不同頻率經顱磁刺激對正常和腦缺血大鼠海馬記憶能力的影響

欒玉民,胡中

不同頻率經顱磁刺激對正常和腦缺血大鼠海馬記憶能力的影響

欒玉民,胡中

與近期記憶功能有關的神經結構就是海馬環路。大量的研究發現,不同頻率的經顱磁刺激對正常和腦缺血大鼠記憶功能的影響是不同,表現為損壞正常大鼠的記憶能力,而改善腦缺血大鼠的記憶能力。

經顱磁刺激;頻率;海馬;腦缺血;綜述

經顱磁刺激技術(TMS)誕生于上世紀80年代,是一種非侵入性的生物刺激技術。TMS能影響神經系統功能。與傳統的電刺激技術相比,TM S有許多優勢。這使得TMS成為神經功能研究領域一個非常重要的工具。隨著TMS技術的發展,其在臨床醫學中的治療作用和不良反應越來越受到重視。

1 概述

1996年在馬里蘭舉行有關rTMS的國際研討會上,國際經顱磁刺激學會統一了rTMS安全使用的指導方針和命名方法,用有規律的重復 TMS(rTMS)代替“快速 TMS”和“快速率TMS”,“快”或者“高頻率”的 rTMS通常表示刺激的速率＞1 Hz,“慢”或者“低頻率”rTMS表示刺激的速率＜1 Hz,但在不同研究中有不同定義。低頻刺激(0.5～5 Hz)的研究較多,較高頻率(＞25 Hz)較高強度的刺激對某些疾病的療效更好,但患者頭部不適,誘發癲癇的危險性也增加[1]。低頻rTMS(＜1 Hz)減少神經細胞興奮性,抑制皮質活動;而高頻刺激(5～25 Hz)增加細胞興奮性,增強皮質活動[2]。

TMS作為新的神經電生理技術,可與肌電圖誘發電位儀結合評價運動皮質興奮性和皮質可塑性;關閉特定皮質區的活動,實現大腦局部功能的“虛擬性損毀”;改變大腦局部皮質興奮性、皮質代謝及腦血流;TMS還影響腦內多種神經遞質的調節和氨基酸的代謝[2]。

2 TMS對正常大鼠的影響

2.1 Ca2+相關效應

2.1.1 神經突觸的變化 脈沖磁場引起神經突觸的變化可能是影響大鼠記憶能力的主要作用機制之一。20 Hz調制脈沖磁場刺激后1 h,大鼠記憶保持能力降低(P＜0.05),刺激后24 h,磁場的影響基本消失;10 Hz調制脈沖磁場刺激后1 h和24 h大鼠記憶保持能力有所增強,但實驗組與對照組相比無顯著性差異。電鏡觀察結果顯示,降低大鼠記憶能力的調制脈沖磁場

(20 Hz)同時引起神經細胞內鈣顆粒增加、突觸小泡數量增加、突觸后致密物質增厚、樹突及星形膠質細胞內水分增加[3]。

2.1.2 神經元凋亡 離體研究中,對實驗組神經元施加脈沖磁場(頻率15 Hz,平均場強 0.1 mT)輻射,檢測神經元的形態學變化、相對存活率和胞漿內游離Ca2+濃度的變化;在體研究中,對實驗組大鼠施加與離體研究相同頻率和強度的脈沖磁場輻射,檢測腦組織形態學的變化,發現脈沖磁場輻射可導致培養的皮質神經元代謝異常、胞漿內游離Ca2+濃度升高及成年大鼠皮質神經元凋亡[4]。

2.1.3 神經遞質的變化 Ca2+是偶聯細胞膜去極化與神經遞質釋放或激活酶促反應的第二信使,Ca2+可激活與神經遞質合成有關的酪氨酸羥化酶和色氨酸羥化酶,影響乙酰膽堿(Ach)、5-羥色胺(5-HT)、去甲腎上腺素(NE)等神經遞質的生物合成,并促使神經元的突觸小泡釋放神經遞質。記憶能力下降的動物腦中NE、5-HT明顯增高,ACh降低。在一項隨機試驗中[5],實驗1組刺激6 min,調制頻率在10～16.8 Hz之間周期性變化,重復周期2 min;實驗2組先采用10 Hz誘導,即α節律波誘導,使大腦處于平靜、放松狀態,然后采用25 Hz誘導,即β節律波誘導,使大腦在平靜狀態下的神經元迅速活躍起來,從而起到興奮大腦皮層活動的作用,總共刺激21 min;實驗3組作用時間為11 min,整體上是先用β節律波誘導,然后α節律波誘導,即先興奮再平靜的過程;實驗4組接受無高頻載波脈沖的低頻脈沖磁場刺激,磁場頻率變化規律同實驗2組。結果顯示,4種脈沖磁場刺激均能導致大鼠海馬NE、多巴胺(DA)及5-HT含量增加,ACh含量減少,降低大鼠的記憶能力。其中實驗2、3、4組與對照組對比有顯著性差異(P＜0.05);實驗1組影響不顯著可能與作用時間短有關。

2.2 鈉離子 脈沖磁場(15 Hz,0.1 mT)作用于正常大鼠和離體培養胎鼠皮質神經元,發現神經細胞線粒體嵴消失,內質網、高爾基復合體腫脹,細胞死亡,可能與Na+內流形成膜內離子濃度升高有關[6]。20 Hz脈沖磁場作用使Na+內流增加,大量水分子進入細胞內,造成神經元樹突及神經膠質細胞內水分增加[7]。

2.3 鉀離子 內向整流性鉀離子通道(inwardly rectifying K+channel,Kir)在腦水腫的發生中有重要的作用[8]。但有關脈沖磁場對鉀離子通道的影響未見報道。

2.4 細胞膜系統 實驗中發現,在脈沖磁場作用下,神經元細胞核有明顯改變,除凋亡細胞核之外,尚存在一些構型的改變。電鏡觀察到主要是核膜的變化以及核內出現的膜性包涵體。推測脈沖磁場(15 Hz,0.1 mT)不僅對細胞膜而且對整個細胞的膜系統均產生直接影響,以至使基因轉錄、DNA合成與修復等一系列生理過程受到影響[9]。

3 TMS對腦缺血大鼠的影響

近年來有報道,TMS可以改善腦卒中患者的治療結局[10]。

3.1 突觸

3.1.1 突觸前突觸素(Synap tophysin,Syn) Syn正日益成為研究突觸可塑性最常用的指標之一。已經證實,無論是rTMS(0.5 Hz,磁場強度為最大輸出強度的70%)還是電針(electroacupuncture,EA)均可以增加腦缺血大鼠海馬突觸素的表達[11]。

3.1.2 突觸后致密物質(postsynaptic density,PSD) PSD厚度是中樞突觸結構可塑性的重要參數。研究表明,PSD厚度與學習記憶的訓練和保持能力密切相關。在缺血狀態下,PSD厚度減少。分別運用電針、TMS(0.5 Hz,磁場強度為最大輸出強度的70%)或兩者結合使用均可明顯影響腦缺血大鼠海馬CA3區突觸的超微結構,增加PSD厚度,提高突觸界面曲率和穿孔性突觸比率。上述超微結構的改變有利于突觸結構和功能的重建,從而可能改善大鼠的學習記憶功能[12]。

3.2 神經遞質 TMS(0.5 Hz,磁場強度為最大輸出強度的70%,2 T)可以影響腦神經遞質水平,使多巴胺水平降低,ACh水平升高[13],從而改善大鼠的學習記憶能力。

3.3 神經干細胞(neural stem cell,NSC) NSC是一種具有自我更新能力,能夠分化出神經元、膠質細胞等多種類型神經細胞的特殊細胞。NSC的細胞活動中伴隨著離子強度、電信號、磁信號等的改變,電信號、磁信號的改變反過來會影響細胞活動。

rTMS(1 Hz,磁場強度為最大輸出強度的60%水平)具有明顯增強海馬內源性NSC增殖的作用[14]。采用0.5 Hz、磁場強度為1.44 T的脈沖,對離體人胚神經干細胞進行磁刺激處理,M TT比色法結果發現,NSC在干預后24～48 h呈現輕度的促生長增殖作用[15]。

對離體人胚神經干細胞進行磁刺激處理,采用頻率 0.5 Hz,脈沖刺激波寬 72 μ s,刺激強度為閾上刺激1.44 T,每天 1次,連續刺激3 d,發現磁刺激在輕度促進細胞增殖的條件下,可誘導神經干細胞向神經元方向分化,有利于神經功能重建[15]。至于rTMS通過何種途徑促進腦缺血海馬內源性NSC增殖和分化還需進一步深入研究。

3.4 細胞凋亡 注射匹羅卡品建立癲癇模型的大鼠,干預組給予磁場強度0.4 T,刺激時程0.2 ms的低頻 TMS(0.5 Hz),對照組給予假性刺激后,結果干預組海馬結構損害較對照組明顯減輕,低頻 TMS可影響海馬各區神經肽 Y(NPY)表達,降低海馬區神經損害,具有顯著的抗癇作用[16]。caspase的激活是細胞凋亡共同通路。磁輻射組大鼠海馬CA1區caspase-3陽性細胞數少于對照組(P＜0.05),顯示經顱脈沖磁場(10 Hz,20 mT)對全腦缺血再灌注的保護作用可能與其減輕神經細胞的凋亡有關[17-18],但此結果與以往的實驗相悖[9]。目前對脈沖磁場抑制凋亡的機制尚未完全明了。

3.5 交互性半球間抑制(reciprocal interhemispheric inhibition,rlHI) 兩側大腦半球通過rIHI達到并維持功能相互匹配和平衡狀態。單側半球病變會引發這種平衡的破壞,導致健側半球相關功能釋放。缺血性腦卒中發生后,患側半球受損,加上來自健側半球向患側的rIHI得到加強,這可能成為其運動功能障礙加重的重要原因。rTMS可以改變皮質興奮性。作用于非病變側大腦半球的低頻rTMS(1 Hz)通過有效降低非病變側大腦半球經胼胝體對病變側半球的抑制作用,暴露病變周邊皮質功能業已存在的神經網絡,引起皮質重組,產生運動功能恢復的效果[19-20];對于患側大腦半球的高頻rTMS(3 Hz或10 Hz),則通過直接提高其皮質脊髓束興奮性和間接增加其對非病變側皮層的抑制作用,改善癱瘓肢體的運動功能[21-22]。但是哪種治療效果更好還沒有結論。

此外,TMS(0.5 Hz,磁場強度為最大輸出強度的70%,30個脈沖)治療能促進局灶腦梗死大鼠未受損側感覺運動皮層錐體細胞樹突的生長,并能使樹突棘突密度增加,使突觸聯系增多,進而促進功能恢復,促進健腦的代償作用[23]。此研究結果是否與半球間交互性抑制理論產生沖突?健側功能增強是否不利于患側功能的恢復?尚有待探討。

3.6 鼠磷酸化環腺苷酸反應元件結合蛋白(p-CREB) 神經細胞內p-CREB能夠激活相關下游基因(神經生長因子、腦源性神經營養因子等)的轉錄,這些轉錄表達的蛋白分子在促進神經細胞的存活與修復中起著非常重要的作用。

電針結合rTMS(0.5 Hz,磁場強度為最大輸出強度的70%)對局灶性腦缺血大鼠神經行為學的改善作用與其促進缺血側海馬p-CREB的表達密切相關[24]。

神經生長因子(NGF)家族包括NGF、腦源性神經營養因子(BDNF)、神經營養素(NT)-3、N T-4/5和NT-6。這一家族可促進內皮生成因子(EGF)反應性海馬及前腦室管膜下區(subventricular zone,SVZ)NSC的存活和分化[25]。腦缺血、缺氧刺激后,BDNF及其受體表達均增加,TMS(1 Hz)能進一步增加腦梗死后BDNF的表達[26]。在 TMS(0.5 Hz,強度為 70%,30個脈沖)1 d、7 d、14 d、21 d組神經行為評分和腦梗死體積均低于對應時程的單純缺血組(P＜0.05),兩者的2 h組之間的神經行為評分及腦梗死體積無顯著性差異(P＞0.05);各組缺血半暗帶BDNF陽性細胞數均增高,TMS組的BDNF陽性細胞數高于對應時程的單純缺血組(P＜0.05)[27]。研究發現,大腦中動脈阻塞/再灌注(MCAO/R)模型大鼠于腦梗死后12～24 h時間窗內開始 TMS(0.5 Hz,磁場強度為最大輸出強度的70%,約1.33 T)治療可顯著提高腦梗死灶BDNF及Bcl-2表達水平,從而抑制神經元凋亡,挽救缺血半暗帶區瀕死細胞,有助于促進神經功能恢復及改善腦梗死預后[28]。對MCAO造模后大鼠給予TMS(1 Hz,200脈沖,強度75%)和12 h后重復刺激,刺激后6 h、12 h、24 h測得大鼠梗死灶周圍皮層BDNF免疫陽性細胞明顯增多,腦梗死體積顯著小于假刺激組[29]。而Müller等研究發現,對大鼠額區進行長期TMS(20 Hz,4 T,130%的大鼠運動閾值),在海馬可觀察到BDNF和膽囊收縮素(cholecystokinin,CCK)表達增加[30]。

3.7 腦部微循環 rTMS(0.75 T,強度80%,1000脈沖)預處理可增加腦缺血耐受[31]。頻率為25 Hz和50 Hz的rTMS預處理均可增加腦缺血耐受。頻率為25 Hz,128 s,脈沖為3200的刺激比頻率為50 Hz,64 s,脈沖為3200或128 s,脈沖為6400的刺激效果更好[32]。但rTMS引起腦缺血耐受的機制還有待于進一步研究探討。

rTMS(10 Hz、20 mT)可以減輕腦缺血再灌注后海馬神經元的損傷及凋亡,對腦缺血再灌注損傷有保護作用[33]。給予rTMS 20 Hz刺激組缺血再灌注后運動閾值和神經功能缺損評分的增高程度顯著低于不刺激組,并且梗死體積也顯著小于不刺激組。以此認為rTMS能有助于腦缺血后神經功能恢復[34]。

4 總結

4.1 在體試驗 對正常大鼠的影響:15、16.8、20、25 Hz的脈沖磁場可從Ca2+(神經突觸、神經元凋亡、神經遞質)、Na+及整個膜系統方面損壞正常大鼠的記憶能力。而10 Hz出現增強大鼠的記憶能力,但沒有統計學意義。

對腦缺血大鼠的影響:①0.5、1 Hz的脈沖磁場可從神經突觸、神經元凋亡、神經遞質方面改善腦缺血大鼠的記憶能力,而10 Hz出現抑制神經細胞的凋亡;②0.5、1 Hz脈沖磁場通過促進NSC增殖和分化方面改善腦缺血大鼠的記憶能力;③交互性抑制中,1 Hz抑制健腦神經元的興奮性,3或10 Hz增強患腦神經元的興奮性,那么0.5 Hz健腦代償作用會不會影響患腦功能的恢復?④0.5、1 Hz促進p-CREB及NGF家族的分泌,20 Hz也出現了這種現象;⑤25、50 Hz預處理增強腦缺血耐受,10、20 Hz降低再灌注損傷。

4.2 離體試驗 ①對正常大鼠的影響:15、16.8、25 Hz的脈沖磁場可從Ca2+(神經元凋亡、神經遞質)、Na+方面損壞正常大鼠的記憶能力;②對腦缺血大鼠的影響:0.5 Hz脈沖磁刺激在輕度促進離體神經干細胞增殖的條件下,可誘導神經干細胞向神經元方向分化,有利于神經功能重建。

5 提出的問題

脈沖磁場的生物學效應是復雜的,它不僅與磁場的性質(波形、作用時間、頻率和強度等)有關,而且與被作用機體的生理狀態以及作用部位密切相關,進一步的作用機制有待慎密而系統的生物磁效應研究。目前存在的問題主要有:①關于脈沖磁場高頻、低頻界限還未形成統一的認識;②一面是對正常大鼠學習記憶功能的損害作用,另一面卻是對腦缺血大鼠學習記憶功能的保護作用;③對腦代謝及腦血流量的影響、腦組織的病理生理改變等諸多方面作用機制仍不清楚;④rTMS安全性以及潛在性危害已經在許多實驗中提及;⑤如何選擇合適的參數(如刺激頻率、強度和時間)才能對腦梗死后功能恢復發揮最佳的治療效果;⑥不同時間窗TMS對腦梗死治療效果的確定。

[1]南登崑,黃曉林.實用康復醫學[M].北京:人民衛生出版社,2009:398.

[2]盧旺盛,田增民.經顱磁刺激在神經系統疾病中的應用[J].海軍總醫院學報,2008,21(4):226-229.

[3]郭明霞,王學民,馬舜堯,等.調制脈沖磁場對大鼠記憶保持和再現能力的影響及其機制[J].中華物理醫學與康復雜志,2003,25(2):67-69.

[4]董娟,李伯勤,王旭平,等.低頻脈沖磁場對大鼠皮質神經元損傷效應[J].中國公共衛生,2007,23(5):592-594.

[5]郭明霞,王明時,王學民,等.脈沖磁場對大鼠記憶能力和海馬神經遞質的影響[J].中國生物醫學工程學報,2002,21(2):179-181.

[6]董娟.極低頻脈沖磁場對正常大鼠和體外培養胎鼠皮質神經元的損失效應[D].濟南:山東大學,2007.

[7]郭明霞,王學民,馬舜堯,等.調制脈沖磁場對大鼠記憶保持和再現能力的影響及其機制[J].中華物理醫學與康復雜志,2003,25(2):67-69.

[8]譚戈,孫善全.內向整流性鉀離子通道和腦水腫[J].重慶醫科大學學報,2007,32(11):1227-1229.

[9]李伯勤,張鴻日,張向紅,等.低頻脈沖磁場對大鼠學習與記憶、EEG及腦組織形態學的影響[J].山東大學學報(醫學版),2005,43(10):924-927.

[10]T alelli P,Rothwell J.Does brain stimulation after stroke have a future?[J].Curr Opin Neurol,2006,19(6):543-550.

[11]韓肖華,黃曉琳,王熠釗,等.電針結合重復經顱磁刺激對腦缺血大鼠海馬突觸素的影響[J].中國康復醫學雜志,2009,24(12):1057-1060.

[12]韓肖華,黃曉琳,王熠釗,等.電針結合經顱磁刺激對腦缺血大鼠學習記憶功能的影響[J].中國康復醫學雜志,2009,24(6):494-497.

[13]黃曉琳,韓肖華,郭鐵成,等.電針聯合經顱磁刺激對急性腦缺血大鼠VEGF及其受體Flk-1表達的影響[J].中華物理醫學與康復雜志,2004,26(10):581-584.

[14]尹清,劉宏亮,武繼祥,等.重復經顱磁刺激對局灶性腦缺血大鼠海馬內源性神經干細胞增殖的影響[J].中國微侵襲神經外科雜志,2009,14(8):368-371.

[15]盧旺盛,田增民,郭欣茹,等.低頻磁刺激對人神經干細胞生長和分化的影響[J].第二軍醫大學學報,2009,30(4):373-377.

[16]王永利,翟煜,霍小林,等.低頻經顱磁刺激對匹羅卡品致癇大鼠海馬區神經肽Y表達及細胞凋亡的影響[J].中華外科雜志,2007,45(24):1685-1687.

[17]張鴻日,李伯勤,彭靜華,等.低頻脈沖磁場對腦缺血再灌注損傷大鼠神經元保護作用的研究[J].臨床神經病學雜志,2007,20(2):125-127.

[18]張鴻日,李伯勤,彭靜華,等.低頻脈沖磁場對全腦缺血再灌注大鼠腦電圖及海馬神經細胞的作用[J].中華神經醫學雜志,2007,6(1):26-29.

[19]Fregni F,Boggio PS,Valle AC,et al.A sham-controlled trial of a 5-day course of repetitive transcranial magnetic stimulation of the unaffected hemisphere in stroke patients[J].Stroke,2006,37(8):2115-2122.

[20]Takeuchi N,Chuma T,Matsuo Y,et al.Repetitive transcranial magnetic stimulation of contralesional primary motor cortex improves hand function after stroke[J].Stroke,2005,36:2681-2686.

[21]Khedr EM,Ahmed MA,Fathy N,et al.Therapeutic trial of repetitive transcranial magnetic stimulation after acute ischemic stroke[J].Neurology,2005,65(3):466-468.

[22]Kim YH,You SH,Ko MH,et al.Repetitive transcranial magnetic stimulation-induced corticomotor excitability and associated motor skill acquisition in chronic stroke[J].Stroke,2006,37(6):1471-1476.

[23]梅元武,劉傳玉 ,張小喬.經顱磁刺激治療對腦梗死大鼠健側感覺運動皮質錐體細胞樹突和突觸結構的影響[J].中華醫學雜志,2006,86(37):2639-2642.

[24]黃曉琳,郭鐵成,陳紅,等.電針結合經顱磁刺激對局灶性腦缺血大鼠p-CREB表達的影響[J].中國康復醫學雜志,2009,24(4):289-292.

[25]Jin K,Mao XO,Sun Y,et al.Stem cell factor stimulates neurogenesis in vitro and in vivo[J].J Clin Invest,2002,110(3):311-319.

[26]Cheeran B,Talelli P,M ori F,et al.A common polymorphism in the brain-derived neurotrophic factor gene(BDNF)modulates human cortical plasticity and the response to rTMS[J].J Physiol,2008,586:5717-5725.

[27]羅方,吳錦暉,周東,等.經顱磁刺激對局灶性腦梗死大鼠梗死周邊區BDNF表達及神經功能的影響[J].中國神經精神疾病雜志,2008,34(9):564-566.

[28]李嫚,王夢嵽,宋艷玲,等.不同時間窗經顱磁刺激對腦梗死大鼠Bcl-2及腦源性神經營養因子表達的影響[J].中華物理醫學與康復雜志,2010,32(4):245-248.

[29]趙合慶,孫永安,戴永萍,等.經顱磁刺激對腦缺血大鼠皮層腦源性神經營養因子表達及梗死體積的影響[J].中華神經科雜志,2005,38(5):330-331.

[30]Müller MB,T oschi N,Kresse AE,et al.Long-term repetitive transcranial magnetic stimulation increases the expression of brainderived neurotrophic factor and cholecystokinin mRNA,but not neuropeptide tyrosine mRNA in specific areas of rat brain[J].Neuropsychopharmacology,2000,23(2):205-215.

[31]Ogiue-Ikeda M,Kawato S,Ueno S.Acquisition of ischemic tolerance by repetitive transcranial magnetic stimulation in the rat hippocampus[J].Brain Res,2005,1037:7-11.

[32]Fujiki M,Kobayashi H,Abe T,et al.Repetitive transcranial magnetic stimulation for protection against delayed neuronal death induced by transient ischemia[J].J Neurosurg,2003,99(6):1063-1069.

[33]張鴻日,李伯勤,彭靜華,等.低頻脈沖磁場對腦缺血再灌注損傷大鼠神經元保護作用的研究[J].臨床神經病學雜志,2007,20(2):125-127.

[34]Feng HL,Yan L,Guan YZ,et al.Effects of transcranial magnetic stimulation on motor co rtical excitability and neurofunction after cerebral ischemia-reperfusion injury in rats[J].Chin Med Sci J,2005,20(4):226-230.

Effects of Different Frequency Transcranial Magnetic Stimulation on Memory Ability Associated with Hippocampus in Rats(review)

LUAN Yu-min,HU Zhong.Department of Rehabilitation,the 1st Af filiated Hospital of Kunming Medical Unversity,Kunming 650032,Yunnan,China

Hippocampus circuit loop is a neuromechanism about recent memory ability.Many researches have reported the effects of different frequency transcranial magnetic stimulation are different on memory ability associated with hippopotamus in rats,which seems to be damaging in healthy rats,but protective in rats with cerebral ischemia.

transcranial magnetic stimulation;frequency;hippocampus;cerebral ischemia;review

[本文著錄格式]欒玉民,胡中.不同頻率經顱磁刺激對正常和腦缺血大鼠海馬記憶能力的影響[J].中國康復理論與實踐,2011,17(1):48—50.

昆明醫學院第一附屬醫院康復理療科,云南昆明市650032。作者簡介:欒玉民(1982-),男,山東淄博市人,研究生,醫師,主要研究方向:康復醫學與理療學。通訊作者:胡中。

R454.1

A

1006-9771(2011)01-0048-03

2010-08-09

2010-12-17)

·專題·