经颅直流电刺激作用机制的研究进展

王 杨，程佳月，王 振

上海交通大学医学院附属精神卫生中心，上海 200030

经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）是一种非侵入性神经调控技术。这种技术通过至少2 个电极将微弱的直流电传递到大脑皮层表面，达到神经调控的目的。与其他神经调控方法相比，tDCS 成本可控，具有一定的便携性、安全性和易用性，因此具有相当大的潜力。其常见的不良反应如瘙痒、烧灼感或头痛，通常较轻微，且不会造成长期影响［1］。近年来，tDCS 被广泛用作调节认知功能、改善精神疾病以及神经障碍症状的工具［2］。这一方面的研究数量也呈指数级增长［3］。尽管目前已有部分研究聚焦于体内外神经生理学影响，但对tDCS 作用机制的理解仍显不足。因此，本文旨在回顾现有文献中对tDCS 作用机制的相关研究，以综述tDCS 的神经生理学作用，讨论未来研究的方向，并探讨其作为科研和临床工具的价值。

1 即时效应——膜电位的变化

即时效应指在刺激过程中同时或立刻发生的潜在效应，通过神经元放电模式或局部膜电位的变化来衡量。在tDCS 刺激期间，从阳极到阴极电极的电流会在整个皮层产生弱电场（EF＜1 V/m），阳极刺激通常会增强局部神经元的兴奋性，阴极刺激则常产生相反的结果［4-5］。

即时效应似乎主要取决于膜电位的变化。药理学研究表明，阻断膜电位发生变化的关键离子通道，如钙、钠离子通道，阳极tDCS 即时效应会消除或减少［6］。而一些与其他神经递质相关的试剂如N- 甲 基- 天 门 冬 氨 酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA） 受 体 拮 抗 剂［6］和γ - 氨 基 丁 酸（γ -aminobutyric acid，GABA）A 受体激动剂［7］并不会影响tDCS 的即时效应，这表明其他的神经递质似乎没有参与到tDCS 的即时效应中。这也在一项经颅磁刺激-脑电图（transcranial magnetic stimulation with simultaneous electroencephalography， TMSEEG）实验中得到印证。TMS-EEG 技术是一种多模态成像技术，其结合经颅磁刺激和脑电图，提供了一种直接、无创探索皮层反应的方法，具有优异的时间解析度［8］。皮质内易化和短间隔皮质抑制是TMS-EEG 中常见的测量指标，分别反映了谷氨酸能和GABA 能中间神经元的兴奋性。而这2 个指标在tDCS 短时刺激后立即测量没有变化，表明tDCS 即时效应并不依赖于这些中间神经元的调控［9］。

tDCS 能够通过改变神经元膜的极性来改变其动作电位的阈值［10］。tDCS 产生的电场通常被认为是阈下刺激，这意味着tDCS本身不会引起神经元去极化。突触耦合（ephaptic coupling）指细胞间离子交换或由于局部电场引起的神经纤维的耦合，是神经系统内的一种交流形式。在一项大鼠体外实验中发现，突触耦合过程中，tDCS 不会直接诱发动作电位，但极有可能通过细胞外电场（如局部场电位），影响接受阈上刺激的单个神经元的达峰时间［11］。在临床研究中，这反映了阳极刺激期间神经元的去极化和阴极刺激期间的超极化过程［12］。此外，tDCS 对于单个细胞诱导的即时效应常取决于神经元形态、刺激强度、神经元相对于诱导电场的方向以及自发/诱发活动的性质等因素［13］。靠近阴极的细胞成分（例如神经突、细胞核等）更容易发生去极化，而靠近阳极的细胞成分更容易发生超极化［14］。

由此可见，tDCS 产生的即时效应主要体现在神经元膜电位的变化。tDCS 不会诱发动作电位，但能够通过细胞外电场对神经元细胞动作电位的阈值以及接受阈上刺激的神经元达峰时间产生影响。

2 后遗效应——神经递质与突触可塑性的变化

tDCS 刺激后产生的长期持续的变化称为后遗效应。这类效应体现在多个方面，如Ca2+的动态变化、神经递质的释放、突触可塑性的变化等。

tDCS 可引起Ca2+浓度的动态变化。趋电性是生物体在直流电的作用下向阳极或阴极游动的特征。在大多数研究中，细胞趋电性被认为依赖于Ca2+浓度的变化［15］。在tDCS刺激中，面向阳极的细胞成分更容易超极化［14］，这种超极化可增加电势，被动驱动阳离子进入细胞。由于Ca2+跨膜电化学梯度的浓度为10 000∶1，在没有或少有电压门控离子通道的细胞中，Ca2+通过被动涌入的方式，通过细胞面向阳极的部分并向阴极方向流动。若细胞存在较多电压门控离子通道，Ca2+则在阴极侧通过膜去极化的方式主动进入，并向阳极方向移动，这与被动涌入的方向相反［16］。Ca2+浓度变化一定程度上可影响细胞迁移和神经突生长的方向和速度，在神经递质的释放中也扮演着重要的角色［17］。

tDCS 可调控神经递质的释放。中缝背核（dorsal raphe nucleus，DRN）神经元释放的5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）广泛作用于皮质、皮质下和脑干区域。有研究表明，在啮齿类动物中，阳极和阴极tDCS 均能立即降低DRN 处5-HT 神经元活性，即使在刺激停止后，这种抑制作用仍持续存在［18］。tDCS 同样能对GABA 产生调节作用。多项针对年轻健康人群的磁共振波谱研究［19-20］发现，与伪刺激相比，阳极刺激和阴极刺激都能使GABA 浓度下降。但2 项针对老年人群的研究报道了不同的结果。第一项研究［21］纳入了48名健康老年被试，发现与伪刺激相比，阳极刺激后GABA 水平显著降低；第二项研究纳入了32 名有轻度认知功能受损的老年被试，发现阳极tDCS 刺激增加了GABA 水平，这说明tDCS 的作用效果可能随着年龄不同产生变化［22］。tDCS 还可调控谷氨酸水平。一项动物实验［23］发现，使用阳极和阴极刺激视觉皮层，均可降低受刺激皮层区域的谷氨酸浓度。而一项针对人的研究结果显示，阳极和阴极tDCS 均显著提高谷氨酸的相对浓度［24］；另一项研究则认为tDCS 降低了谷氨酸与GABA 的比值［22］。目前尚缺乏研究阐明tDCS引起神经递质释放变化的具体机制。除Ca2+外，一些较早期的生理学研究发现，外加电场可导致许多类型细胞的膜受体沿着特定方向移动和积累， 如乙酰胆碱受体（acetylcholine receptor，AChR）、原肌球蛋白激酶受体（tropomyosin-receptor-kinase，Trk）等，这将间接地影响神经递质的水平［15］。

tDCS 可调节突触可塑性。突触可塑性是大脑通过神经间连接的短期和长期改变来应对外界刺激的持续性重塑作用，是中枢神经系统的主要适应特性之一。它可发生在从超微结构到脑网络的不同水平，并伴随着Ca2+动力学、神经递质释放、蛋白质表达和基因活性的短暂或持久的变化［25］。突触可塑性的变化往往通过突触活动的长时程增强（long-term potentiation， LTP） 和 长 时 程 抑 制 （long-term depression，LTD）来体现［26］。使用高频突触前刺激方案的实验［27］表明，tDCS 诱导LTP 时具有极性特异性，阳极刺激增加LTP 的幅度，阴极刺激减少LTP 的幅度。该结果提示仅凭tDCS 不能改变突触强度（即诱导LTP），只能改变突触发生LTP 的倾向性。然而，在一项纳入38 名健康被试接受tDCS 治疗的实验中首次发现tDCS 可以直接诱导人类大脑皮层的LTP，诱导效应一直持续到刺激后50 min［28］。脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）主要通过BDNF/TrkB 及TrkB/Fyn 信号通路，参与tDCS 调节突触可塑性的过程。FRITSCH 等［29］在 小 鼠 研 究 中 证 明 直 流 电 刺 激（direct current stimulation，DCS）诱导的长时程增强效应（DCS-LTP）具有极性特异性、NMDA 受体依赖性，且DCS 和低频突触激活作用结合可增加BDNF 分泌，激活TrkB。与此同时，在Bdnf和TrkB突变小鼠中不能诱导DCS-LTP，表明BDNF 是这种现象的关键介质。YU 等［30］的研究发现，接受阳极tDCS 刺激的大鼠海马切片中CA1 区域LTP 增强，并且这种增强效应可被TrkB 抑制剂ANA-12 消除，表明阳极tDCS 通过激活BDNF/TrkB 信号通路增强LTP。不仅如此，BDNF 诱导的NMDA 受体活性的磷酸化可通过TrkB/Fyn 信号通路进一步增强tDCS对LTP 的影响［31］。KRONBERG 等［32］研究了DCS在大鼠海马切片CA1 区域诱导LTP 期间的影响；其使用生物物理计算模型，验证了Hebbian 可塑性学说［33］的2 个关键特性：通路特异性，即只有与突触后神经元协同作用的通路才会得到增强；通路联合性，指LTP 本质上由2 种具有一定时间关系的刺激协同作用产生，这表明tDCS 可以增强联想学习。

突触再可塑性（metaplasticity）指一种更高级的可塑性形式，亦可称为“突触可塑性的可塑性”，即突触或细胞既往的活动情况会影响突触可塑性的方向和程度。而突触可塑性相应的变化将影响细胞随后的活动［34-35］。突触再可塑性可作为一种类似“刹车”的机制，避免突触过度强化或减弱。LTP 在突触再可塑性中同样扮演着重要的角色，其诱导受突触既往活动影响，并能在随后对突触可塑性起到活性依赖的调控作用，这对于保持突触强度在学习过程的最佳动态范围至关重要［36］。目前，有关tDCS对突触再可塑性直接调节的研究比较有限。一项研究表明，连续使用阴极tDCS 可以提高工作记忆［37］。有研究［38］提出，在进行非侵入性脑刺激前应用tDCS，即利用tDCS 的启动作用（priming）诱发突触再可塑性。这在运动皮层及视觉皮层方面已有一定研究基础。COSENTINO 等［39］的研究发现，在重复经颅磁刺激 （repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS）干预前15 min 应用tDCS 进行预处理，初级运动皮层上的tDCS 能够在rTMS 所诱导的运动诱发电位的促进中引发极性依赖后遗效应；BOCCI 等［40］在视觉皮层中得到了令人信服的突触再可塑性相互作用的证据，即使用tDCS 预处理初级视区的兴奋性，可以调节后续应用1 Hz 或5 Hz 的rTMS 诱导的可塑性方向和强度。这些数据表明，在人类视觉皮层中存在使突触强度保持在功能动态范围内的突触再可塑性机制。而YU 等［30］验证了体内阳极tDCS 对大鼠海马切片CA1 区域的LTP 产生增强的后遗效应，首次表明tDCS 可能通过突触再可塑性对LTP 发挥作用。

tDCS的后遗效应可影响Ca2+浓度的变化，调控多种神经递质的释放和分布，直接或间接地改变突触可塑性，并在突触再可塑性的调控中扮演重要的角色。在人体研究中，仅有非常有限的脑区可以通过rTMS诱导的动作电位的幅度直接观测LTP。由于缺乏可行的诱导和分析LTP的实验方法，研究受到限制。因此，针对突触可塑性及突触再可塑性的研究往往是细胞分子层面的，且均关注刺激局部的作用效果。

3 神经网络及连通性变化

tDCS不仅影响电极下的皮层区域，还影响其他皮层和皮层下结构，引起相互连接的神经网络发生功能性的变化，如刺激初级运动皮层可抑制对侧皮层运动区［41］。目前大多数研究着眼于脑影像以及电生理技术，通过功能磁共振（functional magnetic resonance imaging，fMRI）和脑电图（electroencephalography，EEG） 以及脑磁图（magnetoencephalogram，MEG）进行监测。与电极下方区域相比，tDCS 对与刺激区域存在功能连接的远距离区域的影响可以是相同［42］或相反的［43］。EEG 研究发现，刺激额叶区域常常能引起全脑同步变化的神经振荡活动［44］。在MEG 研究中，一项纳入24 名健康被试的研究发现，右侧阳极的背外侧前额叶皮质（dorsolateral prefrontal cortex， DLPFC）刺激可增强受试者在认知任务中的表现，且与伪刺激相比，左侧顶额叶连接性在右侧和左侧DLPFC 刺激后均下降［45］。该团队另一项研究同样着眼于双侧DLPFC，得到了相似的结论，即右侧DLPFC 刺激后做认知任务的反应更快，准确性更高。相对于右侧DLPFC 刺激和伪刺激，左侧DLPFC 刺激与枕叶皮质内自发性θ 频段增加和γ 频段减少相关，而DLPFC 和视觉皮质之间的连接性通常在刺激对侧增加［46］。另一项聚焦注意力的研究发现［47］，左侧DLPFC 上的tDCS 刺激与右侧DLPFC 相比，在θ 波段内差异性地调节了右侧额叶视觉功能连接，并调控了在一系列干扰物中检测目标的神经振荡响应。而在fMRI 研究中，已证明tDCS 刺激功能网络的某个节点可以影响到整个网络的结构［48］。一项使用磁共振兼容tDCS 设备结合刺激过程的磁共振数据的研究发现，在每个电极附近，电场最强的大脑网络中，真刺激组目标网络和远程节点之间的连通性下降，这将导致部分远端的区域产生“去抑制”的作用［49］。利用阳极tDCS 刺激睡眠剥夺24 h的健康志愿者右侧DLPFC，丘脑与颞叶和左尾状核的功能连接比使用伪刺激时更高［50］。由此可见，DLPFC 是tDCS 研究常见的刺激区域。默认模式网络（default mode network， DMN） 在tDCS 相 关fMRI 研究中常被提及［51］。一项研究表明，与伪刺激相比，DMN、左右额顶叶网络的区域大脑连通性发生显著变化。这提示前额叶tDCS 通过诱导靠近阳极和阴极刺激部位以及远距离区域的功能连接的变化，调节大范围静息态功能连接［52］。另一项tDCSfMRI 研究［53］对刺激后功能连接进行分析，结果显示负相关网络（anticorrelated network，AN）的同步性增加，DMN 的同步性减少，这可能揭示了tDCS诱导认知功能改善的机制，即DMN 的减少可能促进大脑资源的重新分配。近红外技术也被首次运用于tDCS 作用机制的探究［54］。该实验提出了根据实时的大脑状态反馈来控制刺激持续时间，以达到闭环刺激的假说，并在一定程度上验证了闭环刺激的可行性。

因此，tDCS 除影响电极下皮层区域，还可使远距离皮层和皮层下结构相关神经网络发生功能性变化，这可能与其诱导认知功能改善有关。

4 局限性与前景

近年来，tDCS 技术在探索人类大脑生理学、认知功能和作为治疗措施的适用性等方面的研究数量显著增长。在许多精神疾病与神经系统疾病领域，tDCS 被认为是一种有潜力的治疗干预措施。然而，作为一项相对前沿的神经调控技术，tDCS 仍存在较多局限性。

针对tDCS作用机制的研究仍然不够透彻。目前，细胞分子层面与神经影像学相结合的研究仍然比较少，缺乏足够的外加电场与网络振荡的相互作用在体内和体外研究相比较的证据。与啮齿类动物和体外模型相比，外部电场作用于大型动物（包括人类）的皮质表面时，将产生更多变量和不可预测的影响，这加大了研究的难度。除此以外，人体低电阻组织产生的分流效应使得最终只有很小一部分电流到达皮层表面，降低了实验的精度［55］。在神经影像学方面，目前大部分研究使用的设备都与磁共振采集不兼容；而在电生理层面，电刺激本身会干扰EEG 的采集，因此大部分研究采集的数据都不是即时的［56］。在临床应用方面，tDCS 的作用效果严重依赖于刺激参数，目前的刺激参数多样，但未形成广泛共识。刺激效应在多数情况下持续时间相对较短，且个体差异较大，少有文献报道个体在重复刺激时的可预测性和信度［57］。在多种疾病的研究中，目前大部分研究是小样本开放性研究，缺乏大样本的随机对照实验。

作为一项正在快速发展的技术，tDCS 未来有望使用精确的电场建模技术向目标区域输送定量电流，减少个体差异和分流带来的影响；同时刺激和记录大脑活动，定量测量tDCS 诱发的影响；通过闭环刺激包括大脑深部结构在内的大脑区域，锁定特定节律，达到治疗效果，并辅助神经精神疾病的机制研究。因此，这项神经调控方式具有光明的发展前景。

利益冲突声明/Conflict of Interests

所有作者声明不存在利益冲突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者贡献/Authors'Contributions

王杨负责检索文献、撰写稿件；王振负责指导稿件的撰写和修改；程佳月参与了稿件的修改。所有作者均阅读并同意了最终稿件的提交。

WANG Yang searched literature and wrote the draft with the guidance provided by WANG Zhen. The manuscript was revised by CHENG Jiayue and WANG Zhen. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.

·Received：2021-12-06

·Accepted：2022-06-23

·Published online：2022-07-25