向芳，劉睿旭，靳靜娜，王欣，劉志朋，殷濤，2△

(1.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院 北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程研究所，天津300192；2.中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院神經(jīng)科學(xué)中心, 北京 100730)

1 引 言

腦卒中患者常伴隨運動功能障礙，特別是手部運動功能障礙，嚴重影響其生活質(zhì)量。為了促進其運動功能康復(fù)，臨床上常采用運動訓(xùn)練的方法，如上肢訓(xùn)練、日常生活活動訓(xùn)練等。

研究發(fā)現(xiàn)，腦卒中患者患側(cè)皮層興奮性降低，健側(cè)皮層的興奮性增加，健側(cè)皮層對患側(cè)皮層活動的抑制增加，且與患者肢體運動功能障礙密切相關(guān)[1]。重復(fù)經(jīng)顱磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation, rTMS) 可以通過改變其刺激頻率而達到興奮或抑制大腦活動的目的[2-3]，因此，rTMS被作為一種促進運動訓(xùn)練提高運動能力的手段。由于高頻rTMS存在誘發(fā)癲癇的風(fēng)險，研究中多采用低頻rTMS刺激腦卒中患者健側(cè)運動區(qū)，通過抑制健側(cè)皮層的興奮性，減弱健側(cè)皮層對患側(cè)腦區(qū)興奮性的抑制，增加患側(cè)皮層的興奮性，從而達到改善肢體運動功能的目的。目前，研究者使用了Fugl-Meyer運動評分[4]、Wolf運動功能測試[4]、運動誘發(fā)電位[5]和F-wave[6]等運動行為學(xué)和神經(jīng)興奮性的方法驗證了rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練對運動能力提高的有效性。近年來，研究者開展了利用fMRI[7]、NIRS、腦電[8]等影像方法研究rTMS對腦活動的影響。但rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練的作用機制仍不明確，其對腦皮層電生理活動機制的研究仍然很缺乏。

在腦皮層電生理活動的分析方法中，頭皮腦電是皮層電活動源在頭皮的映射，可間接反映皮層的電生理活動；而溯源腦電是通過溯源的方式將頭皮腦電直接定位到皮層腦活動源，可直觀、精確地觀測腦皮層電生理活動的變化，在腦皮層電生理活動分析中具有明顯優(yōu)勢。標(biāo)準(zhǔn)化低分辨率電磁斷層成像[9](standardized low resolution brain electromagnetic tomography, sLoreta)是目前廣泛使用的皮層溯源方法。該方法基于線性原理，在配準(zhǔn)的Talairach腦圖譜下通過計算每個體素的標(biāo)準(zhǔn)化電流密度值，并以MNI(montreal neurological institute，MNI)152坐標(biāo)系(5 mm空間分辨率)的形式展現(xiàn)溯源結(jié)果。sLoreta定位誤差小，可得到精確的溯源結(jié)果，可作為探究rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練對腦皮層電生理活動影響的有效方法。

因此，本研究擬通過皮層溯源來觀察rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練對腦皮層電生理活動的調(diào)控作用。募集健康受試者，將其運動不靈活的非利手類比于腦卒中患者的患側(cè)手，采用sLoreta溯源分析rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練對腦皮層活動的影響，探討其對腦皮層電生理活動的調(diào)控機制，為應(yīng)用于腦卒中患者的運動康復(fù)治療提供一定的幫助和指導(dǎo)。

2 材料和方法

(1)受試者：募集19名健康受試者，年齡(25.5±3.2)。受試者本人及家族無神經(jīng)精神系統(tǒng)疾病病史，核磁共振影像檢查均未發(fā)現(xiàn)顱內(nèi)疾病。根據(jù)愛丁堡利手判定準(zhǔn)則，所有受試者均為右利手。實驗前48 h內(nèi)，受試者均未服用刺激類或興奮類物品，保證良好的精神狀態(tài)。且每位受試者都自愿參加實驗，并簽訂知情同意書。

(2)運動閾值(motor threshold, MT)的測定：利用Micromed多通道生理信號記錄儀記錄右手拇短展肌的肌電信號。利用單脈沖TMS刺激大腦左側(cè)初級運動皮層，觀察肌電采集軟件上記錄的運動誘發(fā)電位，連續(xù)10次刺激中至少5次誘發(fā)的振幅大于50 μV的最小刺激強度即可認為是MT。

(3)實驗過程：掃描每位受試者的頭部核磁圖像，使用BrainSight精密定位導(dǎo)航系統(tǒng)重建每位受試者的三維頭模型。采用Magstim Rapid2磁刺激器，刺激線圈使用70 mm的“8”字線圈，利用精密定位導(dǎo)航系統(tǒng)將TMS刺激線圈的磁場聚焦點與目標(biāo)靶點進行精確定位，確保實驗過程中，刺激位置和方向的一致性、準(zhǔn)確性。

將受試者隨機分為rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練組(10名)和運動訓(xùn)練組(9名)。rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練組利用1 Hz rTMS刺激大腦左側(cè)初級運動皮層，刺激強度為90%MT，刺激時間為20 min，隨后進行1 h左手書寫訓(xùn)練，連續(xù)14 d；運動訓(xùn)練組每天進行1 h左手書寫訓(xùn)練，持續(xù)14 d。分別于實驗開始前后，采集1 min閉目靜息態(tài)腦電信號。

(4)腦電信號記錄及預(yù)處理：采用Neuronscan腦電采集系統(tǒng)和64導(dǎo)EASYCAP帽采集閉目靜息態(tài)的腦電信號，腦電放大器參數(shù)設(shè)置為DC—200 Hz，采樣率為1 000 Hz。

利用Matlab軟件及eeglab工具箱對采集的腦電信號進行預(yù)處理。首先變參考為雙耳乳突，然后將采樣率1 000 Hz腦電信號降為250 Hz，對腦電信號進行0.5～80 Hz的濾波處理，利用50 Hz陷波器去除工頻干擾，采用獨立成分分析對腦電信號其它偽跡進行去除，如眼動偽跡等。最后選取50 s無偽跡的腦電信號，分成25段，每段2 s，每兩段之間沒有重疊，進行下一步的溯源分析。

溯源分析：sLoreta[9-10]能定位頭皮腦電信號在腦皮層的空間位置和在腦皮層的活動變化，皮質(zhì)活動變化由6239個灰質(zhì)體素sLoreta值與相應(yīng)的布羅德曼腦區(qū)(brodmann areas，BA)配置而確定。本研究提取了δ(0.5～3.5 Hz)、θ(4～7.5 Hz)、α(8～12.5 Hz)、β(13～30.5 Hz)、γ(31～80 Hz)五個頻段，將每個頻段腦電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為sLoreta類型。利用sLoreta軟件自帶的統(tǒng)計學(xué)非參數(shù)圖譜(statistical non-parametric mapping,SnPM)分析法統(tǒng)計分析實驗前后腦電頻段活動的差異性變化(P<0.05)[11]。

3 結(jié)果

本研究采用sLoreta溯源分析比較rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練和運動訓(xùn)練前后的皮層電生理活動變化，包括各頻段皮層活動特征以及主要激活皮層區(qū)域，探究了rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練對皮層腦活動的調(diào)控機制。

3.1 運動訓(xùn)練前后各頻段皮層活動特征的變化

圖1為運動訓(xùn)練后相對于運動訓(xùn)練前的各頻段皮層腦活動變化，并采用了6視圖的方式呈現(xiàn)其在空間的具體定位。運動訓(xùn)練后，各頻段皮層活動的強度均表現(xiàn)為增加，主要集中在額葉和頂葉。統(tǒng)計學(xué)結(jié)果進一步顯示了各頻段皮層活動在BA分區(qū)中的定位。其中，δ頻段皮層活動變化位于體感聯(lián)合皮層BA7(頂葉)(n=9,t=9.361,P=0.03)，θ、α、β頻段皮層活動變化溯源位于額極區(qū)BA10和額眶區(qū)BA11(額葉)(n=7,t=8.402,P=0.04；n=9,t=8.964,P=0.01；n=10,t=7.788,P=0.03)、γ頻段皮層活動變化溯源位于皮層BA7、BA10和BA11(n=8，t=7.161,P=0.02)。

3.2 rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練前后各頻段皮層活動特征的變化

圖2為rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練后相對于rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練前的各頻段皮層腦活動變化。從圖中可以看出，低頻段(δ、θ、α)皮層活動強度均表現(xiàn)為增加，高頻段(β、γ)皮層活動強度均表現(xiàn)為降低，呈現(xiàn)出由高頻向低頻逐步偏移的趨勢。然后本研究對rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練前后的各低頻段(δ、θ、α)皮層活動變化做統(tǒng)計學(xué)對比分析，結(jié)果顯示θ頻段皮層活動增加最明顯，表現(xiàn)更廣泛的激活腦區(qū)，且在體感皮層BA2和緣上回BA40(頂葉)具有顯著性差異(n=8,t=3.474,P=0.03)；α頻段皮層活動也在體感聯(lián)合皮層BA7表現(xiàn)出顯著性差異( n=7,t=10.265,P=0.04)，但激活腦區(qū)明顯少于θ頻段；δ頻段皮層活動未表現(xiàn)出顯著性差異(n=10,t=9.209,P=0.26)。進一步對rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練前后的高頻段(β、γ)皮層活動變化做統(tǒng)計學(xué)分析，結(jié)果顯示γ頻段皮層活動下降最明顯，并且在皮層BA7體現(xiàn)出顯著性差異(n=8,t=-8.544,P=0.04)，而β頻段皮層活動雖顯示出大范圍的降低，但并未表現(xiàn)出顯著性差異(n=10，t=-2.590,P=0.55)，更傾向于是頻譜偏移的過渡頻段。

圖1運動訓(xùn)練前后各頻段腦電信號在腦皮層分布的統(tǒng)計差異圖。每個頻段從前后、左右、頂?shù)琢鶄€方向展示腦電信號活動在腦皮層的分布。其中紅色和黃色代表運動訓(xùn)練后腦皮層活動增加。圖中共展示delta、theta、alpha、beta、gamma五個頻段在皮層活動的變化(圖中L：左；R：右；A：前；P：后)

Fig1SnPMofsLoretadifferencesinthedelta,theta,alpha,betaandgammacomparingafterandbeforemotortraining.ImagesdepictingSnPMsseenfromdifferentperspectiveslikeleft,right,anterior,posterior,topandbottom.Redandyellowcolorsindicateincreasedactivity.

圖2rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練前后各頻段腦電信號在腦皮層分布的統(tǒng)計差異圖。每個頻段從前后、左右、頂?shù)琢鶄€方向展示腦電信號活動在腦皮層的分布。其中紅色和黃色代表腦皮層活動增加，藍色代表腦皮層活動降低。圖中共展示delta、theta、alpha、beta、gamma五個頻段在皮層活動的變化(圖中L：左；R：右；A：前；P：后)

Fig2SnPMofsLoretadifferencesinthedelta,theta,alpha,betaandgammacomparingafterandbeforerTMSandmotortraining.ImagesdepictingSnPMsseenfromdifferentperspectiveslikeleft,right,anterior,posterior,topandbottom.Redandyellowcolorsindicateincreasedactivity.Bluecolorsindicatedecreasedactivity

4 討論與結(jié)論

本研究使用1 Hz rTMS刺激優(yōu)勢半球運動區(qū)，抑制優(yōu)勢半球的腦活動，而非優(yōu)勢半球?qū)?yīng)的非利手進行不熟悉的運動訓(xùn)練，以促進非利手運動能力的提高。使用了sloreta腦溯源的方法對頭皮腦電進行了皮層腦區(qū)定位，獲得了皮層活動的變化，探討了14 d rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練對腦皮層活動的影響。

rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練前后靜息態(tài)腦電信號從高頻到低頻皮層活動強度逐漸增加，呈現(xiàn)出由高頻向低頻逐漸偏移的趨勢，且θ頻段表現(xiàn)出更廣泛的激活腦區(qū)。本研究采用的運動訓(xùn)練方式為書寫任務(wù)，書寫是一個復(fù)雜的過程，需要運動區(qū)，視覺區(qū)等多個腦區(qū)參與。Bland and Oddie等人[12]發(fā)現(xiàn)嚙齒動物在感覺信息傳入后在更新運動計劃過程中，θ頻段腦電信號在協(xié)調(diào)感覺與運動腦皮層活動變化發(fā)揮了作用。Caplan等人[13]研究癲癇患者參與虛擬出租車任務(wù)過程中，θ頻段腦電信號可協(xié)調(diào)不同腦皮層處理感覺與運動腦活動變化來提高空間學(xué)習(xí)與感覺運動整合能力。因此，rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練使整個腦皮層的θ頻段皮層活動變化，提示rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練可能通過加強不同腦皮層之間的信息交流來實現(xiàn)其對大腦的調(diào)控作用的。

運動訓(xùn)練后皮層活動顯著性變化的區(qū)域位于頂葉和額葉(見圖1)，而rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練后皮層活動顯著性變化的區(qū)域僅位于頂葉，而在額葉腦區(qū)未發(fā)現(xiàn)顯著性的改變(見圖2)。 已有研究表明，額葉皮層活動變化與大腦對書寫內(nèi)容的認知提取內(nèi)容有關(guān)[14]，頂葉皮層活動變化與書寫運動控制有關(guān)[15-16]。因此，本研究結(jié)果提示rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練相比于運動訓(xùn)練降低了對書寫內(nèi)容認知提取的腦活動，僅需較低的腦活動就可完成復(fù)雜的運動認知功能。

本研究采用sloreta溯源分析技術(shù)，從皮層活動定位的角度探討了rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練對腦活動的影響。研究表明rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練影響了廣泛的腦區(qū)活動，對腦活動的作用與單純的運動訓(xùn)練存在顯著差異，闡明了相比于單純運動訓(xùn)練，rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練對腦活動調(diào)控的特異性。本研究有助于加深對rTMS聯(lián)合運動訓(xùn)練的神經(jīng)活動機制理解，為未來理解其對腦卒中患者運動康復(fù)的作用機制提供有益的幫助。