經(jīng)顱磁刺激、經(jīng)顱電刺激訓練認知注意力的利弊與機制

經(jīng)顱磁刺激 經(jīng)顱電刺激訓練認知注意力的利弊與機制經(jīng)顱磁刺激 經(jīng)顱電刺激訓練認知注意力的利弊與機制 目前 無創(chuàng)性的經(jīng)顱刺激技術由于其在腦部功能研究及治 療方面的有效性 無創(chuàng)性 易操作 價格低廉等優(yōu)勢正在受到 廣泛的關注和深入的研究 經(jīng)顱磁 刺激 transcranial magnetic stimulation TMS 與經(jīng)顱直流電刺激 transcranial direct current stimulation tDCS 就是其中較為典型的兩種 方法 TMS tDCS 作為有效的腦功能調節(jié)技術 具有可逆性改變神經(jīng)電導率的 能力 且不對神經(jīng)組織造成損傷 即具有安全的神經(jīng)調節(jié)能力 注意力障礙雖只是認知障礙的一個方面 但患者若有注意力障礙時 常表 現(xiàn)為注意力渙散 不能將其長時間地保持在某項康復訓練上 因此 注意力障 礙的康復是認知康復的基礎 只有改善注意障礙 記憶 學習 執(zhí)行等其他認 知障礙的康復才能有效進行 使大腦更多地接受外界信息量 避免認知障礙加 重 產(chǎn)生惡性循環(huán) TMS tDCS 兩者各有其優(yōu)勢 但是臨床上如何合理地選擇和有效利用這兩 種方法訓練認知注意力 尚需要對其從各個方面進行了解和考量 1 基本原理 1 1 TMS TMS 刺激裝置包括電容器和感應器兩個主要部分 電容器儲存大 量的電荷 在極短時間內(nèi)放電 使感應器的 感應線圈產(chǎn)生磁場 并在腦內(nèi)產(chǎn)生 反向感生電流 皮層內(nèi)的電 流可以激活大的錐體神經(jīng)元 引起軸突內(nèi)的微觀變 化 并進一 步引起電生理和功能的變化 其最終既可引起短暫腦功能的興奮或 抑制 也可以產(chǎn)生長時程的皮層可塑性改變 TMS 的刺激線圈有多種 大的圓 線圈穿透性較強 但產(chǎn) 生的效應不夠局限 而小型的 8 字線圈空間局限性 較好 例如刺激運動皮層的空間分辨率可以達到 0 5 1 0cm 而它的穿透性 較弱 只能達到腦內(nèi) 3cm 1 TMS 有 3 種主要刺激模式 單脈沖 TMS sTMS 雙脈沖 TMS pTMS 或 double coil TMS 以及重復性 TMS rTMS 3 種刺激模 式分別與不同的生理基礎及腦內(nèi)機制相關 sTMS 產(chǎn)生的弱電流場可以引起皮層 的去極化 pTMS 中第 1 個刺激引起 神經(jīng)元的活化后 可以降低神經(jīng)元對下一 個刺激的反應閾 rTMS 中的慢刺激模式趨向于引起皮層的抑制 快刺激模式 則引起興奮 2 3 由于 TMS 會引起頭痛 頸痛等反應 因此很難設置有效的偽 刺激 sham 對照 4 不過 盡管 TMS 已經(jīng)取得了較好的臨床效果 但是 TMS 在作用精度及對照設置方面仍然存在限制 1 2 tDCS tDCS 是一種非侵入性的 利用恒定 低強度直流 電 1 2 mA 調節(jié)大腦皮層神經(jīng)元活動的技術 tDCS 有兩個不同的電極及其供電電池設備 外加一個控制軟件設置刺激類型的輸出 刺激方式包括 3 種 即陽極刺激 陰 極刺激和偽刺 激 陽極刺激通常能增強刺激部位神經(jīng)元的興奮性 陰極刺激則 降低刺激部位神經(jīng)元的興奮性 偽刺激多是作為一種對照刺激 2 3 神經(jīng)生理 實驗證明 神經(jīng)元通過放電頻率改變對靜態(tài)電場 直流電 起反應 因此當 tDCS 的正極或陽極靠近神經(jīng)元胞體或 樹突時 神經(jīng)元自發(fā)放電增加 而電場 方向顛倒時神經(jīng)元放電減少 與 TMS 結果不同的是 tDCS 影響的只是已經(jīng)處于 活動 狀態(tài)的神經(jīng)元 不會使處于休眠狀態(tài)的神經(jīng)元放電 5 6 另外 tDCS 刺激 足夠時間后停止刺激 此效應會持續(xù)長達 1h tDCS 也不同于其他作用于大腦 和神經(jīng)的傳統(tǒng)電刺激技術 它不會導致神經(jīng)元細胞自發(fā)放電 也不會產(chǎn)生離散 效應 如與傳統(tǒng)刺激 技術相關的肌肉抽搐 2 安全性和操作要領 2 1ITMS 國際經(jīng)顱磁刺激學會 International Society of Tran scranial Magnetic Stimulation ISTS 有關于 TMs 安全性和技術要領的大量 規(guī)范 從總體的調查來看 sTMS 比較安全 rTMS 研究中報道的副反應略多 一過性頭痛是 rTMS 治療最常見的不良反應 一般為暫時的可逆的 不需特殊處 理 癲癇發(fā)作是最嚴重的副反應 當刺激頻率高于 20 Hz 時容易誘發(fā) 故 在選 擇治療患者時需排除具有癲癇 腦電圖出現(xiàn)癲癇波以及正在服用三環(huán)類抗抑郁 劑 氯氮平等能夠降低癲癇閾值藥物的患者 然而 低于 l Hz 的刺激頻率則有 可能改善癲癇發(fā)作 此外 還有可能出現(xiàn)刺激部位 的灼痛 肌肉抽動 不自主 運動等 此外 除了要警惕正常被試發(fā)生驚厥外 還要注意 TMS 對被試或患者 認知和情緒健康的可能影響 孕婦應該慎用 TMS 患有神經(jīng)類疾病如癲癇 由 于手術等原因腦內(nèi)有永久性的夾子或起搏器的患者 則應該慎重使用 TMS 關 于每種類型 sTMS pTMS dTMS 和 rTMS 安全性的詳細調查報告已經(jīng)發(fā)表 最新 的操作指南可以參考一些綜述 7 9 2 2 tDCS Nitsche 等通過 MRI 的 T1 加權成像和彌散加權成像 觀察受試 者在公認的安全模式下 tDCS 刺激 30min 和 1 h 后大腦是否有病變 結果發(fā)現(xiàn) 大腦并沒有出現(xiàn)組織水腫 血腦 屏障失衡 腦組織結構改變等現(xiàn)象 10 另一 項研究也沒有發(fā)現(xiàn) 在刺激后即刻或 1h 后神經(jīng)烯醇化酶的增加 11 因此認為 tDCS 是一種比較安全的經(jīng)顱刺激方式 雖然其標準還沒有完全確定 但一般認 為從低電流開始緩慢增加到預設電流強度 在停止刺激時也需要緩慢減小電流 后去掉電極 可以有效的避免偶爾出現(xiàn)的輕微刺痛 目前尚沒有 tDCS 誘發(fā)癲癇 發(fā)作的報道 公認應用于人的刺激電流應小于 2mA 但多采用 1mA 甚至更小 對于 tDCS 刺激時間目前也沒有嚴格的限制 一般 20min 被認為是最佳刺激時間 如要重復刺激 人們普遍認同間隔至少 48h 3 TMS 對認知注意力的影響 TMS 的生物學效應較為復雜 涉及到對多種神經(jīng)遞質的影響 對局部腦血 流和代謝的影響 以及對早期即刻基因表達的影響等方面 另外 各個實驗中 治療參數(shù)的不同 如刺激頻率 刺激強度和治療部位等差異 也會使磁刺激產(chǎn) 生不同的效應及治療效果 rTMS 能夠改善認知功能已證實其有效 可能的機制 為增加突觸聯(lián)系 促進突觸的可塑性 提高神經(jīng)系統(tǒng)功能 修復網(wǎng)狀結構 12 15 故能夠改善記憶 注意力 執(zhí)行 學習等相關認知功能 皮質內(nèi)抑制及易化用 同一 TMS 刺激線圈以不同的時間間隔行閾上 閾下刺激可顯示易化和抑制的交 互作用 刺激間隔為 1 5 ms 時可觀察到皮質內(nèi)抑制現(xiàn)象 刺激間隔為 7 20 ms 時可觀察到皮質內(nèi)易化現(xiàn)象 成對的脈沖刺激可以同時刺 激不同的腦區(qū) 先條件刺激某一運動區(qū) 短暫間歇后刺激另一運動區(qū) 這樣可以檢測不同腦區(qū) 或兩個半球間的相互聯(lián)系及經(jīng)胼胝體的傳導時間 16 這種成對脈沖刺激技術將 在探明各種神經(jīng) 精神性疾病時半球問 不同腦區(qū)間的病理聯(lián)絡機制的研究中 發(fā)揮重要作用 tDCS 目前主要用于臨床治療 在進行腦功能研究方面尚不能與 TMS 媲美 TMS Fierro 等對正常人應用 TMS 的干預實驗驗證對右后頂葉皮層的 破壞是空間忽略的主要病理機制 17 18 Oliver 等研究發(fā)現(xiàn)對右腦損傷的患者在 左額葉進行 TMS 干預顯著減少了對消率 而對左腦損傷的患者在右側應用 TMS 并沒有顯著改 變對對側空間刺激物的識別 提示右腦損害產(chǎn)生的對消可能與 半球競爭平衡被打破有關 19 宋為群等采用低頻 fTMS 對視覺空間忽略患者健 側頂葉后部進行治療 明顯改善了患者的視覺 空間忽略 考慮與 TMS 對健側頂 葉皮層興奮性抑制 使雙側皮層聯(lián)系重新達到平衡有關 20 tDCS 健康人群 M1 區(qū)陽極 OCS 可以改善其內(nèi)在的學習能力 21 和工作記憶 22 DLPFC 部位的刺激可 能提高分類學習能力 rTMS 對注意力的作用 注意力是指不被其他的內(nèi)部刺激和外部刺激所干擾 而對特異性刺激產(chǎn)生注意的能力 注意的基本特征包括注意廣度 注意維持和 警覺 注意選擇 注意轉移 注意分配等 注意的選擇和分配與執(zhí)行功能密切 相關 劉銳等 23 研究表明低頻 rTMS 治療對精神分裂癥患者的注意和執(zhí)行功能 有改善作用 另外 李斌彬等 24 的研究顯示 20Hz 的磁刺激對健康被試者的注 意定向有提高作用 注意力使人們避開不相關的事物 提高工作效率 而 AD 患者注意力顯著下降 李斌彬等 25 研究健康受試者的注意定向力 發(fā)現(xiàn) 20 Hz 的磁刺激仍有提高作用 Eliasova 等 26 研究發(fā)現(xiàn)高頻 rTMS 10 Hz 刺激 AD 患 者右側額下回可顯著改善注意力和反應速度 李立群等 27 對照研究顯示 20Hz 的 rTMS 刺激左 右 DLPFC AD 患者數(shù)字符號測驗和連線測驗 A 時間均顯著降低 Anderkova 等 28 通過 10 HzrTMS 刺激 AD 患者 IFG 和右顳上回 AD 患者數(shù)字符 號測驗與連線測驗 A 和 B 均得到改善 上述研究表明 rTMS 對于 AD 患者注意力 有較好的治療作用 但是 rTMS 治療 AD 患者注意力的最佳刺激選擇及刺激模式 仍需進一步研究 TMS 作為一種新型非創(chuàng)傷性神經(jīng)刺激技術 具有安全 無創(chuàng) 副作用少等 優(yōu)點 它通過時變磁場作用腦組織并誘發(fā)感應電流 達到興奮或抑制腦組織特 定區(qū)域的目的 Anandan 和 Hotson 29 發(fā)現(xiàn) 10 Hz TMS 刺激運動皮質可增強與運 動相關的外顯性學習 且 TMS 具有易化效應 其認知易化涉及注意力 圖片命 名 視覺工作記憶 暗示性學習等多個任務 目前關于 TMS 改善認知障礙的機 制尚未完全明確 可能與 TMS 能提高神經(jīng)系統(tǒng)興奮性 降低突觸傳導閾值 使 原先不活躍的突觸變?yōu)榛钴S并形成新的神經(jīng)傳導通路 從而提高大腦皮質可塑 性有關 30 rTMS 可通過不同頻率刺激對皮層產(chǎn)生興奮或抑制作用 開辟了臨床 應用的新領域 隨著 TMS 在臨床工作中的廣泛應用 人們對 TMS 的認識也逐 漸深入 未來 TMS 還有精確定位問題需要解決 由于磁場強度和磁場分布受線 圈材料 線圈形狀 線圈制造方式 脈沖電流大小 磁場分布自身特點等因素 的影響 使得 TMS 的精確定位成為急需解決的技術難題 但是在臨床研究和運用中還存在很多問題 主要包括 以下幾個方面 1 rTMS 可以導致頭痛 聽力下降 癲 癇等中樞或者外周神經(jīng)損害的副作用 2 rTMS 的治療效果取決于刺激參數(shù) 刺激部位以及線圈類型等各種因素及它的 治療時間以及療效持續(xù)時間及是否需要進行長期重復治療 3 大多國內(nèi)外的相 關研究樣本量較小 患者個體差異大 治療周期及評價方法不一致 有待整合 及規(guī)范 相信在不久的將來 隨著 rTMS 研究的進一步深人 rTMS 技術將越來 越廣泛和有效的運用臨床 給廣大認知障礙患者帶來福音 4 tDcs 對認知注意力的影響 tDCS 是一種非侵人性 低強度 利用恒 定微電流 1 2mA 調節(jié)大腦皮質 神經(jīng)細胞活動的技術 31 其通過放置在頭皮的兩個電極片 以微弱的 直流電 作用于大腦皮質 改變神經(jīng)細胞膜電位的電 荷分布 產(chǎn)生去極化或超極化現(xiàn)象 從而改變大腦皮質的興奮性 32 起到調控大腦功能的作用 注意力是指個體能 夠忽略其他內(nèi)容或外部環(huán)境 等刺激而集中于特異性刺激 并且對相關刺激信息 進行加工整合的能力 是認知領域中的一項重要功能 現(xiàn)有的證據(jù)表明 tDCS 同樣對注意力具有調節(jié)作用 如右側后頂葉行陽性 tDCS 可提高視聽覺注意任 務評分 33 并改善注意相關的視覺搜索任務能力 34 tDCS 刺激頂葉皮質使注 意能力增加與頂葉參與注 意加工過程這一理論相吻合 因此 tDCS 不僅可以 調控各種認 知能力 還可作為興奮或抑制某特定腦區(qū)活動的工具 通過刺 激 某一腦區(qū) 觀測相應行為的變化 從而了解該腦區(qū)的功能 為 人們了解腦區(qū)與 行為之間的因果關系提供了一個重要的非侵入性手段 最新的研究即利用了 tDCS 調節(jié)大腦活動的特點 通過 調控 DLPFC 的活動來確認 DLPFC 在注意偏向 訓練中的作用 35 目前已有大量學者在解剖學 功能影像學等多個角度對腦網(wǎng)絡結構進行研 究 從而有利于了解注意的解剖定位 該網(wǎng)絡的主要結構包括腦干上行網(wǎng)狀激 活系統(tǒng) 中腦上丘 丘腦后結節(jié) 前扣帶回 后頂葉皮質 posterior parietal cortex PPC 和 DLPFC 36 37 Corbetta 和 Shulmano 38 研究認為 空間注意存 在著更加復雜的額 頂葉網(wǎng)絡結構 包括背側注意網(wǎng)絡 頂內(nèi)溝 額葉 眼區(qū) DLPFC 和腹側注意網(wǎng)絡 顳頂聯(lián)合區(qū) 腹側額 葉皮質 這些均為 tDCS 治療卒 中后注意障礙電極片的位置選擇提供了理論依據(jù) Bolognini 等 39 對 10 名健康 女性實施右側 PPC 的陽極 tDCS 刺激后 所有受試者的視聽覺注意任務 測試時 間均有縮短 左側視聽覺刺激任務測試時間 顯著少于右側 并且根據(jù)刺激任務 的不同 時間也會 產(chǎn)生相應變化 Bolognini 等 40 采用同樣方法對 16 名健康 受試者進行隨機對照試驗 所有患者的 視覺搜索能力均有改善 在視空間定向 方面 右側 PPC 的陽極 tDCS 刺激獲得收益明顯高于左側 以 上結果驗證了 PPC 參與了視聽覺注意的加工過程 尤其是右側 PPC 起主要作用 Kang 等 41 針 對 10 例 PSCI 患者 簡易精神狀態(tài)量表評分 25 分 和 10 名年齡相匹配的健康 受試者進行雙盲 假刺激對照試驗 將卒中患者隨機分為兩組 試驗組進行左 側 DLPFC 的陽極 tDCS 刺激 2mA 20min 對照組僅進行假刺激 將 10 名健康 受試者采用同樣方法分組試驗 所有受試者在 tDCS 刺激前后 均采用計算機輔 助下 GO NO GO 測試以進行注意力檢測 結果顯示 健康受試者無論試驗組或 對照組 G0 NO GO 測試反應準確率和反應時間均無顯著改變 PSCI 患者中 試驗組在 tDCS 刺激 1 h 后 反應準確率明顯提高 反應時間明顯縮短 并且在 3h 后此種后續(xù)效益仍然存在 而假刺激組則無明顯改變 提示左側 DLPFC 的陽 極 tDCS 刺激可以提高 PSCI 患者的注意 力 有研究顯示 多巴胺系統(tǒng)可以參與 tDCS 對皮質的調節(jié)作用 42 而 Aboitiz 等 43 認為 多巴胺系統(tǒng)在目標導向 的行為過程中起重要作用 其中 D1 類多巴胺受體與注意轉移和短時注意加工有 關 D2 類多巴 胺受體與警覺水平有關 并且中等水平多巴胺的緩 慢釋放能促 進背側注意網(wǎng)絡的活動 高水平多巴胺 的緩慢釋放能促進腹側注意網(wǎng)絡的活動 而多巴胺 系統(tǒng)的異?？梢猿霈F(xiàn)注意力分散 動機缺失等表現(xiàn) 因此 從神經(jīng) 生物化學角度解釋 tDCS 調節(jié)注意網(wǎng)絡可能與多巴胺系統(tǒng)有關 在治療注意障礙 方面 tDCS 還有諸多問題尚未確定 如刺激部位 現(xiàn)階段的研究多選擇 DLPFC PPC 作為治療靶點 隨著對注意網(wǎng)絡間相互作用的認識不斷加深 今后 可以考慮是否將多臺 tDCS 用于注意網(wǎng)絡的多個刺激靶點 從而獲得更高的收益 另現(xiàn)有文獻少有對 tDCS 治療后續(xù)效應的觀察 故需要進一步進行 tDCS 的隨訪 觀察研究 近年來 tDCS 作為興起的神經(jīng)調控技術 其研究有了一定 的進展 但其 作用機制和調控作用仍有待進一步的研究 如 tDCS 調控作用的證據(jù)目前并 不一致 尚不能確定其特定的作用 如對各腦區(qū)的調節(jié)作用尚不完全一致 需 要在同一任務下比較不同刺激參數(shù)對結果的影響 從而確定不同障礙的治療方 法 因此在同一任務下 系統(tǒng)地比較不同參數(shù)對行為表現(xiàn)的影響 確定和細化 有效的刺激參數(shù)是將來 tDCS 研究的重要方向之一 tDCS 的療效與大腦的背 景活動狀態(tài)有關 如何更好地將 其與其他調節(jié)大腦背景活動的方法 如行為訓 練等手段 相結 合以提高 tDCS 對認知的調控的能力 也是今后的研究重點 tDCS 對健康受試者的研究結果不能直接應用于患者 且 tDCS 在認知障礙患 者中的作用機制還有待進一步研究 tDCS 應用于臨床改善患者的認知能力的 作用機制還需大樣本 雙盲 追蹤 實驗設計的臨床研究數(shù)據(jù)證實 4 總結 經(jīng)過 20 多年的研究 TMS 和 tDcs 已成為神經(jīng)科學領域的 一種非侵人性的 有效研究和診治工具 TMS 具有的檢測和調 節(jié)大腦皮質活性作用 對中樞神經(jīng) 系統(tǒng)疾病的診斷 評價和監(jiān) 測有重要意義 還可提供疾病病理生理機制方面的 重要信息 而 tDcs 更是一種安全 經(jīng)濟 無痛苦 無侵害性 簡便易行 的技 術 較 ffMS 有廉價的設備支持及有效刺激參數(shù) 且目前 尚未發(fā)現(xiàn)誘發(fā)癲癇發(fā) 作的報道 但其相關研究仍較少 多集中 在臨床治療范圍 但這兩種刺激技術 也存在一定的局限性 即 直接的刺激效果只能達皮層 而一些功能網(wǎng)絡所涉及 到的深部腦區(qū) 如前額葉內(nèi)側 島葉 扣帶回等部位卻不能再進一步觸及 因 此相關研究需要進一步深入 目前 隨著神經(jīng)生理學研究的深入 tDCS 和 TMS 常常和 功能神經(jīng)影像學手段結合起來 成為研究大腦神經(jīng)可塑性和功 能重組 的有力手段 今后還有必要深入探索兩種技術獨特的作 用機制 針對不同疾病 的適宜刺激方式及參數(shù) 為臨床應用提 供理論依據(jù) 而這也有賴于 tDCS 和 TMS 技術本身的深化和完 善 tDCS 和 TMS 技術在神經(jīng)及精神疾病機制研究和治 療方面 有著美好的前景 參考文獻 1 Terao Y Ugawa Y Basic mechanisms ofTMS J J Clin Neurophysiol 2002 19 4 322 343 2 George MS Aston Jones G Noninvasive techniques for probing neurocircuitry and treating illness vagus nerve stimulation VNS transcranial magnetic stimulation TMS and transcranial direct current stimulation tDCS J Neuropsychopharmacology 2010 35 1 301 316 3 Hallett M Transcranial magnetic stimulation and the human brain J Nature 2000 406 6792 147 150 4 Machii K Cohen D Ramos Estebanez C et al Safety of rTMS to non motor 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