李甲笠，單春雷

早在30多年前，Barker等[1]首次報(bào)道了經(jīng)顱磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation，TMS)，從此實(shí)現(xiàn)了非侵入性地刺激大腦皮質(zhì)，誘導(dǎo)皮質(zhì)興奮性的瞬時(shí)或長(zhǎng)時(shí)改變的目的。重復(fù)性經(jīng)顱磁刺激(Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation，rTMS)能夠引起持續(xù)到刺激結(jié)束后數(shù)分鐘至數(shù)小時(shí)的皮質(zhì)環(huán)路可塑性改變，很多研究也已證明rTMS對(duì)腦卒中后的運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)的促進(jìn)作用[2-3]。Theta節(jié)律刺激(Theta Burst Stimulation，TBS)是rTMS的一種最新范式，具有刺激時(shí)間短、刺激脈沖數(shù)少、刺激強(qiáng)度低等優(yōu)勢(shì)，并能誘導(dǎo)持久的大腦興奮性改變，因而引起了研究者的廣泛關(guān)注。本文從TBS的作用機(jī)制及其在腦卒中后運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)中的研究進(jìn)展方面做一綜述。

1 TBS作用機(jī)制的研究進(jìn)展

1.1 TMS的基本原理 TMS是無(wú)創(chuàng)性腦刺激(Non-invasive Brain Stimulation，NIBS)技術(shù)的常見(jiàn)類型，被廣泛用于探索神經(jīng)生理和大腦可塑性的研究中。TMS刺激儀的基本原理是電容器向封裝于絕緣材料中的金屬線圈發(fā)出短時(shí)的強(qiáng)電流，這個(gè)電流產(chǎn)生的快速波動(dòng)的磁場(chǎng)可以幾乎無(wú)衰減地穿過(guò)能夠感受傷害的組織，如頭皮和腦膜，并在其下的皮質(zhì)中產(chǎn)生電流，引起受刺激區(qū)域內(nèi)的神經(jīng)元去極化并發(fā)放沖動(dòng)。磁場(chǎng)隨距離呈指數(shù)衰減，從而限制了刺激的深度和刺激的范圍[4]。rTMS常用于持續(xù)地調(diào)節(jié)皮質(zhì)活動(dòng)，其引起皮質(zhì)興奮性變化的機(jī)制與長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(Long-term Potentiation，LTP)和長(zhǎng)時(shí)程抑制(Long-term Depression，LTD)有關(guān)。

1.2 TBS方案 Theta節(jié)律刺激(Theta Burst Stimulation，TBS)最初由Huang等[5]提出，是rTMS的一種特殊范式，最初用于運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)的干預(yù)。TBS模擬了清醒狀態(tài)下行為正常的嚙齒動(dòng)物在探索新環(huán)境時(shí)海馬錐體細(xì)胞的放電模式[6]。研究顯示，在嚙齒動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)或海馬區(qū)域給予以5Hz頻率(theta節(jié)律)重復(fù)的3～5個(gè)100Hz的刺激脈沖，能夠誘發(fā)出LTP效應(yīng)[7]。另有研究報(bào)道，在嚙齒動(dòng)物和人類的運(yùn)動(dòng)或其他自發(fā)運(yùn)動(dòng)行為期間，皮質(zhì)區(qū)域出現(xiàn)theta振蕩[8]。有人認(rèn)為theta振蕩可以調(diào)節(jié)人類新皮層的高頻gamma振蕩[9]。TBS方案即模擬了theta節(jié)律與gamma節(jié)律的耦合。TBS與常規(guī)rTMS的主要區(qū)別在于：短時(shí)的刺激(40～190s)即能引起皮質(zhì)興奮性的改變，并且這種改變能持續(xù)到刺激結(jié)束后至少20～30min。TBS的特點(diǎn)是內(nèi)部頻率高、刺激強(qiáng)度低、持續(xù)時(shí)間短。TBS的基本參數(shù)為：3個(gè)50Hz的脈沖為一叢、每叢以5Hz的頻率(theta節(jié)律)重復(fù)刺激，刺激強(qiáng)度一般為80%活動(dòng)運(yùn)動(dòng)閾值(Active Motor Threshold,AMT)。常見(jiàn)的TBS范式有兩種：①間歇性TBS(intermittent TBS, iTBS)：是以上述參數(shù)持續(xù)刺激2s，停8s，總時(shí)長(zhǎng)191.84s，總脈沖數(shù)600個(gè)。iTBS可誘發(fā)LTP效應(yīng)，提高皮質(zhì)興奮性；②持續(xù)性TBS(continuous TBS，cTBS)：是以上述參數(shù)連續(xù)刺激，總時(shí)長(zhǎng)40.04s，總脈沖數(shù)600個(gè)。cTBS可誘發(fā)LTD效應(yīng)，抑制皮質(zhì)興奮性。Huang等[5]的研究顯示：iTBS增加皮質(zhì)興奮性的效應(yīng)達(dá)到刺激結(jié)束后20min，cTBS降低皮質(zhì)興奮性的效應(yīng)則可以達(dá)到60min。

1.3 TBS調(diào)節(jié)大腦皮質(zhì)興奮性的作用機(jī)制

1.3.1 TBS后效應(yīng)的皮質(zhì)起源 Lazzaro等[10]在頸部硬膜外隙植入電極，記錄由TMS誘發(fā)的錐體束中的一系列下行沖動(dòng)。植入電極記錄到的第一個(gè)沖動(dòng)稱為直接波(D-波)，反映皮質(zhì)脊髓軸突的直接激活；隨后的沖動(dòng)稱為間接波(I-波)，反映在運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的活動(dòng)。Lazzaro等發(fā)現(xiàn)，cTBS明顯降低了產(chǎn)生早期I-波的皮質(zhì)環(huán)路的興奮性，而晚期I-波和D-波較少受到影響。這表明cTBS對(duì)產(chǎn)生早期I-波的中間神經(jīng)元與中樞神經(jīng)系統(tǒng)之間的突觸有重要影響。iTBS對(duì)早期I-波無(wú)影響，增加了晚期I-波的幅度，并持續(xù)增強(qiáng)皮質(zhì)脊髓下行沖動(dòng)。這表明iTBS主要作用于介導(dǎo)晚期I-波產(chǎn)生的神經(jīng)元。另外，iTBS刺激M1下肢代表區(qū)后記錄到的I-波不僅振幅升高，而且同步性明顯增強(qiáng)。因此iTBS的作用可能是由于晚期I-波環(huán)路的突觸傳遞增強(qiáng)和/或?qū)ζべ|(zhì)脊髓細(xì)胞爆發(fā)性輸入的同步增加。

1.3.2 TBS對(duì)谷氨酸受體、γ氨基丁酸(GABA)受體的影響 Huang等[11-12]提出，TBS對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)環(huán)路的后效應(yīng)與谷氨酸受體(Glu-R)、N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDA-R)、α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體(AMPA-R)的活性調(diào)節(jié)有關(guān)，與在LTP和LTD中觀察到的變化類似。LTP和LTD產(chǎn)生的離子機(jī)制為：Glu與NMDA-R結(jié)合，mg2+門控離子通道打開(kāi)，Ga2+內(nèi)流。Ga2+的迅速大幅增加增強(qiáng)了與羧基的結(jié)合能力，而緩慢小幅增加則增強(qiáng)了與氨基的結(jié)合能力。如果Ga2+與羧基結(jié)合，則觸發(fā)鈣-鈣調(diào)蛋白依賴性激酶的激活，繼而使AMPA-R磷酸化，從而增加Na+的通透性，并增加突觸后膜受體的數(shù)量，最終導(dǎo)致LTP。如果Ga2+與氨基結(jié)合，則觸發(fā)磷酸酶途徑的激活，從而去除APMA-R中的磷酸基團(tuán)并降低Na+的通透性，減少突觸后膜受體的數(shù)量，最終導(dǎo)致LTD[13]。Huang等[11]的研究顯示，美金剛(NMDA-R拮抗劑)能夠阻斷cTBS與iTBS的后效應(yīng)，而安慰劑組沒(méi)有顯示出明顯的效果，證明iTBS和cTBS的后效應(yīng)至少部分依賴于NMDA-R活性。還有一種假說(shuō)認(rèn)為TBS的靶標(biāo)不僅在興奮性網(wǎng)絡(luò)，也在抑制性網(wǎng)絡(luò)。有研究者認(rèn)為，TBS的theta節(jié)律可能降低抑制性輸入的作用，并通過(guò)促進(jìn)更強(qiáng)的NMDA-R反應(yīng)來(lái)促進(jìn)LTP[14]。

1.3.3 TBS對(duì)基因表達(dá)和蛋白水平的影響 早有一些研究顯示，rTMS發(fā)揮作用可能的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制是調(diào)節(jié)某些基因的表達(dá)，如腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(BDNF)或c-fos[15-16]。BDNF是神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子家族中分布最廣泛的一種蛋白質(zhì)，參與皮質(zhì)神經(jīng)元的突觸可塑性、神經(jīng)發(fā)生、運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的存活、運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)中的可塑性反應(yīng)，以及某些神經(jīng)精神疾病的發(fā)病機(jī)制。研究觀察到rTMS干預(yù)后血清BNDF濃度升高，且這種升高出現(xiàn)于rTMS刺激結(jié)束后數(shù)分鐘，并不是即刻出現(xiàn)，證明這種BDNF的升高是由rTMS誘導(dǎo)的蛋白表達(dá)引起的，而不是急性釋放[17]。zif268和c-fos都與早期LTP(<1h)的誘導(dǎo)有關(guān)。一項(xiàng)研究分析了iTBS、1Hz與10HzrTMS作用于數(shù)個(gè)皮質(zhì)區(qū)域?qū)Υ笫蟠竽X中zif268和c-fos表達(dá)水平的影響[18]。結(jié)果顯示1Hz與10HzrTMS能夠增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)以及其他皮質(zhì)區(qū)域的c-fos蛋白表達(dá)，但iTBS沒(méi)有這種效應(yīng)。iTBS刺激后幾乎所有皮質(zhì)區(qū)域中的zif268表達(dá)均升高，而10HzrTMS僅在M1和感覺(jué)皮層中有這種效應(yīng)。Mix等[19]發(fā)現(xiàn)iTBS干預(yù)后，嚙齒動(dòng)物的兩種鈣結(jié)合蛋白表達(dá)均降低，表明鈣結(jié)合蛋白的降低可能導(dǎo)致GABA能活性降低，因此促進(jìn)了iTBS后的LTP樣效應(yīng)。

1.3.4 TBS對(duì)皮質(zhì)興奮性的調(diào)節(jié) 以單脈沖TMS誘發(fā)的MEP振幅為指標(biāo)，作用于一側(cè)半球M1的cTBS能夠使對(duì)側(cè)半球M1的MEP振幅升高，而iTBS則產(chǎn)生相反的作用[20]。結(jié)合目前普遍認(rèn)為的半球間競(jìng)爭(zhēng)抑制模型，cTBS降低了刺激側(cè)半球的興奮性，從而使刺激側(cè)半球?qū)Ψ谴碳y(cè)半球的抑制減弱，間接提高了非刺激測(cè)半球的興奮性，iTBS的作用則正好相反[21]。有研究將TBS應(yīng)用于包括Brodmann 5區(qū)(BA5)在內(nèi)的高級(jí)體感區(qū)[22]，發(fā)現(xiàn)cTBS后MEP升高，提示BA5可能對(duì)同側(cè)和對(duì)側(cè)M1的興奮性也有很強(qiáng)的調(diào)節(jié)作用。

2 TBS在腦卒中后運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)中的應(yīng)用

腦卒中發(fā)生后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)處于紊亂狀態(tài)，如何在這種情況下有效地利用突觸可塑性以改善腦功能，是目前研究的熱點(diǎn)。一些研究是基于簡(jiǎn)單的半球間失平衡概念，即患側(cè)半球興奮性降低與健側(cè)半球興奮性增加，同時(shí)健側(cè)半球?qū)紓?cè)半球過(guò)度抑制。但腦損傷后的功能變化十分復(fù)雜，不能用一個(gè)簡(jiǎn)單概念來(lái)概括。替代模型是指未受損腦區(qū)代償受損功能的現(xiàn)象，如受損半球的非初級(jí)運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)可以代償受損皮質(zhì)下行通路的功能控制。Di等[23]提出，高度受損患者的結(jié)構(gòu)保留度較低，這時(shí)替代模型可以更好地解釋損傷后恢復(fù)的機(jī)制；隨著損傷程度的降低，結(jié)構(gòu)保留度增加，這時(shí)雖然不能排除替代模型的效應(yīng)，但半球間失平衡起到了重要作用。NIBS技術(shù)治療腦卒中后運(yùn)動(dòng)障礙的機(jī)制應(yīng)該綜合考慮，得到更全面的解釋。

2.1 iTBS的應(yīng)用 已有較多研究顯示，將iTBS應(yīng)用于腦卒中患者的患側(cè)大腦半球可以提高運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)。一項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)對(duì)慢性皮質(zhì)下卒中患者的患側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層進(jìn)行iTBS治療，與假對(duì)照組相比，iTBS組的上肢功能在治療后1個(gè)月得到明顯改善[24]。Diekhoff等[25]的研究顯示，iTBS應(yīng)用于患側(cè)M1顯著增加了患側(cè)M1的興奮性，同時(shí)觀察到了健側(cè)半球M1興奮性的下降。他們還指出iTBS的個(gè)體敏感性受到患側(cè)半球運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接的個(gè)體間差異的影響。Volz等[26]對(duì)26例發(fā)生缺血性腦卒中2周內(nèi)的患者進(jìn)行了連續(xù)5d的iTBS治療，在對(duì)患側(cè)M1施以iTBS治療后立即進(jìn)行45min以手部運(yùn)功功能為重點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化康復(fù)治療。結(jié)果顯示， 與假對(duì)照組相比iTBS治療后的握力恢復(fù)較基線明顯提高，并且在卒中發(fā)生后3個(gè)月的隨訪中，iTBS組的握力明顯高于對(duì)照組(85% vs. 63%)，同時(shí)iTBS組也表現(xiàn)出更好的運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)連接。作者認(rèn)為，iTBS作用于患側(cè)M1可以有效地預(yù)防卒中后的腦網(wǎng)絡(luò)退化。Di Lazzaro等[27]用MEP作為評(píng)估手段，證明iTBS作用于患側(cè)半球M1手部代表區(qū)以及cTBS作用于健側(cè)半球M1手部代表區(qū)，對(duì)腦卒中急性期患者的患側(cè)運(yùn)動(dòng)皮層均表現(xiàn)出了促進(jìn)作用。

2.2 cTBS的應(yīng)用 Talelli等[28]研究了TBS對(duì)腦卒中后運(yùn)動(dòng)功能康復(fù)的影響，也是首次研究了cTBS對(duì)慢性卒中患者健側(cè)半球的影響。結(jié)果證實(shí)了TBS的安全性，iTBS作用于患側(cè)大腦可以短暫地改善患手的運(yùn)動(dòng)功能，但cTBS沒(méi)有對(duì)患手運(yùn)動(dòng)功能表現(xiàn)出積極效果。作者推測(cè)可能是因?yàn)閏TBS的刺激強(qiáng)度(80%AMT)低于影響經(jīng)胼胝體通路的閾值。在另一項(xiàng)研究中，cTBS作用于健側(cè)M1后，雖然患側(cè)M1興奮性下降，但行為學(xué)指標(biāo)反而惡化[29]。一項(xiàng)對(duì)41例慢性卒中患者的進(jìn)一步對(duì)照研究顯示[30]，cTBS作用于健側(cè)半球，在9HPT，Jebsen手功能測(cè)試等結(jié)果評(píng)估中與對(duì)照組沒(méi)有明顯差異。但也有研究顯示，慢性卒中患者經(jīng)過(guò)一次健側(cè)cTBS治療后，手運(yùn)動(dòng)的靈活性得到改善[31]。有研究者認(rèn)為，在腦卒中運(yùn)動(dòng)障礙的康復(fù)治療中不推薦在健側(cè)半球應(yīng)用cTBS作為治療手段[32]。對(duì)cTBS應(yīng)用于健側(cè)半球治療腦卒中后上肢運(yùn)動(dòng)障礙的研究，從以上這些高異質(zhì)性的結(jié)果難以得出明確的結(jié)論。

3 TBS的局限性

與rTMS相比，TBS的優(yōu)勢(shì)主要在于刺激強(qiáng)度低、脈沖數(shù)少、治療時(shí)間短[33]。但TBS也存在缺點(diǎn)。目前cTBS的作用存在爭(zhēng)議，且研究數(shù)目不足，研究的異質(zhì)性較大，尚不能得出一致的結(jié)論。關(guān)于最佳刺激參數(shù)，目前也沒(méi)有共識(shí)，在一些研究中，研究者改變了TBS方案中的脈沖數(shù)、刺激強(qiáng)度、電流方向等參數(shù)。雖然已有大量研究報(bào)道了iTBS的興奮性作用和對(duì)腦卒中后上肢運(yùn)動(dòng)恢復(fù)的促進(jìn)作用，但仍有一些研究顯示個(gè)體對(duì)iTBS的響應(yīng)存在顯著的差異。Virginia等[34]對(duì)28名健康受試者進(jìn)行了3種興奮性NIBS范式(陽(yáng)極經(jīng)顱直流電刺激(a-tDCS)、成對(duì)關(guān)聯(lián)刺激(PAS25)、iTBS)的研究。結(jié)果顯示，在干預(yù)后即刻、1天后、1周后，各組受試者的運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)和皮質(zhì)興奮性均無(wú)一致的顯著差異。作者分析這種結(jié)果出現(xiàn)的可能原因包括樣本量過(guò)小、研究采用了離線設(shè)計(jì)、測(cè)量指標(biāo)單一等。Virginia等[35]后來(lái)又對(duì)56名健康受試者進(jìn)行了a-tDCS、PAS25、iTBS的研究。結(jié)果顯示只有39%、45%和43%的受試者分別對(duì)PAS25、a-tDCS和iTBS做出了預(yù)期的響應(yīng)。作者認(rèn)為，對(duì)不同NIBS方案均存在高度的個(gè)體間差異，在該研究領(lǐng)域中，解決這種個(gè)體間差異是不可忽視的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。目前已有一些研究者針對(duì)上述這種個(gè)體差異進(jìn)行了研究。研究顯示BDNF單核苷酸多態(tài)性(SNP)Val66Met基因型在情景記憶中有著重要作用。這種BDNF的基因多態(tài)性對(duì)個(gè)體的NIBS差異性響應(yīng)有著重要的意義。Cheeran等[36]研究了BDNF Val66 SNP的影響。在Val/Val純合子的個(gè)體(n=9)中，cTBS后MEP顯著降低，iTBS后MEP顯著升高，而在攜帶1～2個(gè)Met等位基因的個(gè)體中(n=9)則沒(méi)有這種顯著變化。Antal等[37]報(bào)道，iTBS只能在攜帶Val66Val等位基因的受試者中誘導(dǎo)出LTP樣可塑性，而不能在攜帶Val66Met等位基因的受試者中誘導(dǎo)出LTP。但是Mastroeni等[38]研究Val66Met基因型對(duì)cTBS和iTBS個(gè)體響應(yīng)的影響，卻并未發(fā)現(xiàn)BDNF基因型的顯著影響。

雖然TBS在個(gè)體間的響應(yīng)存在相當(dāng)大的差異，但在個(gè)體內(nèi)的變化要小的多。Hinder等[39]對(duì)30名健康受試者進(jìn)行cTBS的干預(yù)，結(jié)果顯示個(gè)體間差異達(dá)到41.4%，而個(gè)體內(nèi)差異為12.6%。許多因素可能導(dǎo)致個(gè)體內(nèi)差異，如激素水平、每次試驗(yàn)在一天中的時(shí)間、研究開(kāi)始前的大腦活動(dòng)水平等。如Clow等[40]報(bào)道，皮質(zhì)醇分泌的晝夜節(jié)律能夠影響cTBS誘發(fā)的神經(jīng)可塑性反應(yīng)，在清晨皮質(zhì)醇水平高峰時(shí)，對(duì)cTBS的響應(yīng)高于一天中的其他時(shí)間。

4 小結(jié)

相比rTMS，TBS有著刺激時(shí)間短、刺激強(qiáng)度低、脈沖數(shù)少等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，是一種極具潛力的NIBS技術(shù)。但TBS的作用機(jī)制目前尚不完全明了，需要更多的研究發(fā)掘其潛在機(jī)制。目前已有的研究顯示TBS的作用機(jī)制主要與興奮性和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)、基因表達(dá)和蛋白水平等相關(guān)。研究結(jié)果支持iTBS能夠促進(jìn)腦卒中后上肢運(yùn)動(dòng)功能的恢復(fù)，并促進(jìn)兩大腦半球的功能重新平衡。而關(guān)于cTBS的作用目前仍存在爭(zhēng)議，已有研究異質(zhì)性較大，且研究數(shù)目不足，沒(méi)有足夠的證據(jù)支持cTBS對(duì)腦卒中后運(yùn)動(dòng)障礙的康復(fù)有效。綜上，TBS對(duì)腦卒中后運(yùn)動(dòng)障礙康復(fù)的機(jī)制需要更多的研究來(lái)驗(yàn)證。與其他NIBS技術(shù)一樣，TBS的作用存在較為明顯的個(gè)體間差異，且原因尚不完全明了，需要更多的研究來(lái)探索。在今后的臨床應(yīng)用和研究中，應(yīng)當(dāng)關(guān)注樣本量計(jì)算的意義和樣本富集的顯著效果，以盡可能減少個(gè)體間差異帶來(lái)的不利影響，提高研究質(zhì)量。