基于生物學標志物的經顱磁刺激治療腦卒中作用機制的研究進展

徐碩（綜述） 賈杰（審校）

（復旦大學附屬華山醫院康復醫學科 上海 200040）

腦卒中后“中樞-外周-中樞”閉環康復理論包括 外周干預和中樞干預兩大治療手段。外周干預是間接作用于中樞神經系的外周康復技術［1］。隨著康復治療技術的不斷發展，對于腦卒中后康復治療，除了傳統外周干預外，中樞治療技術中的經顱直流電 刺 激（transcranial direct current stimulation，tDCS）和經顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）也逐漸應用于腦卒中后的康復治療中［2］。神經電生理指標（neuroelectrophysiology）、功能性核磁共振（functional magnetic resonance imaging，fMRI）、功能性近紅外光譜（functional near infrared spectroscopy，fNIRS）以及組織細胞因子指標是評價腦卒中患者功能預后的常用生物學標志物［3-5］，可分別通過相應的檢測獲取。綜合腦卒中患者的臨床癥狀和功能評估量表，并與生物學標志物聯合可以較為準確地評估腦卒中患者的功能預后。通過對比TMS治療前后神經電生理、fMRI、fNIRS和組織細胞因子指標中的一項或幾項變化，可為探索TMS的療效機制提供依據。

腦卒中后TMS應用的理論基礎

半球間競爭模型半球間競爭模型認為腦卒中后神經功能障礙與大腦兩側半球皮層興奮性失調有關［6］。通常腦卒中后患者健側半球皮層興奮性增強，而患側大腦半球興奮性下降，從而健側半球對于患側半球的功能抑制增強。基于這個模型，TMS治療腦卒中的策略是通過低頻刺激降低健側半球的皮層興奮性，并通過高頻刺激提高患側半球的皮層興奮性，從而達到新的平衡［6-7］。然而，隨著神經成像技術的進步，這種理論受到一定質疑。許多研究證明，對于不同程度的腦卒中，其治療方法也應該區別看待：對于嚴重的患者，應以健側代償為主；而對于腦損傷較輕的患者，應當刺激患側，促進患側皮層功能恢復，這對TMS治療方案的制定提出新的要求［8］。

TMS的常用參數目前常用的TMS分為單脈沖TMS（single-pulse TMS，spTMS）、成 對 脈 沖TMS（paired-pulse TMS，ppTMS），重復經顱磁刺激（repetitive TMS，rTMS）和θ短陣脈沖刺激（theta burst stimulation，TBS）［4-5，9］。單 脈 沖TMS主 要 用于檢測大腦皮質功能，包括靜息運動閾值（rest motor threshold，RMT）、運 動 誘 發 電 位（motor evoked potential，MEP）、中 樞 傳 導 時 間（central motor conduction，CMCT）和皮質靜息期（cortical silent period，CSP），這些參數可以反映皮層興奮性以及運動傳導通路完整性，同樣可以作為TMS治療的療效指標。rTMS提供連續、高強度的磁刺激脈沖波，彌補了單脈沖TMS在治療上的缺點，可以產生長時程增強（long-term potential，LTP）或長時程抑制（long-term depression，LTD）［10］。一般認為低頻rTMS是頻率＜1 Hz的刺激，而高頻rTMS頻率＞5 Hz，低頻rTMS降低大腦皮層興奮性，高頻rTMS上調皮層興奮性。TBS是一種模式化rTMS，具有耗時短、強度低及效應強等優點，根據其產生的興奮性或抑制性作用分為間歇性TBS（intermittent TBS，iTBS）和連續性TBS（continuous TBS，cTBS）［11］。

TMS與神經電生理指標

TMS治療后MEP變化MEP源于錐體神經元相對同步發放的下行沖動，其波幅和潛伏期不僅可以反映大腦運動皮層興奮性，還可以表現中樞傳導通路的變化情況，對腦卒中患者運動功能評估具有重要的意義［12］。當以適當強度磁刺激作用于運動皮層時，可以在對側肢體肌肉記錄到MEP［13］。如果周圍神經完整，MEP的波幅則可以反映皮質脊髓束的完整性以及運動皮質和脊髓前角α運動神經元興奮性。如果以上結構存在異常，MEP波幅就會降低或消失［14］。MEP潛伏期是從刺激開始到出現運動反應所需的時間，包括大腦皮質興奮、皮質脊髓束傳導、脊髓前角興奮及傳導所需時間。腦卒中后，TMS誘發的神經電生理參數發生動態變化［15］。在Bembenek等［16-17］的系統回顧中，15項臨床試驗中有14項的數據表明運動皮層TMS誘發的MEP是預測中風后運動恢復和功能結果的可靠工具。MEP波幅在卒中后30天內增加是良好的預后因素。有研究對比成對關聯刺激（paired associated stimulation，PAS）和低頻rTMS對大腦皮質興奮性的調節作用，發現PAS干預后與干預前比較，MEP波幅降低、MEP潛伏期延長、RMT增加。低頻rTMS與PAS有類似的效應，但PAS的抑制作用更強，將有望協助解除健側大腦半球對患側半球的抑制，促進腦卒中后運動功能的恢復［18］。

TMS治 療 后RMT變 化Mimura等［19］認 為RMT主要用來評價皮質脊髓束的興奮性，腦卒中后皮質脊髓束損傷的患者中，RMT明顯升高。在進行大腦皮質TMS刺激時，患者拇短展肌處于靜息狀態，TMS刺激量從最大輸出強度100%開始并逐漸降低，以10次刺激中有5次可使靜息狀態下APB產生波幅超過50 μV MEP的最小刺激強度為該側大腦運動皮質RMT［15］。有研究對腦卒中早期患者患側半球進行為期8周的低頻rTMS治療，在治療過程中，患者RMT呈漸進式下降，MEP呈漸進式升高趨勢，且CL與CMCT均逐漸縮短［15］。腦卒中患者健側大腦皮層RMT漸進性下降趨勢與患者運動功能評分呈高度呈正相關，這表明健側大腦皮層興奮性隨著病程進展而持續上調，有利于患者功能恢復［20］。

TMS治療后腦電圖變化腦電活動主要源自大腦皮層第3～5層的大錐體細胞，其對缺血缺氧狀態極其敏感，因此腦電圖可以準確地反映腦缺血后腦 功 能 的 狀 態［21］。定 量 腦 電 圖（quantitative electroencephalograph，QEEG）可以通過頻域分析來反映腦部生物電活動的變化，在其他檢查尚未發現的情況下發現神經功能恢復，能在一定程度上提示大腦皮層葡萄糖代謝或血流量變化［22］。李昭輝等［22］采 用QEEG比 較rTMS治 療 腦 卒 中 失 語 癥 的腦電變化情況，通過傅立葉轉換，計算出各個頻段的（δ+θ）/（α+β）相對功率比。經過3周rTMS刺激后，F3區域即左額葉區的（δ+θ）/（α+β）值相對于假刺激組明顯下降，且下降幅度越大，患者語言功能評估得分越高。（δ+θ）/（α+β）相對功率比可以評價腦損傷嚴重程度及功能預后，其值越大，表示慢波帶增多或快波帶減少，提示大腦皮質功能減退，神經元代謝降低，反之其值減小。該研究一定程度上從神經電生理角度揭示了TMS治療腦卒中后失語的作用機制［23］。

TMS與功能性核磁共振

TMS治療后BOLD信號及fALFF變化為減少磁場干擾，利用fMRI對TMS進行機制探索一般是在TMS刺激前后進行fMRI掃描，比較TMS對于大腦皮層興奮性及腦網絡功能連接狀態的影響［3，21］。閾值以上rTMS作用于初級運動皮層（M1）增強了大腦運動網絡刺激部位和偏遠區域的BOLD信號，包括輔助運動區、運動前皮質、扣帶回、殼核和丘腦。Hirose等［24］利用fMRI研究四脈沖磁刺激（quadripulse stimulation，QPS）的雙向效應，興奮性QPS降低了雙側M1區之間的功能連通性，而抑制性QPS則增加了這種連通性。QPS對額葉和頂葉連接區域的刺激也有類似的雙向效應，fMRI充分證明了QPS對大腦運動網絡功能連通性有強大雙向效應。Tang等［25］發現iTBS刺激卒中患者患側前額葉背外側皮質15 min后，fMRI顯示其雙側額上回、額中回、扣帶回、額下回的平均低頻振幅率較刺激前明顯提升，并隨著時間的推移，從刺激部位的局部神經激活到其連接的額-邊緣網絡中的偏遠區域。

BOLD-fMRI顯示右側大腦Broca區經過低頻rTMS治療后激活區域較治療前明顯縮小，提示右半球興奮性得到抑制，而低頻rTMS對右側大腦M1區具有更明顯的抑制作用。腦卒中患者出現失語癥時，語言優勢半球——左側半球語言區活動減弱，而右側半球相對的鏡像區域活動增加。當患者經過rTMS治療后，優勢半球語言區活動增加，右半球活動明顯減弱。BOLD-fMRI掃描結果與失語癥評估量表的得分一致［26-27］。

TMS治療后FC及腦網絡變化基于fMRI的腦網絡研究，研究者提出腦卒中患者早期患側半球M1區的興奮性降低及皮層運動網絡有效連接的異常可能是患者運動功能障礙的潛在神經機制［10］。調節患側M1區興奮性以促進雙側半球相互競爭的平衡，可以作為促進患者運動功能恢復的作用靶點。杜鵑等［28］利用運動任務fMRI聯合TMS評估，為rTMS促進腦卒中運動功能恢復的作用機制提供了客觀的腦重塑機制。患者在rTMS治療前后進行行為學功能評分、TMS-MEP及靜息態fMRI檢查。采用ROI區的功能連接（functional connectivity，FC）分析方法，相較于對照組，rTMS組經過3個月治療，其高頻亞組與低頻亞組的患者運動功能均顯著提高。FC分析結果顯示，與對照組相比，rTMS治療后，高頻亞組FC顯著增加的有患側M1-健側M1區，患側PMv-健側M1區，患側SMA-患側PMv區，其增加值與患者運動功能增加值呈正相關［28］。同時，低頻亞組的健側M1-患側SMA區FC顯著增加，且與患者運動功能增加呈正比。此外，3個月后隨訪發現低頻組FC顯著降低，這說明低頻rTMS治療對運動皮層FC可能具有長時效作用。

TMS與組織細胞因子

TMS治療后腦源性神經營養因子變化近十年的研究表明，腦源性神經營養因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）在中樞神經系統缺血后的腦可塑性中起重要作用［29］。BDNF是神經營養因子家族的成員，在神經元的增殖、存活和分化中起重要作用，一般通過血清酶聯免疫吸附法獲得。大腦皮層BDNF濃度升高可能完成突觸發生，促進樹突棘的形成和分支，從而促進腦卒中患者皮質功能重塑［30］。有研究表明，rTMS后皮質可塑性增強，這與不同功能腦區的抑制性皮質回路和BDNF上調有關［31］。

TMS產生的磁電反應可能會影響血清和腦脊液中BDNF的含量，但TMS治療后對血清BDNF水平評估所獲得的數據存在爭議。雖然許多研究發現rTMS會增加血清中BDNF的水平，但也有研究未發現效果［27］。據報道，高頻TMS刺激增加了血清BDNF水平和BDNF與TrkB受體的親和力，而低頻TMS則降低BDNF水平。此外，動物實驗證明長期暴露于rTMS（5天/周，11周）的小鼠，海馬、頂葉和梨狀皮質區域的BDNF mRNA水平顯著上 升［32］。rTMS對BDNF的 誘 導 作 用 可 以 解 釋rTMS的神經保護及神經功能重塑。研究還表明，TMS治療腦卒中后抑郁的作用機制也可以歸因于rTMS對BDNF生成的影響［33］。趙秀秀等［34］發現高頻rTMS上調清醒小鼠的BDNF表達，下調麻醉小鼠的BDNF表達。雖然該研究沒有關注BDNF變化與小鼠運動功能的相關性，但這些結果支持了rTMS的頻率依賴效應，說明自發神經活動可能與rTMS相互作用，調節BDNF和神經重塑。通過對動物清醒狀態的控制，探索TMS誘導的BDNF增加的下游靶點及其對大腦功能的具體影響，增加了BDNF在TMS研究中作為生物學標志物的靈敏性［34］。

TMS治療后神經遞質及其他細胞因子變化高頻rTMS可以影響局部神經遞質生成及傳遞、增強皮質脊髓束興奮性，提高大腦局部代謝水平以及調整刺激區域及相互作用腦區的腦血流量和葡萄糖代謝。此外，rTMS還能通過減輕急性腦梗死后IL-6和TNF-α介導的炎癥反應，進而促進神經功能改善，降低患者腦卒中后疲勞程度［35］。動物實驗表明，海馬CA3區錐體細胞層Kca1.1陽極神經元密度在rTMS干預后6周明顯增加，CA3區錐體細胞層Nav1.6陽極神經元密度在rTMS后6 h即出現下降［3-4］。馬玉娟等［36］通過不同強度20 Hz的rTMS刺激腦梗死大鼠，觀測缺血半暗帶膠質纖維酸性蛋白（GFAP）表達，干預后15天發現實驗組大鼠的運動功能各項評分相較于基線水平和對照組都有明顯提高，其中100%MEP強度刺激組的改善更為明顯。免疫組化分析顯示rTMS組缺血半暗帶GFAP表達減少，為rTMS在腦卒中后急性期使用提供了證據［37］。

TMS與功能性近紅外光譜fNIRS測量組織對近紅外光的吸收波長和強度，可以通過檢測與神經活動相關的血液血紅蛋白（HbO）濃度的變化來探測大腦功能［38-40］，fNIRS是一種觀察腦功能變化的非侵入性方法。由于fNIRS是基于所研究介質的光學特性，不易受TMS線圈操作產生的電磁干擾影響，另外也不對線圈的刺激施加任何限制［41］。

利用fNIRS檢測腦血氧飽和度和腦血流動力學可以監測大腦皮層活動興奮性，Tang等［42］認為腦卒中后患者運動功能恢復與SMC激活不對稱的改進及受累半球PMC激活增強相關。15名腦卒中患者經低頻rTMS治療后，健側半球SMC區激活程度降低，且治療組患者的上肢運動功能優于對照組。這說明健側半球SMC區激活的降低與上肢運動功能恢復成正比，該ROI區皮質激活的動態變化在上肢運動功能恢復過程中起重要作用［43］。Noguchi等［44］研 究spTMS對 于 左 側M1區 的 影 響，觀 測 到64%和79%RMT均可引起HbO的增加，單脈沖刺激相關的HbO增加驗證了spTMS可以改變運動皮層的興奮狀態。然而，利用fNIRS監測低頻TMS產生的抑制作用仍有爭議。Mesquita等［45］采用95%的1 Hz刺激左側M1區域20 min，觀察到該區域HbO以及腦代謝氧耗值增加，刺激結束后又回歸基線水平，這與低頻抑制大腦皮層興奮性的觀點矛盾。而Park等［46］利用90%RMT刺激左側M1區域，卻發現右側M1區域HbO上升。這兩個研究說明TMS的潛在變異性，接下來可以進行整個大腦皮層興奮性的監測，以揭示某個腦區進行TMS刺激時，大腦皮層興奮性的變化［14，38，45］。

結語TMS治療可以精準刺激受損皮層，促進受損的神經功能重塑，是目前康復醫學科最常用的中樞干預模式（圖1）。其療效機制可能是許多因素綜合產生的中樞效應，不能僅由單一因素解釋。以上4類生物學標志物從不同角度驗證了TMS治療卒中后功能障礙的療效，組織細胞因子可以從細胞和分子水平驗證TMS的治療作用，但其易受到患者身體狀態及外在因素干擾。神經電生理指標具有高度的時間分辨率，常用于觀察TMS引起的即刻效應，fMRI更具空間分辨率，易于觀察到TMS引發的大腦空間結構變化及功能網絡重塑。fNIRS則同時具有二者特點，即保留時間分辨率又具有一定的空間分辨率，但只能觀察到皮層表面，不能觀察TMS的深部刺激效應，臨床研究中可根據這些特點針對性選擇生物學標志物。

圖1 腦卒中后功能障礙TMS治療及其生物學標志物示意圖Fig 1 TMS treatment of post-stroke dysfunction and its biological markers

綜上，從生物學標志物的角度可以更客觀地觀測到TMS治療效果的機制，從而對TMS治療方案進行改良，以期達到更佳的治療效果。未來的研究應更加關注TMS治療后生物學標志物的變化與患者功能狀態的相關性，尋找更佳的TMS生物學標志物，進而深入探索TMS療效機制，為TMS在腦卒中后臨床康復應用提供更強的循證依據。

作者貢獻聲明徐碩論文構思、撰寫和修訂，制圖。賈杰論文審校和修訂。

利益沖突聲明所以作者均聲明不存在利益沖突。