中后运动学习关系的研究进展

林丽珍，范杰诚，朱新蕊，贾凡，郭培武，王昱凯，张淑云

小脑是人体重要的躯体运动调节中枢之一，参与躯体平衡、肌张力的调节及随意运动的协调。运动学习是中枢神经系统调控下的一种行为上的适应性改变，由突触传递和细胞突触可塑性介导。大量研究表明，小脑和大脑的初级运动皮层是参与运动学习的重要结构[1]。脑损伤后进行功能康复锻炼能改善患者的功能障碍，其中一个重要机制就是细胞的可塑性。本文就小脑运动学习涉及的细胞机制及针对小脑的刺激技术在卒中后运动功能恢复中的应用进行综述。

1 小脑参与运动学习的神经细胞机制

小脑回路和细胞间的突触可塑性决定了小脑在运动学习中发挥着重要作用[2]。运动学习过程涉及小脑多种神经元的活动，目前研究较多的是浦肯野细胞和颗粒细胞。长时程抑制（long-term depression，LTD）和长时程增强（long-term potentiation，LTP）是中枢神经系统突触可塑性的两种不同表达方式，是学习和记忆的生物学基础，浦肯野细胞和颗粒细胞均可通过LTD和LTP两种方式来调节信号传递，参与卒中后运动学习[2]。

1.1 浦肯野细胞 浦肯野细胞是小脑运动学习神经细胞机制中研究最多，也是唯一从小脑皮层发送输出信号的神经元。浦肯野细胞通过两条通路来接收信号输入，一条通路涉及平行纤维的输入，传达与感觉或运动命令有关的信号；另一条通路是攀缘纤维的输入[2]。

小脑平行纤维到浦肯野细胞突触的LTP和LTD是小脑参与运动学习的重要机制。Galliano等[3]在探讨平行纤维到浦肯野细胞突触后几乎没有N-甲基-D-天冬氨酸受体（N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR）的原因时，发现过度表达NMDAR转基因小鼠的平行纤维到浦肯野细胞突触的LTP更易受阻，而LTD不受影响。该研究结果提示，生理情况下，平行纤维到浦肯野细胞的突触因缺少NMDAR，导致LTP在运动学习中发挥更大作用。平行纤维到浦肯野细胞突触的LTD是一个正反馈回路，Yamamoto等[4]通过膜片钳电极将Raf激酶抑制蛋白导入小鼠小脑浦肯野细胞，发现在LTD正反馈回路中，Raf激酶抑制蛋白的作用必不可少。小脑内的平行纤维通路可以通过LTD和LTP两种方式来调节运动学习，以更合理地满足人体所需。

平行纤维-浦肯野细胞突触的LTD需要平行纤维和攀缘纤维共同激活，在平行纤维和攀缘纤维共同刺激的浦肯野细胞中发现有平行纤维输入的树突状钙信号[5]。Yang等[6]的研究表明，攀缘纤维的信号输入是一个“全或无”的过程，攀缘纤维电控脉冲的长时间爆发导致浦肯野细胞复杂峰电位的持续时间更长，导致更多的Ca2+进入浦肯野细胞，产生更强的LTD。动物研究表明，小脑浦肯野细胞内峰电位的同步性起源于下橄榄核[7]。发育阶段，在大而粗的攀缘纤维中能够观察到LTP和LTD，但小而细的攀缘纤维仅观察到LTD[8]。小脑内的攀缘纤维通路能够通过LTD和LTP两种方式来调节突触可塑性，其中LTD可能是主要的调节方式。

1.2 颗粒细胞 颗粒细胞是大脑中最小的神经元，平均只有4个短树突，每个树突均接受单个刺激性苔藓纤维输入，部分树突也接受来自高尔基细胞末端的抑制性输入[9]。

苔藓纤维-颗粒细胞途径是小脑运动学习的重要方式，其突触传递效应有LTP和LTD。苔藓纤维-颗粒细胞处的LTP是突触前的，有赖于突触后NMDAR和代谢型谷氨酸受体的激活，并可被突触后LTD逆转[10-11]。另外，苔藓纤维刺激的θ脉冲不仅能诱导突触前LTP，还能增强颗粒细胞固有的兴奋性[12]。Wada等[13]通过视动反应适应性实验表明，光动力学信号通过苔藓纤维-颗粒细胞途径传输到浦肯野细胞，这种传递对于短期或长期视动反应表达是必不可少的。苔藓纤维通路也通过LTP和LTD两种方式调节小脑的运动学习，但其调节作用弱于平行纤维通路。

高尔基细胞与颗粒细胞的前馈和反馈抑制作用虽相对较弱，但有间接证据表明，该突触的可塑性与小脑运动学习相关。高尔基细胞的前馈抑制和反馈抑制组合能使颗粒细胞神经冲动的初次发射延迟，在特定的短时间内增加发射速率，引起延迟的发射速率变化并产生延长的发射时间[9]。Strata[14]在研究中将高尔基细胞的抑制作用从细胞电活动方面进行了探索，发现通过控制颗粒细胞去极化可调节神经冲动爆发过程中的NMDAR通道和Ca2+流入，推测高尔基细胞和颗粒细胞突触的可塑性可能有助于小脑运动学习。

2 小脑刺激技术对卒中后运动功能的影响

卒后中，神经元及突触受损，正常的神经回路中断，受损的脑部功能区由于指令编码错误无法产生并传递正确信息，从而出现运动功能和认知功能障碍。小脑在促进运动再学习任务中起着重要作用，小脑内多个神经元间的突触可塑性及皮质间的紧密连接使小脑成为卒中后功能恢复的重要结构。

对小脑施加不同刺激是促进卒中后功能恢复的重要手段，常见的针对小脑的非侵入性刺激技术有重复经颅磁刺激（repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS）、经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）和低强度聚焦超声（low-intensity focused ultrasound，LIFU）；侵入性脑刺激技术目前有深部脑刺激（deep brain stimulation，DBS）。

2.1 重复经颅磁刺激 rTMS采用电磁感应原理，通过对小脑重复施加磁脉冲刺激，调节神经元活动并直接影响中枢神经系统的功能。1 Hz的rTMS重复刺激双侧小脑半球能够明显降低左侧运动皮层的小脑-大脑抑制；而以θ爆发式刺激刺激右侧小脑，左侧运动皮层的小脑-大脑抑制没有变化[15]。低频rTMS作用于小脑会降低小脑-大脑抑制，高频rTMS作用于小脑时小脑-大脑抑制不显著。

Koch等[16]对34例卒中患者的小脑施加间歇性rTMS（θ爆发式刺激），治疗3周后，患者的Berg平衡量表（43.4分vs.34.5分），Fugle-Meyer评分（171.1分vs.163.8分），Barthel指数（88.8分vs.71.1分）均较基线水平显著提高，步宽（14.3 cmvs.16.8 cm）则较基线水平显著下降。这可能是rTMS的θ爆发式刺激方式能激活小脑中特定的依赖于氨基丁酸活性的中间神经元；另外，间歇性低频θ爆发式刺激诱发的LTP增强小脑-丘脑-皮层间的相互作用，从而促进卒中患者的空间运动学习[17]。段强等[18]将1 Hz的rTMS作用于后循环缺血性卒中患者的健侧小脑，每日1次，连续治疗4周后，接受rTMS刺激的患者Fugl-Meyer运动量表、威斯康星步态量表评分均有显著提高，大脑皮层运动诱发电位波幅增高，证明针对小脑的低频rTMS能改善后循环缺血性卒中患者的下肢功能。有研究者将10 Hz的rTMS作用于卒中患者的健侧小脑咽部运动区（枕骨粗隆下方2.5 cm和外侧4.3 cm），每日1次，每次30 min，治疗3周后，患者吞咽障碍严重程度量表和渗漏-误吸量表评分明显低于治疗前[19]。还有研究者发现，用1 Hz的rTMS持续作用于小脑旁正中段5 min后，卒中患者双手参与钉板任务的时间变长[20]。

综上所述，目前的研究提示，针对小脑的低频rTMS能够促进卒中患者平衡、步态和吞咽功能的恢复。rTMS也是目前针对小脑进行治疗以改善卒中后运动功能障碍方面应用较多的技术。

2.2 经颅直流电刺激 tDCS可通过向小脑输送微弱的、连续的直流电刺激来改变神经元的可塑性，调节皮层间的兴奋性[21]。阳极tDCS可使小脑-大脑抑制升高，阴极tDCS可使小脑-大脑抑制下降，同时，小脑-大脑抑制的阴极效应依赖于刺激强度[22]。tDCS可能通过改变浦肯野细胞的活性，以局灶性和极性特异性的方式调节小脑的兴奋性[23]。动物实验表明，采用tDCS重复刺激苔藓纤维-颗粒细胞耦合，会在浦肯野细胞上产生兴奋性突触后电位的LTD，而只重复刺激颗粒细胞，浦肯野细胞上则会产生LTP[24-25]。

tDCS作用于小脑具有多方面的作用。Kumari等[26]在卒中慢性期患者跑步机训练期间连续3 d给予小脑阳极tDCS，1周后随访评估，发现患者的步长对称性及步行速度均有所改善。这可能是因为小脑阳极tDCS提高了神经元的兴奋性，对错误的不一致步长表现出较强的反应能力，并纠正错误的运动[27]。Yamaguchi等[28]在患者注意力集中到拇短展肌的同时对小脑施加阳极tDCS，刺激60 min后，患者的运动诱发电位和拇短展肌活动均显著增加，且在7 d后仍可观察到拇短展肌微小的运动，由此，作者认为阳极tDCS和注意力训练结合可能是改善卒中患者手指运动的有效途径。近期的一项研究表明，阳极tDCS施加于小脑能够增强年轻卒中患者学习手指夹物和有节奏地敲击的能力[29-30]。

目前，将tDCS应用于小脑来促进卒中患者运动功能恢复的研究还相对较少，但现有的研究结论支持针对小脑的阳极tDCS可以促进卒中后患者步行和精细运动能力的改善。

2.3 低强度聚焦超声 LIFU是通过聚焦超声波束，将足量的声能通过颅骨并准确传递到感兴趣脑区的技术。Baek等[31]采用频率为1 kHz，声波持续时间300 ms，刺激间隔5 s，平均脉冲强度为2.56 w/cm2的LIFU方案，反复刺激卒中模型小鼠的小脑外侧核（contralesional lateral cerebellar nucleus，cLCN）3 d，结果发现小鼠的平衡功能有显著改善。Baek等[32]在另一项研究中同样采用上述LIFU方案刺激卒中小鼠的cLCN，并对小鼠进行4周的行走和平衡训练，结果显示，LIFU刺激的卒中模型小鼠的行走速度和平衡功能显著高于基线水平和对照组。这可能是由于LIFU刺激了cLCN，随后电信号通过小脑-丘脑上行通路兴奋丘脑和大脑皮层的运动神经元，从而改善了小鼠卒中后的运动能力[33]。

目前，针对小脑的LIFU对卒中后的改善作用尚处于动物试验阶段，有数据提示1 kHz的LIFU可能有助于卒中后平衡和步行的恢复，但基础研究的结果距离转化到临床应用还需要更多的探索。

2.4 深部脑刺激 DBS是一种神经介入技术，是将电极或起搏器植入脑内，从而将电脉冲传送到脑内的特定区域。Machado等[34]将双极电极植入卒中模型大鼠的小脑外侧核中，分别用10 Hz、20 Hz、50 Hz的强度刺激cLCN，持续刺激6周后发现，20 Hz的刺激可以持久地诱发动作电位，改善卒中模型大鼠的运动功能。Shah等[35]将光电极植入卒中模型小鼠cLCN中，每天给予一次10 Hz的刺激，一次持续3 min，持续7 d后的结果显示，接受cLCN刺激的小鼠比未接受刺激的小鼠行走速度和距离都有明显的改善；治疗14 d后，接受刺激的小鼠步行速度恢复到卒中前的80%。Wathen等[36]在卒中患者的齿状核植入电极，发现20 Hz的刺激能够明显改善患者上肢的运动功能。研究者认为，小脑深核与基底神经节间有很强的双向连接，对小脑深核的刺激会通过丘脑核的传入神经直接影响纹状体活动，以此来调节运动[37]。

目前，动物实验提示低频的DBS施加于小脑可能有助于改善卒中后的步行能力，但其在人体中应用的研究极少，其有效性和安全性尚未得到证实。

综上所述，针对小脑的刺激技术中，rTMS和tDCS是目前应用较多的技术，针对小脑的低频rTMS在促进卒中患者平衡、步态和吞咽功能方面有积极疗效，阳极tDCS作用于小脑有利于促进卒中患者步行和精细运动的恢复。动物研究提示，LIFU和DBS对卒中模型动物的行走和平衡能力有较好的改善作用。此外，尚无在小脑施加经颅交流电刺激后观察卒中患者运动功能的研究，但基础研究提示经颅交流电刺激在改善肌张力方面可能有积极的作用。

长期以来，人们对神经细胞机制的深入研究为小脑参与运动学习提供了有力证据。浦肯野细胞和颗粒细胞是小脑参与运动学习的主要细胞。细胞间突触的可塑性是运动学习的基础，也是卒中后患者功能恢复的基础。康复治疗涉及的相关生活技能的核心是学习各种操作以达到自由执行任务的目的，最终回归家庭和社会。目前，对小脑施加非侵入性脑刺激来促进卒中后运动功能恢复是临床应用较多的技术，侵入性脑刺激技术现处于动物实验阶段。期望未来的研究可以探索在保障安全的情况下实施人体侵入性脑刺激技术，为卒中患者寻求功能恢复提供新的治疗方法。