经颅磁刺激与神经调控
徐桂芝1,2，付 蕊1,2，朱海军1,2，赵东帅1,2，丁 冲1,2*
(1河北工业大学，省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，天津 300130；
2河北工业大学，河北省电磁场与电器可靠性重点实验室，天津 300130)
摘要：近年来，人们已经认识到脑科学研究的重要性，而无创式脑神经刺激和调节技术已是脑科学领域一个常用的技术手段和工具，经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)作为无创脑刺激最常用的技术，更是在治疗神经性疾病和脑科学研究中展示出了非常有潜力的应用价值。本文简单介绍了经颅磁刺激以及利用此项技术进行的临床和生理研究。
关键词：经颅磁刺激；神经调控；神经退行性疾病；突触可塑性；脑源性神经营养因子
Transcranial magnetic stimulation and neuroregulation
XU Guizhi1,2, FU Rui1,2, ZHU Haijun1,2, ZHAO Dongshuai1,2, DING Chong1,2*
(1State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China; 2Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability of
Hebei Province, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)
收稿日期：2019-08-06
基金项目：国家自然科学基金项目(51737003，51677053，51507046)；河北省博士后科研项目择优资助项目(B2015003013) 第一作者：E-mail: gzxu@hebut.edu.cn
*通信作者：E-mail: dingchong@hebut.edu.cn
《生命的化学》2019年39卷5期
生物磁科学专题
Abstract: In recent years, people have realized the importance of brain science research, and non-invasive brain nerve stimulation and regulation technology had become a common technical means and tools in the field of brain science. Transcranial magnetic stimulation, as the most commonly used technology of non- invasive brain stimulation, has shown great potential application value in the treatment of neurological and brain science research. This paper briefly introduces transcranial magnetic stimulation and its application in clinical and physiological studies.
Key Words: transcranial magnetic stimulation; neuroregulation; neurodegenerative diseases; synaptic plasticity; BDNF
随着科学技术的日益发展与进步，人们的日常生活越来越离不开电子设备，而电子设备的存在使得我们常常暴露在电磁场的环境中。因此随之而来的电磁场的生物效应便成了我们不能忽视的问题。电磁场的生物效应是生物医学工程应用的重要分支，这些效应可为临床医学诊断、治疗提供新的思路和方法。近年来，随着脑科学的发展，电磁场的生物效应在脑科学研究中受到了越来越多的重视，利用电磁场刺激脑神经跟传统药学方法相比具有损伤小、非侵入性等优点。不同参数的电磁场刺激可以在脑神经中产生不同的生物学效应，进而达到干预调控神经活动的作用。
据估计，目前在中国的13亿人口之中，约有五分之一患有慢性精神疾病或者神经衰退性疾病[1]。中国脑计划旨在研究致病机制，并为发展性(例如自闭症和智力迟钝)、神经精神性(例如抑郁症和成瘾症)和神经退行性[如阿尔兹海默病(Alzheimer’s disease, AD)和帕金森病(Parkinson’s disease, PD)]等
脑科疾病开发出有效的诊断和治疗方法[1]。
过去的几年中，各国科学家们都意识到了对大脑进行研究的重要性，例如欧洲、美国和日本都启动了对大脑进行研究的项目。中国科学家在由中国科学技术部和自然科学基金会组织举办的许多战略会议上进行了讨论。此外，中国也投入了资源和研究，以满足迫切的社会需求。由脑疾病造成的社会压力逐渐上升，所以现在迫切需要一种预防、诊断和治疗脑疾病的新方法。
神经系统疾病种类多，发病原因复杂，多年来一直是困扰人类的大难题。其中，帕金森病、癫痫、阿尔兹海默病等仍然没有非常有效的治愈手段。针对以上神经系统疾病所进行的脑调控技术多种多样，包括光感基因、经颅磁刺激(transcranial
magnetic stimulation, TMS)、经颅直流电刺激、深部脑刺激等。光感基因技术刺激精度高，从而对基因技术的要求太高。近年来，无创脑刺激用于认知神经科学、神经生理学、精神病学等的治疗越来越引起关注[2]。与手术及深部脑刺激相比，无创脑刺激具有无痛、无创、操作简便、安全可靠等优点，迅速受到广大医学工作者的密切关注。经颅磁刺激作为无创脑刺激最常用的技术，在治疗神经性疾病中展示出了巨大的潜力[3]。
目前，无创式脑神经刺激和调节技术不仅是脑科学领域一个常用的技术手段和工具，而且它也可以通过刺激大脑相关区域，调节大脑神经元放电活动来干预和治疗某些神经系统疾病。无创式脑神经刺激和调节技术最突出的优点在于它以非侵入的方式刺激和调节脑功能，无需手术，也不需要在体内植入刺激装置。因此，神经调控可以在患者完全觉醒的情况下，以无痛、无损和无创的方式刺激大脑组织，人体不适感很小。这种刺激如同一种虚拟性损伤，是暂时的、可逆的。它的安全性好、副作用小、并发症少，同时操作简单、刺激位置可变。这些优势使得该技术特别适合在临床上治疗和诊断神经精神疾病以及研究脑生理和脑功能。
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TMS是一项利用时变磁场刺激大脑皮层产生感应电流，改变皮层神经细胞的动作电位，从而影响脑内代谢和神经电活动的物理刺激技术。TMS具有调节神经功能，改善神经系统疾病症状的作用。现在学者普遍认为，大脑中海马体与大脑的认知功能关系十分密切。观察结果显示， TMS能够促进健康人群的认知过程同时能够增强
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皮层海马网络的连接性[4-5]。Pashut等[6]结合记录大脑切片的膜片钳装置，应用急性脑切片来记录皮质神经元的反应。在磁场刺激下，轴突的初始部分产生了动作电位，且中间神经元和锥体神经元对磁刺激的反应不同。TMS通过电磁场诱导激活大脑皮层区域神经细胞的电流，进而影响与海马体活动相关的学习能力以及形成新记忆的能力[7]。
1985年，Barker等[8]首先用TMS引出运动诱发电位(motor evoked potential, MEP)，宣告TMS诞生。TMS是电刺激的改良衍生物，是一项发展潜力无穷的神经电生理技术。1987年，Amassian等[9] 用实验证明了不同方向放置的磁刺激线圈对大脑皮层的作用引起了不同的手指活动。1993年，Hoflide 等[10]报道了应用TMS治疗抑郁患者的研究，实验结果表明，经颅磁刺激对治疗抑郁症有明显效果。
目前，TMS设备主要有三种刺激模式：单脉冲磁刺激、双脉冲磁刺激和重复性磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation, rTMS)。2012年， Ramirez等[11]在《Nature》上发表了自己的研究成果，实验结果表明，TMS有助于海马神经元记忆功能的恢复。2015年，Ku等[12]利用单脉冲磁刺激大脑感觉皮层与侧后顶叶皮质，发现单脉冲磁刺激能在一定程度上干预大脑的认知功能。rTMS的出现更广泛地扩大了磁刺激的应用范围，它能够通过不同的频率刺激使大脑皮层产生兴奋或抑制，从而影响或改变大脑某些皮质区的功能，特别是在某些精神疾病病灶的定位和治疗方面显示出了独特的技术使用和研究的价值[13]。2005年， Edwards等[14]研究发现，合理改变rTMS刺激时间和间歇时间可以使其在短时间、低强度下改变大脑皮层神经元的兴奋性，这大大提高了TMS的临床治疗效果。2007年，Joo等[15]研究发现，长时间低频rTMS刺激能减轻癫痫患者的症状。2008年，美国食品和药物管理局(Food and Drug Administration, FDA)批准将每日前额经颅磁刺激作为重度抑郁症患者的治疗手段[16]。Joshua等[17]的研究曾表明，有氧运动与rTMS相结合可改善脑功能。目前，国内外学者对经颅磁刺激在神经与精神性疾病的治疗方面进行了大量研究并取得了显著的成果。利用
脉冲磁场刺激大脑皮层的方法已被视作新一代的疾病检测和治疗方法。TMS技术已被广泛用于临床神经生理学、神经修复、手术过程监测等领域。
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阿尔兹海默病(AD)所引起的认知功能障碍和判断能力减退都会严重影响患者的生活质量。目前已有不少人员将经颅磁刺激用于该病的临床治疗中[18-19]。研究表明，高频rTMS能够改善阿尔兹海默患者的临床症状，且可以改善AD患者认知功能障碍[18,20-22]。患者在经高频rTMS治疗后认知检测评分明显升高，记忆缺失改善。但也有研究表明， 除了高频rTMS外，低频rTMS也可以改善患者认知评分，只是没有高频rTMS效果显著[21]。综上，低频和高频rTMS均可改善AD患者认知功能。但相对于低频来讲，高频经颅磁刺激的疗效更加显著。
帕金森病(PD)的主要临床表现主要为运动受损，并且伴有认知功能损害，是中老年人常见的神经疾病[23]。认知功能障碍则是其常见的并发症[24]。TMS被认为是目前治疗PD的一种有潜力的方法[23]。Pascusl等[25]将TMS首次应用于PD病的治疗，证明了TMS临床疗效，引领了治疗PD的新思路。多数报道认为，高频rTMS对PD的临床治疗比较显著[25-27]。但也有报道称，低频rTMS可以改善PD患者的症状，显著恢复认知功能[28]。陈静等[23]认为，低频和高频rTMS均能改善PD伴随的运动受损和认知障碍，但高频对认知功能损害疗效较好。
调控
突触可塑性是学习和记忆的神经机制的关键组成部分[29]。海马体参与学习和记忆，并表现出不同形式的突触可塑性，长时程增强(long-term potentia- tion, LTP)和长时程抑制(long-term depression, LTD)。它们的表达与突触前/突触后的变化有关[30]。几项体外研究表明，高频rTMS可诱导LTP[31-32]。众所周知，脑源性神经营养因子(brain derived neurotrophic factor, BDNF)对神经元的生长、存活、分化和再生[33]
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生物磁科学专题
以及突触可塑性[34]都很重要。N-甲基-D-天门冬氨酸受体属于谷氨酸受体亚基(N-methyl-D-aspartate receptor subtype 2B, NR2B)，对LTP和LTD至关重要，它决定突触后的变化[35-36]。突触素(synapto- physin, SYP)是一种突触前囊泡蛋白，是突触前的一种标记蛋白，它影响神经递质的释放[36]。NR2B的表达与学习和记忆功能密切相关。突触前、突触后活动强度的调节与SYP和NR2B的变化密切相关。
为了研究经颅磁刺激是否对认知功能有影响，有研究者使用成年雄性Wistar大鼠，施加5 Hz、120%运动阈值的刺激，结果显示，rTMS可以上调Wistar大鼠海马神经元中BDNF、突触后蛋白NR2B和突触前蛋白SYP的表达；在行为学实验和电生理实验中，刺激组空间学习和记忆能力明显升高；fEPSP斜率明显上升[37]。由此我们不难看出，rTMS可以显著增强突触可塑性和空间认知能力。为了研究经颅磁刺激对于老化模型鼠的影响，以确定其是否能改善由老化带来的认知和记忆障碍。有研究者利用15月龄的雄性昆明小鼠构造老化模型，以3月龄青年组作为对照组；研究经颅磁刺激对改善老龄相关认知障碍的影响，对老年组分别施加5 Hz和25 Hz高频rTMS刺激，结果显示，SYN表达水平在刺激组中显著升高，而BDNF 水平只在5 Hz组有显著升高；老龄组对比青年组认知指数、空间学习和记忆能力明显降低，经磁刺激后，认知指数明显上升、学习记忆明显改善[38]。此外，有研究者利用15月龄老年昆明小鼠，施加5 Hz磁刺激研究rTMS对老龄小鼠突触可塑性相关基因的影响，结果显示，刺激组Junb(jun B proto- oncogene)(抑制基质金属蛋白酶功能，在神经元存活过程中起重要作用)、Nr4a1(nuclear receptor sub- family 4, group A, member 1)(参与记忆形成的过程)、谷氨酸受体结合蛋白1(glutamate receptor interacting protein 1, Grip1)(参与调节兴奋性突触的活性)、钙/钙调蛋白依赖蛋白激酶(CaM激酶)IIγ (calcium/calmodulin-dependent protein kinase (CaM kinase) II gamma, Camk2g)(参与LTP的诱导)基因表
达水平均有明显上调；且显示出了更强的空间学习能力[39]。由此，我们可以看出，rTMS可以调整
老龄模型鼠的一些基因和蛋白表达水平、以及大脑某些神经元的电活动，从而改善由于老龄化而带来的一些认知和记忆障碍。
国内外大量学者利用手术建造不同模型鼠， 研究了TMS是否能够改善因为脑缺血以及脑梗死等脑疾病带来的后遗症。有研究者利用左大脑中动脉闭塞建立脑梗死模型大鼠，得到rTMS对脑梗塞具有治疗作用，同时表达这种治疗作用可能与TMS促进脑梗塞大鼠BDNF表达的能力有关的结论[40]。有人对大鼠进行大脑中动脉闭塞手术以制造大脑缺血模型，然后给予20 Hz的rTMS刺激，结果表明，高频rTMS可能通过增强神经发生和激活BDNF/TrkB(tyrosine kinase receptor B)信号通路来改善功能[41]。同样，也有人通过同样的模型模拟脑卒中后脑缺血造成的认知功能障碍，而且得到了相同的结论，只不过刺激参数为10 Hz、120%运动阈值，300脉冲/天[42]。对于其他疾病，国内外学者也进行了大量的研究。Kalina等[43]使用C57小鼠构造视觉皮层异常模型，随后使用低强度rTMS刺激小鼠，结果显示，低强度rTMS可以改善小鼠视皮层异常并且上调BDNF的表达。有研究者采用双侧颈动脉闭塞建立大鼠主动脉瓣模型，模拟血管性痴呆大鼠，施加5 Hz rTMS刺激，结果显示，在刺激后，大鼠空间认知明显改善，LTP明显上升，而在蛋白表达方面，BDNF和NR2B表达明显上调[44]。综上，我们可以看出通过一定强度和频率的rTMS， 可以改善一些脑疾病带来的认知障碍后遗症，其认知改善可能是由于TMS可以改变大脑中BDNF的表达水平。
经调节的研究
rTMS同样对抑郁和其他一些伴有认知功能障碍的疾病有治疗效果。有研究结果显示，高频慢性rTMS可以有效缓解慢性应激抑郁模型大鼠的抑郁行为，上调BDNF表达水平等，且这种抗抑郁作用有持久的效果[45]。对于产前应激造成子代认知损伤，研究者使用30天雄性Wistar大鼠，构造产前应激(prenatal stress, PNS)造成子代认知损伤的模型，刺激组刺激参数为5 Hz、120%运动阈值，一
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共14天，400脉冲/天；结果显示，rTMS组对比PNS组，BDNF、TrkB信号通路改善和NR2B表达显著升高；水迷宫实验则证实了rTMS组别明显改善了应激子代大鼠受损的空间学习与记忆能力； 而在电生理实验中，rTMS组LTP显著增加，说明rTMS能够恢复突触可塑性的损伤[46]。近年来，全球对于太空的探索日益增加，越来越多的国家把航天员送入太空，太空失重环境对于航天员还是有一定影响的，可能出现因前庭和感觉运动功能改变而产生的运动病和空间定向障碍。那么到底该如何改善这种影响、是否有办法可以预防这种影响呢？有不少研究者想知道TMS既然能改善老龄和一些精神疾病带来的认知功能障碍，那么对这种失重环境带来的影响有没有改善？有研究者使用成年雄性C57BL/6J小鼠，构造啮齿动物尾吊模型(rodent hindlimb unloading model, HU)，模拟微重力效应，在rTMS后NR2B、BDNF和TrkB表达水平显著升高，而在新物体识别中，小鼠对新物体探索时间百分比明显增加，观察突触结构和随后的电生理实验中显示，小鼠LTP水平显著升高且海马DG区颗粒细胞树突棘密度显著升高。由此表明，rTMS可以改善尾吊小鼠认知能力的损伤[47]。其他研究也通过相同的模型，提前给予rTMS，证明了rTMS还可以预防尾吊实验造成的损伤[48]。综上，我们不难看出，TMS可以明显改善抑郁、产前应激以及尾吊实验造成的认知障碍、上调BDNF 表达水平、恢复突触可塑性的损伤。
研究
对于TMS的研究当然不仅仅局限于模型鼠的研究，也有部分学者聚焦在临床实验，探究TMS 是否有改善疼痛、是否可以完成术后康复的作用。Dall’Agnol等[49]对于慢性肌筋膜疼痛综合征做了如下临床试验，将24名19~65岁患有慢性肌筋膜疼痛综合征的女性分为两组，一组为假刺激对照组，一组为rTMS刺激组，刺激频率为10 Hz。经刺激后，患者疼痛评分明显降低，且BDNF表达明显上调。所以，他们推测，rTMS对慢性肌筋膜疼痛综合征的镇痛作用可能是通过BDNF分泌调节增强皮质脊髓抑制系统形成的。Niimi等[50]对中风后上肢偏瘫患者进行了研究， 62 例患者接受康复加
rTMS联合治疗，刺激频率为1 Hz，刺激进行14 天；联合康复后，运动功能有所改善，血清中BDNF含量增加。由此可见，TMS对于一些临床疾病以及术后康复，有着不错的治疗效果，虽然其治疗机理尚不明确，但是对于BDNF表达的作用是显著的。
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目前，TMS对于神经调控的作用已被认可。在基础研究中，通过不同模型的构造，TMS已被证实可以改善老龄、神经疾病、脑手术术后甚至是失重带来的认知障碍，且对于恢复突触可塑性的损伤有明显效果。在临床试验中，它已被证明可以通过大脑两侧半球的协调竞争机制，利用不同频率刺激来治疗精神疾病、进行脑手术术后康复等。在体外和体内实验中都证实了TMS可以通过调节某些物质的表达水平来增强突触可塑性， 可以改善认知水平缺陷，提高学习记忆。但是目前对其改善认知水平的机理研究仍在进行中，没有一个统一的结论。大多数人认为，其可以通过调节BDNF表达、调节BDNF/TrkB信号通路来调节突触可塑性，从而影响个体的认知水平，而调节突触可塑性可以作用于某些电生理指标的变化。所以大量研究者也是通过构造不同模型来研究各类问题，结合膜片钳等电生理技术、Western blot 等蛋白检测技术，还有行为学实验来研究TMS作用于神经调节的机理。
参 考 文 献
- Poo MM, Du JL, Ip N, et al. China brain project: basic neuroscience, brain diseases, and brain-inspired
Neuron, 2016, 92(3): 591-596
- 翁春晓, 范肖冬, 侯冰. 经颅刺激对脑功能的调节作用. 生物医学工程与临床, 2015, 19(2): 196-200
- 刘盼, 刘世文. 经颅直流电刺激的研究及应用. 中国组织工程研究, 2011, 15(39): 7379-7383
- Bruce L, Mcclintock SM, Lisanby SH. Applications of transcranial magnetic stimulation and magnetic seizure therapy in the study and treatment of disorders related to cerebral aging. Dialogues Clin Neurosci, 2013, 15(1): 87-98
- Wang JX, Rogers LM, Gross EZ, et al. Targeted enhance- ment of cortical-hippocampal brain networks and asso- ciative memory. Science, 2014, 345(6200):1054-1057
