經顱磁刺激促進腦卒中功能恢復的作用機制

劉佳琳，王帥，張立新

1.中國醫科大學附屬盛京醫院康復中心，遼寧沈陽110000；2.中山大學附屬第一醫院康復醫學科，廣東廣州510000

前言

腦卒中是局部血液循環障礙所引起的神經功能缺損綜合征，目前已經成為全球第二大致死原因，并且具有較高的致殘率［1］。80%的腦卒中患者會遺留不同程度的運動障礙，極大地影響其日常生活活動，降低其生活質量，阻礙其重返社會。

1985年Barker 等［2］引入的經顱磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation,TMS）是一種非侵入式的研究和治療方法，利用隨時間變化的磁場在中樞神經系統內產生感應電流，從而調節一系列腦內代謝和神經電活動［3］。本文詳述的重復TMS（repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, rTMS）使用的是連續刺激，即刺激間隔逐漸縮短至10 ms［4］。rTMS 對皮層興奮性有調節作用，其作用時間長于刺激期，可以多種方式在運動和非運動腦區使用，對大腦活動具有局部和非局部效應［5］。rTMS模式包括傳統的高頻（≥5 Hz）rTMS（High Frequency-repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, HF-rTMS）和低頻（≤1 Hz）rTMS（Low Frequency-repetitive Transcranial Magnetic Stimulation, LF-rTMS）［5］，以及較新的刺激模式方案，如Theta 節律爆發式刺激（Theta Burst Stimulation,TBS）和成對關聯刺激［5-6］。近年來rTMS正越來越多地被用作促進腦損傷后康復的治療干預手段［7］。本文就rTMS以及新刺激模式促進腦卒中后運動功能恢復的最新作用機制予以綜述。

1 調節刺激部位腦血流量

Sallustio等［8］應用經顱多普勒超聲檢測rTMS引起的腦血流速度（Cerebral Blood Flow Velocity,CBFV）和腦血管反應性（Cerebrovascular Reactivity,CRV）改變，發現在健康測試者左側大腦半球運動皮質（Motor Cortex,M1）區進行1 Hz的rTMS后，大腦中動脈的最大CBFV呈下降趨勢，還發現LF-rTMS對健康人CRV有明顯的調節作用，并推測由于急性腦卒中患者腦部自我調節受損，故rTMS對卒中患者產生作用與調節腦血流動力學有關。

Zong等［9］用經典的光凝血栓法成功地誘發了大鼠感覺運動皮層的缺血性卒中梗死，并且在卒中后3 h至第5天對梗死側給予持續5 min的TBS，接著通過甲酚紫染色標記的腦切片和數據分析顯示，TBS治療在卒中后第21天顯著縮小了梗死體積，但是在第5天對梗死區體積與對照組相比沒有顯著影響。Wu等［10］對相同的缺血性卒中模型進行持續性TBS（continuous Theta Burst Stimulation,cTBS）治療后也發現梗死區體積縮小，梗死區周圍血管內徑和CBFV顯著增加。

類似的實驗還有Caglayan等［11］通過動物實驗發現20 Hz HF-rTMS刺激后腦梗死體積顯著減小，并且再灌注15、30、45和60 min后腦缺血核心區和半暗帶上方的局部腦血流量（Cerebral Blood Flow,CBF）顯著增加。Takekawa等［12］選取18例出血性和15例缺血性腦卒中患者，探究rTMS治療后上肢運動功能改善與腦灌注改變的關系，實驗結果提示1 Hz rTMS刺激后患者上肢運動功能的改善與額葉上、中區腦灌注的改變有關。另有學者發現10 Hz rTMS可引起急性缺血性卒中患者的雙側血流動力學發生顯著改變，而皮質梗死患者的雙側血流動力學改變不明顯且同步性較差，這提示rTMS對不同類型腦卒中患者的CBF變化影響不同［13］。

2 調節大腦皮層興奮性

rTMS作為一種無創腦刺激技術，可以瞬時調節大腦皮層的興奮性，它使用極短的高強度磁場來誘導電流，從而使皮質小區域的神經元去極化［6］。Simis等［14］測試和比較10 Hz rTMS 和1 mA 經顱直流電刺激（Transcranial Direct Current Stimulation,TDCS）對運動皮質興奮性的影響，結果顯示HF-rTMS后的運動誘發電位（Motor Evoked Potential,MEP）波幅明顯高于陽極采用TDCS后的MEP波幅，并且HF-rTMS明顯增加了皮質脊髓興奮性，而TDCS 20 min才產生相反的效應。

例如Guo等［15］采用10 Hz rTMS刺激損傷側半球初級運動皮質，發現對比常規治療（針灸和抗血小板聚集藥物治療），結合彌散張量成像（Diffusion Tensor Imaging, DTI）評估皮質脊髓束的各向異性（Fractional Anisotropy, FA）結果分析，HF-rTMS 能更好地調節同側的皮質脊髓束和興奮運動相關的灰質皮質來改善缺血性卒中患者的上肢運動功能。而Ueda 等［16］將頻率為1 Hz 的rTMS 應用于非損傷側半球手指的主要運動區，結果發現LF-rTMS 刺激側即損傷對側中央后回的程度和強度明顯降低。程度是指與其他大腦區域直接連接的數量，程度越小意味著與解剖網絡中其他大腦區域的結構性連接越少；而低強度表示該節點與網絡中的其他節點連接較弱。

而TBS 中間歇性TBS（intermittent Theta Burst Stimulation,iTBS）常被認為發揮“興奮”大腦皮質作用，cTBS則相對是“抑制”大腦皮質作用［17］。Vékony等［18］比較iTBS和cTBS對左側和右側背外側前額葉皮質的工作記憶的影響，通過辨別能力指數衡量發現iTBS刺激后的工作記憶成績有所提高，而cTBS刺激中沒有觀察到這種影響。

這種上調或下調皮層興奮性的能力，以及它的高時間分辨率，表明TMS可能是一種有用的工具，可以操縱皮層網絡［6］。TMS可激活不同水平的神經元，不僅引起生物效應，還影響局部和相關的遠端皮層功能，實現皮層功能的區域性重建，并且在執行和抑制運動反應時，TMS誘導的運動皮層神經元反應及其向周圍皮層區域的傳播可能會根據任務需求而發生功能變化［19］。

3 調節大腦半球雙相平衡模型

關于腦卒中后功能恢復的模型，目前有兩種假設。一種模型為替代模型，即在這種模型中，殘留網絡中的活動代替了受損區域失去的功能，也就是說健側大腦半球的活動可能有助于卒中后的功能恢復［20］。例如Wang等［21］選取21例腦缺血和9例腦出血患者健側大腦半球M1區分別對比HF-rTMS和LF-rTMS刺激后的療效，結果發現HF-rTMS通過調節對側皮質的可塑性，在促進重度腦卒中偏癱患者運動康復方面優于LF-rTMS刺激，這一實驗證實了健側大腦半球代償也許在卒中患者的恢復中起關鍵作用。

另一種模型為半球間競爭模型，這個模型假設大腦的兩個半球之間存在“相互制衡”的關系。而腦卒中導致的一側大腦半球的受損破壞了這種平衡，即一側受影響的大腦半球對未受影響的大腦半球的抑制減少，繼而導致未受影響的大腦半球對受影響的大腦半球的抑制增加。例如在運用rTMS治療缺血性卒中患者時，Urushidani等［22］在1 Hz rTMS刺激后，使用功能性近紅外光譜技術在患側大腦半球觀察到一種優勢激活模式。這說明rTMS通過調節大腦半球間的不平衡抑制來解除大腦功能的單側抑制，而正是這種非受損側大腦半球對受損側半球的單側抑制嚴重阻礙了腦梗死患者運動功能的恢復。同時Engelhardt等［23］試驗也驗證了此假設，他們得出1 Hz頻率的rTMS可降低大腦下層區域的興奮性，還增加對側大腦半球的興奮性。

但是這兩種模式對于單個腦卒中患者最佳的rTMS治療是抑制性還是興奮性的觀點相反。大腦半球間的競爭模型認為通過阻斷未受損大腦半球對受損大腦半球的抑制有利于腦卒中的受損側的運動功能恢復；而替代模型認為這樣的策略將適得其反，因為它將干擾未受損半球的補償活動。故Di Pino等［24］提出“雙相平衡”恢復模型，他們引入了一個新概念-結構保留度，即腦卒中后神經通路和聯接所保留的程度，他們認為結構保留度的高低決定了半球間競爭模型是否優于替代模型：當結構保留度高時，運用半球間競爭模型比替代模型更有利恢復；而結構保留度低時，運用替代模型比半球間競爭模型更有利恢復。

4 誘導長時程效應

臨床治療發現，rTMS 的療效在治療后至少持續3 個月，而急性期單療程rTMS 刺激可促進持續1年的上肢功能改善［25］。這說明rTMS 可以在人腦中引起持續時間超過刺激期本身的后效［26］，這種效果被認為與長時程增強（long-Term Potentiation,LTP)和長時程抑制（long-Term Depression,LTD）突觸可塑性有關［27］。當rTMS 與高興奮性狀態同步時，rTMS 誘導的人皮質脊髓LTP 可塑性增強，當rTMS 與低興奮性狀態同步時，rTMS 誘導的人皮質脊髓LTD 可塑性增強［28］。研究表明內流的鈣離子濃度的變化會引起大腦皮質LTP 和LTD［29］，N-甲基-D-天冬氨酸受體（N Methyl D Aspartate Receptor,NMDAR）可能通過激活鈣-鈣調蛋白依賴性激酶，引起鈣離子濃度改變，從而參與LTP 的形成。Yang 等［30］實驗表明患有血管性癡呆（Vascular Dementia,VD）的大鼠NMDAR1 蛋白水平明顯降低，海馬CA3-CA1區突觸LTP波幅降低，但經過1 Hz rTMS 治療2 周后大鼠LTP 波幅升高，此研究結果表明低頻rTMS 治療通過增加NMDAR1 表達進而部分減輕VD 模型大鼠海馬LTP 損傷。同樣地，Stefan 等［31］發現在NMDAR 拮抗劑右美沙芬的影響下，單脈沖rTMS 誘發的MEP 幅值的增加被阻斷，同時已知右美沙芬是一種可以阻斷LTP的受體拮抗劑。因此推測rTMS 可能通過增加NMDAR 的表達誘導類似LTP 效應的MEP 幅值升高。同時Fujiki 等［32］還推測rTMS 作用的長時程效應可能涉及到離實際磁流區域很遠的可塑性相關信號通路的激活。

5 調節突觸可塑性，促進軸突再生

隨著神經調節技術的迅速發展，rTMS技術對神經再生的影響越來越受到人們的關注。眾所周知，突觸可塑性的調節在發揮神經元電路功能中有著重要的作用。Lenz等［33］最近發現10 Hz重復性磁刺激（repetitive Magnetic Stimulation,rMS）對興奮性突觸的影響主要發生在培養的海馬CA1錐體神經元的近端樹突，進而分析rMS可能誘導神經元特異性興奮性突觸的可塑性。有研究表明低頻電磁場可以增強突觸前神經末梢（主要是P/Q亞型）鈣通道表達，進而使鈣內流增加，而鈣會觸發胞吞作用，促進囊泡內吞，從而促進突觸的增強，進一步調節神經元的發育、軸突分支和細化［34］。另外Ca2+內流觸發的突觸信號通路被認為是調節抑制性突觸后支架動力學［35］。這與Lenz等［33］實驗結論相一致，他們同樣認為rTMS以鈣調磷酸酶依賴的方式重塑抑制性突觸。

已知卒中后的功能障礙與樹突狀細胞和突觸蛋白的丟失密切相關，Zong等［9］研究了TBS對大鼠光性血栓形成（Photothrombotic,PT）卒中樹突狀細胞和突觸損傷的影響。發現接受TBS治療的PT卒中大鼠表現出高密度的突觸顆粒，這表明TBS后處理可以預防卒中所致的突觸丟失。相應地，他們還探討TBS對PT卒中誘導的神經元變性的影響。他們在腦部切片上用微管相關蛋白2（Microtubule-Associated Protein2,MAP2）標記，MAP2是評估神經元損傷的靈敏指標。通過共聚焦顯微鏡和定量分析顯示，PT卒中組大鼠MAP2熒光強度較低，MAP2彌散較大，反映了梗死區周圍神經元的樹突損傷。相比之下，接受TBS治療的PT卒中大鼠的樹突異常形態明顯減少。這些證據表明，TBS治療后可顯著抑制PT卒中所致的突觸損傷和梗死區周圍神經元的變性。

我國生態水利工程學領域的研究起步較晚，理論基礎還很薄弱，因此要加強對相關理論基礎的研究，同時，隨著其它學科及相關技術的發展，水利工程的發展還要融入其它學科先進的技術和理念。

根據變塑性理論，在某些情況下（如神經損傷），突觸的形態和功能會隨著時間的推移而改變，從而突觸的連接強度也會改變。因此，為了最大限度地利用突觸的特征或現象，rTMS可以增加使殘留神經纖維建立連接的機會，從而影響功能結果［36］。研究表明低強度磁刺激（1.14 Tesla,1 Hz）促進更廣泛的樹突和軸突分支，使突觸密度增加，突觸后密度（Postsynaptic Density Protein,PSD）增厚，上調突觸素、生長相關蛋白43和PSD 95的表達。相反，高強度的磁刺激（1.55 Tesla,1 Hz）似乎是有害的，它會減少樹突和軸突分支，造成明顯的結構損傷，包括PSD變薄、突觸減少和突觸結構紊亂［37］。這些發現表明rTMS在調節中樞神經系統的突觸傳遞和可塑性中發揮著十分顯著的作用。

6 調節神經遞質，激活神經通路

神經營養因子是神經系統發育、存活、執行功能和再生的關鍵調節因子，對特定神經元發揮著極大的影響作用［38］。在缺血性卒中后，神經干細胞可以增殖并遷移到受損的腦區，在內源性恢復中起關鍵作用。據報道腦源性神經營養因子通過其受體原肌球蛋白相關激酶B（Tropomyosin-related Kinase B,TrkB）促進神經干細胞遷移和增殖［39］。Luo等［40］發現20 Hz rTMS和常規iTBS顯著增強了同側室下區和梗死周圍紋狀體的神經發生水平，數據顯示梗死周圍紋狀體中Ki67/雙皮質素（Doublecortin, DCX）、Ki67/巢蛋白（Nestin）和Ki67/NeuN 陽性細胞明顯增加，并且伴隨這些有益作用的是腦源性神經營養因子（Brain-Derived Neurotrophic Factor,BDNF）和磷酸化TrkB蛋白水平的升高。故推測rTMS通過促進BDNF/TrkB途徑的神經發生和激活來促進功能恢復，還從數據中得知常規20 Hz rTMS在增強缺血性卒中大鼠神經發生方面優于iTBS。

另一項研究也支持了此結論，Niimi等［41］選取34例腦出血和28例腦缺血患者在接受常規康復療法（塑形技術和重復的任務練習）的基礎上每日接受1 Hz的rTMS刺激，而另外14例腦出血和9例腦缺血患者只接受為期14 d的常規康復療法。結果顯示，rTMS加康復療法可使proBDNF血清水平略有下降，而單純康復療法可使proBDNF血清水平略有升高。此外，2周后血清基質金屬蛋白酶-9（Matrix Metalloproteinase-9,MMP-9）表達水平在rTMS加康復治療組患者明顯升高，但在單獨康復療法組患者中表達水平下降。考慮到proBDNF是成熟形式BDNF的前體蛋白，在細胞外蛋白酶如MMP-9的作用下轉化為BDNF。基于上述變化，得出單純康復療法可降低成熟BDNF/總BDNF的比例，而rTMS加康復療法患者的成熟BDNF/總BDNF比例略有上升。提示LF-rTMS可激活proBDNF向成熟BDNF的轉化，而這種變化增強了康復療法改善上肢偏癱的效果。

細胞外信號調節激酶1/2（extracellular signalregulated kinase1/2,ERK1/2）通路是細胞分化和增殖的重要途徑，P38通路是細胞受到外界刺激產生應激反應時參與細胞分化的途徑。Cui等［42］在使用10 Hz rTMS治療缺血性卒中大鼠中，5 d后發現rTMS可激活經典促分裂素原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinases,MAPK）信號通路中的P38和ERK1/2的磷酸化，進而提出rTMS可能通過激活MAPK通路參與神經發生、炎癥反應、膠質細胞重編程和軸突引導。

戈蕾等［43］探究了頭針和0.5 Hz rTMS聯合治療對改善腦梗死大鼠神經功能的影響，實驗結果顯示rTMS組和聯合治療組蛋白激酶A（Protein Kinase A,PKA）和磷酸化環磷酸腺苷反應元件結合蛋白（cAMP Response Element-Binding Protein,CREB）相對表達量對比卒中模型組均升高，從而推測其機制可能通過激活PKA/CREB信號通路發揮改善神經功能作用。

Li等［44］對rTMS誘導急性缺血性卒中后對側皮質-小腦通路進行初步研究，他們選取急性缺血性卒中后4 d左右的患者，在其患側初級運動區進行為期10 d的5 Hz rTMS治療，收集的DTI數據顯示rTMS治療后構成皮質-橋腦-小腦-皮質環的神經束包括對側皮質脊髓束、橋交叉束、小腦中腳、對側小腦上腳、對側內側丘系、同側小腦下腳分數FA均較治療前明顯增加，同時胼胝體和對側扣帶的FA也較假治療組明顯增加。這些研究表明rTMS可能通過調節不同神經遞質，激活神經傳導通路來提高腦卒中后的運動功能。

7 改善神經元微環境

眾所周知，缺血性卒中發作后會釋放促炎細胞因子，由此產生強有力的促炎狀態會介導局部神經炎癥，從而進一步導致腦卒中后神經功能的惡化［45］。Zong等［9］發現至少有11種促炎細胞因子在PT卒中后第21天顯著高于對照組水平，包括睫狀神經營養因子（Ciliary Neurotrophic Factor,CNTF）、CX3C趨化因子配體1、干擾素-γ、腫瘤壞死因子α和白細胞介素（Interleukin,IL）組，但是他們注意到經TBS連續5 d的治療在第21天有效地減少梗死灶周圍腦區多種促炎細胞因子的表達，而不是第5天，并且通過將小膠質細胞的極化狀態從有毒的M1表型轉變為保護性的M2表型，減少過度的小膠質細胞激活。同時研究結果還表示TBS抑制反應性星形膠質細胞增生和膠質瘢痕的形成，并誘導星形膠質細胞表型從神經毒性的A1型轉變為神經保護性的A2型。

此研究組還觀察到PT卒中后因氧化應激造成的梗死區周圍皮質蛋白中煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate,NADPH）氧化酶活性和錳超氧化物歧化酶水平顯著升高，經TBS 治療后這些影響可以有效地被減弱。他們采用線粒體紅色熒光探針對線粒體膜電位進行測定，測定結果表明PT 卒中引起了線粒體膜明顯崩塌。與對側半球相比，PT 卒中同側大腦半球含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-9（Cysteinyl aspartate specific proteinase, Caspase-9）和含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶-3（Cysteinyl aspartate specific proteinase, Caspase-3）裂解的免疫活性升高，同時在卒中后21 d 發現TBS 對Caspase-9 和Caspase-3 的激活有明顯的抑制作用，但在卒中后第5天沒有產生顯著效果。由此得出，PT 卒中后給予TBS 治療能有效地保護線粒體膜完整性并抑制卒中后梗死區皮質內線粒體固有凋亡通路的激活及延遲性凋亡細胞死亡。

綜上所述，TMS 可能通過調節小膠質細胞和星型膠質細胞的極化狀態，維持促炎/促氧化和抗炎/抗氧化之間的動態平衡來改善局部神經元微環境，以及保護線粒體的完整性和抑制梗死周圍區線粒體的凋亡信號。同時他們的研究還提示了TMS的作用機制可能是由于其對卒中后遲發性凋亡損傷的慢性和持續性作用，特別是在以持續激活炎癥和氧化應激為特征的晚期。

8 調節干細胞增殖分化

研究表明，腦卒中后僅產生更多的神經干細胞（Neural Stem cells,NSCs）不能幫助中樞神經系統的功能恢復，因血腫周圍的神經干細胞大多分化為膠質細胞，膠質細胞聚集形成膠質瘢痕，無助于神經功能的恢復［46］。只有新形成的神經元與功能回路相連才有助于恢復神經功能，因此神經干細胞增殖分化為神經元是促進中樞神經系統功能恢復的關鍵［42］。Cui等［42］在對缺血性卒中大鼠進行10 Hz rTMS時發現rTMS誘導的神經細胞分化顯著，膠質細胞聚集較少，并且新生神經元試圖重新連接功能網絡。因此他們認為rTMS很可能維持了NSCs的神經發生，并將它們極化成神經元，同時抑制了NSCs向膠質細胞轉化的潛能。

Liu等［47］分別研究了10 Hz HF-TMS、1 Hz LF-TMS和iTBS對人誘導多能干細胞的體外神經元分化的影響，實驗結果顯示LF-TMS和iTBS增強了神經元核團的轉錄和表達；HF-TMS增加了囊泡性谷氨酸轉運體2的轉錄；而iTBS促進了突觸素和PSD95的轉錄。這有效地提示了LF-TMS和iTBS可促進人誘導多能干細胞成熟神經元的生成；HF-TMS可促進向谷氨酸能神經元分化；而iTBS可促進分化過程中突觸的形成。此外，Wang等［48］研究了rTMS介導的人骨髓間充質干細胞自噬通量的作用機制。他們使用頻率為50 Hz的不同強度的rTMS，每天刺激20 min，根據實驗數據得出在強度為0.5 T組，HF-rTMS可通過NMDAR-Ca2+-ERK-哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian Target of Rapamycin,mTOR）信號誘導骨髓間充質干細胞自噬，但在強度為1.0 T和1.5 T組中，自噬沒有被激活。

以上各研究表明通過調節NSCs增殖分化也可能是rTMS減輕腦卒中后功能障礙的一個治療機制。

9 結語與展望

在目前的臨床實踐中，由于一些機制在大多數研究中被用作理論基礎，可能過于簡單化，故TMS對腦卒中患者的臨床影響仍然具有有限性和異質性。這些有限的效果可能是由于TMS沒有以個性化的康復方式應用，不是根據患者的康復階段或個體特征量身定做的。故了解其具體作用機制將為精準醫療提供基礎，以便在每個腦卒中患者中實現最大治療效果的功能恢復。