單側下肢電刺激對正常人大腦皮質影響的功能磁共振成像研究①

李霞，徐守宇，解光堯

單側下肢電刺激對正常人大腦皮質影響的功能磁共振成像研究①

李霞，徐守宇，解光堯

目的探討單側電刺激肢體運動對中樞神經系統的影響。方法8名健康男性右利腿志愿者，電刺激誘導右踝背屈運動，同時進行功能磁共振成像掃描。結果電刺激右踝背屈運動主要激活雙側的初級軀體運動區、雙側初級軀體感覺區、雙側次級軀體感覺區、雙側扣帶回、同側運動前區、對側運動輔助區。結論單側肢體電刺激引起的雙側大腦皮質的變化。

電刺激；單側下肢；功能磁共振成像；腦功能

[本文著錄格式]李霞，徐守宇，解光堯.單側下肢電刺激對正常人大腦皮質影響的功能磁共振成像研究[J].中國康復理論與實踐,2015,21(3):249-251.

CITED AS:Li X,Xu SY,Xie GY.Effects of unilateral electrical stimulation of lower limbs on cerebral cortex:a study with functional magnetic resonance imaging in health men[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2015,21(3):249-251.

肌肉電刺激是促進肌肉力量增長和功能康復的有效方法[1]。單側肢體電刺激訓練不僅能明顯提高訓練側肢體力量，還能提高未受訓練側肢體的肌肉力量[2]。臨床研究顯示，增加健側電刺激能明顯增強腦卒中患者的肌肉收縮力，提高患肢運動功能，改善日常生活能力[3-4]。本研究通過功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)研究單側電刺激踝背屈運動時雙側大腦皮質的活化，探討單側電刺激肢體運動對腦功能的影響，為臨床單側肢體損傷后肌萎縮的康復、腦卒中等病患早期健側電刺激治療提供理論支持。

1 資料和方法

1.1 一般資料

健康男性右利足志愿者8名，年齡20～30歲。所有受試者均無神經系統疾病、骨骼肌肉傷病、心臟病史及專業體育訓練史；對本研究的目的和要求均能充分理解，受試前無任何不適感，自愿參加本實驗。

1.2 測試方法

受試者仰臥，放松、閉目，頭部制動，右膝關節保持90°，右踝關節跖屈15°；左腿自然放松。將一對刺激電極分別置于右腿脛骨前肌肌腹上，陰極置于運動點處，陽極距離陰極2 cm。接通Trio300型多功能

電刺激儀(日本ITO伊藤超短波株式會社)，予方波肌肉電刺激，刺激頻率50 Hz，脈寬200 μs。逐漸調大刺激強度，使受試者踝背屈至最大耐受強度，且不引起受試者產生疼痛或其他不愉快感覺。

采用組塊設計，靜息態和刺激態交替。靜息態受試者休息，不做任何運動；刺激態予上述電刺激。刺激態和靜息態各1 min，重復3次。電刺激運動同時進行fMRI掃描。實驗人員及肌肉電刺激儀均在掃描間外，輸出電流通過屏蔽線傳至兩極。

1.3 fMRI掃描及參數

采用GE 1.5 T磁共振掃描系統，標準頭線圈。采用梯度回波結合單次激發回波平面成像技術，重復時間3000 ms，回波時間40 ms，視野為24×24 cm，矩陣128×128，層厚6 mm，層距1 mm。

1.4 統計學分析

采用SPM軟件進行數據處理。fMRI圖像經標準化和空間平滑處理，對符合要求數據進行組分析。顯著性水平α=0.05，激活范圍閾值10個像素。

2 結果

電刺激右踝關節背屈運動主要激活以下區域：雙側的初級軀體運動區(primary motor cortex,M1)、雙側初級軀體感覺區(primary sensory area,S1)、雙側次級(頂蓋)軀體感覺區(secondary somatosensory cortices, SⅡ)和扣帶回(cingulate gyrus,GC)；同側運動前區(premotor area,PMA)，對側運動輔助區(supplementary motor area,SMA)。見表1、圖1。

圖1 腦激活區立體圖像

表1 腦激活區部位、坐標和激活強度

3 討論

電刺激是使用特定的脈沖電流，對神經細胞或肌肉細胞刺激，代替人腦發出的神經沖動，誘導肌肉進行有規律的收縮，提高肌肉力量。研究表明，電刺激發展肌力的效果非常明顯[5]。電刺激肌肉訓練3～8周，可使肌肉力量增加7%～58%，并對骨骼肌結構產生有利的影響[6-8]：肌纖維增粗、肌肉體積和重量增加、肌肉內毛細血管豐富等[9]。

在運動生理學上有訓練效果的交叉遷移現象，指單側肢體運動訓練可以產生對側同源部位力量、功能的同步提高[10]。電刺激引起的肌肉收縮在發展同側肌肉力量的同時，也能夠增長對側肌肉的力量[5,11]。通過肌肉電刺激訓練，對側肢體力量的增長與主動收縮練習相當，甚至更好。Hortobágyi等對肌肉電刺激收縮和隨意收縮的交叉遷移效果進行比較，兩組在訓練側和未訓練側肢體都有力量增長；同時，電刺激引起的交叉遷移效果要略優于隨意收縮[5]。在臨床上，脊髓損傷患者經過長期功能性電刺激，能夠引起對側手同源肌肉的力量增長[12]。骨折、腦卒中等患者，早期不能直接對患側進行訓練，對健側肢體進行肌肉電刺激，對促進患側肢體功能恢復有重要意義。

電刺激訓練和隨意等長收縮訓練都能產生交叉遷移效果[2]。交叉遷移現象的核心機制至今沒有統一的認識。我們前期研究觀察到，單側主動踝背屈運動引起雙側大腦皮質多個運動相關皮質激活[13]。本研究觀察單側電刺激踝背屈運動，同樣出現雙側大腦多個運動及感覺皮質被激活，但與前期研究存在激活區域的差異。說明主動運動和電刺激運動可能通過不同的神經傳導通路產生交叉遷移現象。

在其他相關實驗中也能觀測到雙側皮質的激活。如電刺激正中神經，雙側S1均被激活[14]。電刺激手指可引起對側S1、SMA和雙側SⅡ激活[15-16]。電刺激誘發腕背屈活動引起對側M1、S1、SMA，同側SⅡ激

活[17]。本實驗引起雙側M1、S1、SⅡ激活，與其他實驗不同，可能在于刺激強度較大(使受試者背屈至最大耐受強度)、刺激部位不同有關。

M1區在功能恢復重建中起著重要作用[18]。其主要功能是執行任務，是運動功能的高級中樞。雙側GC的激活可能是相應的大腦皮質通過胼胝體通路將沖動擴散到對側的運動皮質。M1和SMA等運動相關區域的激活，說明電刺激引起的本體感覺傳入可能直接通過脊髓反射引起梭外肌收縮。中央前回是本體感覺投射中樞[19]，高級中樞運動相關區域的激活可解釋為高級中樞對低級反射的調控。雙側S1、SⅡ的激活，使參與踝關節主動運動外反饋的周圍本體感受器興奮，相當于人為激活環路中的感覺性外反饋環節[20]，對可能的運動產生易化作用。另外，同側S1、SⅡ、PMA的激活，說明參與運動準備、運動執行及本體感受的大腦區域對交叉遷移也有一定的價值。電刺激訓練可能是先產生運動本體感覺或皮膚淺感覺，反映到大腦皮質或其他感覺相關區，再反饋給初級運動皮質及相關運動區，從而實現單側電刺激時產生雙側效應。

研究證實，健康人4周單側踝跖屈力量訓練，在訓練側和未訓練側都觀察到力量增長及對側大腦灰質和白質的變化[21]。腦卒中患者隨著肢體運動功能的恢復，激活部位逐漸局限于患側感覺運動區，且雙側大腦半球的激活體積也相應減少[22]。電刺激治療有利于腦梗死后運動功能的提高，并有助于腦功能重組[23]。

綜上所述，單側電刺激踝背屈運動激活雙側大腦多個感覺、運動皮質，說明電刺激運動引起的交叉遷移現象可能主要通過感覺-運動網絡實現，有助于腦的功能重組，為腦卒中、骨折等早期無法進行患肢運動的患者，通過健側訓練早期介入提供理論支持。

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Effects of Unilateral Electrical Stimulation of Lower Limbs on Cerebral Cortex:A Study with Functional Magnetic Resonance Imaging in Health Men

LI Xia,XU Shou-yu,XIE Guang-yao
Rehabilitation Department,the Third Affiliated Hospital of Zhejiang Chinese Medial University,Hangzhou,Zhejiang 310005,China

Objective To investigate the effect of unilateral electric stimulation of lower limbs movement on central nervous system. Methods 8 right-footed healthy men accepted electrical stimulation to evoke dorsiflexion of the right ankle,while the cerebral cortex activations were observed with functional magnetic resonance imaging.Results For electrical stimulation evoked contraction task,the significant activations were observed in the bilateral primary motor cortex,primary sensory area,secondary somatosensory cortex,cingulated gyrus;ipsilateral premotor area and contralateral supplementary motor area.Conclusion Unilateral electrical stimulation may result in activations of bilateral cerebral cortex.

electrical stimulation;unilateral lower limbs;functional magnetic resonance imaging;cerebral function

10.3969/j.issn.1006-9771.2015.03.001

R454.1

A

1006-9771(2015)03-0249-03

2014-12-14

2015-02-05)

1.浙江中醫藥大學附屬第三醫院2013年度院級醫藥衛生科技計劃項目(No.ZS13CA13)；2.國家中醫藥管理局重點學科建設經費資助項目(No.國中醫藥人教發[2012]32號)。

浙江中醫藥大學附屬第三醫院康復科，浙江杭州市310005。作者簡介：李霞(1979-)，女，漢族，河北邯鄲市人，碩士研究生，講師，主要研究方向：神經系統疾病的康復。通訊作者：徐守宇(1966-)，男，漢族，浙江杭州市人，博士研究生，副教授，主要研究方向：骨關節疾病康復。E-mail:overnightjo@msn.com。