不同频率经颅磁刺激对正常和脑缺血大鼠海马记忆能力的影响

栾玉民,胡中

不同频率经颅磁刺激对正常和脑缺血大鼠海马记忆能力的影响

栾玉民,胡中

与近期记忆功能有关的神经结构就是海马环路。大量的研究发现,不同频率的经颅磁刺激对正常和脑缺血大鼠记忆功能的影响是不同,表现为损坏正常大鼠的记忆能力,而改善脑缺血大鼠的记忆能力。

经颅磁刺激;频率;海马;脑缺血;综述

经颅磁刺激技术(TMS)诞生于上世纪80年代,是一种非侵入性的生物刺激技术。TMS能影响神经系统功能。与传统的电刺激技术相比,TM S有许多优势。这使得TMS成为神经功能研究领域一个非常重要的工具。随着TMS技术的发展,其在临床医学中的治疗作用和不良反应越来越受到重视。

1 概述

1996年在马里兰举行有关rTMS的国际研讨会上,国际经颅磁刺激学会统一了rTMS安全使用的指导方针和命名方法,用有规律的重复 TMS(rTMS)代替“快速 TMS”和“快速率TMS”,“快”或者“高频率”的 rTMS通常表示刺激的速率＞1 Hz,“慢”或者“低频率”rTMS表示刺激的速率＜1 Hz,但在不同研究中有不同定义。低频刺激(0.5～5 Hz)的研究较多,较高频率(＞25 Hz)较高强度的刺激对某些疾病的疗效更好,但患者头部不适,诱发癫痫的危险性也增加[1]。低频rTMS(＜1 Hz)减少神经细胞兴奋性,抑制皮质活动;而高频刺激(5～25 Hz)增加细胞兴奋性,增强皮质活动[2]。

TMS作为新的神经电生理技术,可与肌电图诱发电位仪结合评价运动皮质兴奋性和皮质可塑性;关闭特定皮质区的活动,实现大脑局部功能的“虚拟性损毁”;改变大脑局部皮质兴奋性、皮质代谢及脑血流;TMS还影响脑内多种神经递质的调节和氨基酸的代谢[2]。

2 TMS对正常大鼠的影响

2.1 Ca2+相关效应

2.1.1 神经突触的变化 脉冲磁场引起神经突触的变化可能是影响大鼠记忆能力的主要作用机制之一。20 Hz调制脉冲磁场刺激后1 h,大鼠记忆保持能力降低(P＜0.05),刺激后24 h,磁场的影响基本消失;10 Hz调制脉冲磁场刺激后1 h和24 h大鼠记忆保持能力有所增强,但实验组与对照组相比无显著性差异。电镜观察结果显示,降低大鼠记忆能力的调制脉冲磁场

(20 Hz)同时引起神经细胞内钙颗粒增加、突触小泡数量增加、突触后致密物质增厚、树突及星形胶质细胞内水分增加[3]。

2.1.2 神经元凋亡 离体研究中,对实验组神经元施加脉冲磁场(频率15 Hz,平均场强 0.1 mT)辐射,检测神经元的形态学变化、相对存活率和胞浆内游离Ca2+浓度的变化;在体研究中,对实验组大鼠施加与离体研究相同频率和强度的脉冲磁场辐射,检测脑组织形态学的变化,发现脉冲磁场辐射可导致培养的皮质神经元代谢异常、胞浆内游离Ca2+浓度升高及成年大鼠皮质神经元凋亡[4]。

2.1.3 神经递质的变化 Ca2+是偶联细胞膜去极化与神经递质释放或激活酶促反应的第二信使,Ca2+可激活与神经递质合成有关的酪氨酸羟化酶和色氨酸羟化酶,影响乙酰胆碱(Ach)、5-羟色胺(5-HT)、去甲肾上腺素(NE)等神经递质的生物合成,并促使神经元的突触小泡释放神经递质。记忆能力下降的动物脑中NE、5-HT明显增高,ACh降低。在一项随机试验中[5],实验1组刺激6 min,调制频率在10～16.8 Hz之间周期性变化,重复周期2 min;实验2组先采用10 Hz诱导,即α节律波诱导,使大脑处于平静、放松状态,然后采用25 Hz诱导,即β节律波诱导,使大脑在平静状态下的神经元迅速活跃起来,从而起到兴奋大脑皮层活动的作用,总共刺激21 min;实验3组作用时间为11 min,整体上是先用β节律波诱导,然后α节律波诱导,即先兴奋再平静的过程;实验4组接受无高频载波脉冲的低频脉冲磁场刺激,磁场频率变化规律同实验2组。结果显示,4种脉冲磁场刺激均能导致大鼠海马NE、多巴胺(DA)及5-HT含量增加,ACh含量减少,降低大鼠的记忆能力。其中实验2、3、4组与对照组对比有显著性差异(P＜0.05);实验1组影响不显著可能与作用时间短有关。

2.2 钠离子 脉冲磁场(15 Hz,0.1 mT)作用于正常大鼠和离体培养胎鼠皮质神经元,发现神经细胞线粒体嵴消失,内质网、高尔基复合体肿胀,细胞死亡,可能与Na+内流形成膜内离子浓度升高有关[6]。20 Hz脉冲磁场作用使Na+内流增加,大量水分子进入细胞内,造成神经元树突及神经胶质细胞内水分增加[7]。

2.3 钾离子 内向整流性钾离子通道(inwardly rectifying K+channel,Kir)在脑水肿的发生中有重要的作用[8]。但有关脉冲磁场对钾离子通道的影响未见报道。

2.4 细胞膜系统 实验中发现,在脉冲磁场作用下,神经元细胞核有明显改变,除凋亡细胞核之外,尚存在一些构型的改变。电镜观察到主要是核膜的变化以及核内出现的膜性包涵体。推测脉冲磁场(15 Hz,0.1 mT)不仅对细胞膜而且对整个细胞的膜系统均产生直接影响,以至使基因转录、DNA合成与修复等一系列生理过程受到影响[9]。

3 TMS对脑缺血大鼠的影响

近年来有报道,TMS可以改善脑卒中患者的治疗结局[10]。

3.1 突触

3.1.1 突触前突触素(Synap tophysin,Syn) Syn正日益成为研究突触可塑性最常用的指标之一。已经证实,无论是rTMS(0.5 Hz,磁场强度为最大输出强度的70%)还是电针(electroacupuncture,EA)均可以增加脑缺血大鼠海马突触素的表达[11]。

3.1.2 突触后致密物质(postsynaptic density,PSD) PSD厚度是中枢突触结构可塑性的重要参数。研究表明,PSD厚度与学习记忆的训练和保持能力密切相关。在缺血状态下,PSD厚度减少。分别运用电针、TMS(0.5 Hz,磁场强度为最大输出强度的70%)或两者结合使用均可明显影响脑缺血大鼠海马CA3区突触的超微结构,增加PSD厚度,提高突触界面曲率和穿孔性突触比率。上述超微结构的改变有利于突触结构和功能的重建,从而可能改善大鼠的学习记忆功能[12]。

3.2 神经递质 TMS(0.5 Hz,磁场强度为最大输出强度的70%,2 T)可以影响脑神经递质水平,使多巴胺水平降低,ACh水平升高[13],从而改善大鼠的学习记忆能力。

3.3 神经干细胞(neural stem cell,NSC) NSC是一种具有自我更新能力,能够分化出神经元、胶质细胞等多种类型神经细胞的特殊细胞。NSC的细胞活动中伴随着离子强度、电信号、磁信号等的改变,电信号、磁信号的改变反过来会影响细胞活动。

rTMS(1 Hz,磁场强度为最大输出强度的60%水平)具有明显增强海马内源性NSC增殖的作用[14]。采用0.5 Hz、磁场强度为1.44 T的脉冲,对离体人胚神经干细胞进行磁刺激处理,M TT比色法结果发现,NSC在干预后24～48 h呈现轻度的促生长增殖作用[15]。

对离体人胚神经干细胞进行磁刺激处理,采用频率 0.5 Hz,脉冲刺激波宽 72 μ s,刺激强度为阈上刺激1.44 T,每天 1次,连续刺激3 d,发现磁刺激在轻度促进细胞增殖的条件下,可诱导神经干细胞向神经元方向分化,有利于神经功能重建[15]。至于rTMS通过何种途径促进脑缺血海马内源性NSC增殖和分化还需进一步深入研究。

3.4 细胞凋亡 注射匹罗卡品建立癫痫模型的大鼠,干预组给予磁场强度0.4 T,刺激时程0.2 ms的低频 TMS(0.5 Hz),对照组给予假性刺激后,结果干预组海马结构损害较对照组明显减轻,低频 TMS可影响海马各区神经肽 Y(NPY)表达,降低海马区神经损害,具有显著的抗痫作用[16]。caspase的激活是细胞凋亡共同通路。磁辐射组大鼠海马CA1区caspase-3阳性细胞数少于对照组(P＜0.05),显示经颅脉冲磁场(10 Hz,20 mT)对全脑缺血再灌注的保护作用可能与其减轻神经细胞的凋亡有关[17-18],但此结果与以往的实验相悖[9]。目前对脉冲磁场抑制凋亡的机制尚未完全明了。

3.5 交互性半球间抑制(reciprocal interhemispheric inhibition,rlHI) 两侧大脑半球通过rIHI达到并维持功能相互匹配和平衡状态。单侧半球病变会引发这种平衡的破坏,导致健侧半球相关功能释放。缺血性脑卒中发生后,患侧半球受损,加上来自健侧半球向患侧的rIHI得到加强,这可能成为其运动功能障碍加重的重要原因。rTMS可以改变皮质兴奋性。作用于非病变侧大脑半球的低频rTMS(1 Hz)通过有效降低非病变侧大脑半球经胼胝体对病变侧半球的抑制作用,暴露病变周边皮质功能业已存在的神经网络,引起皮质重组,产生运动功能恢复的效果[19-20];对于患侧大脑半球的高频rTMS(3 Hz或10 Hz),则通过直接提高其皮质脊髓束兴奋性和间接增加其对非病变侧皮层的抑制作用,改善瘫痪肢体的运动功能[21-22]。但是哪种治疗效果更好还没有结论。

此外,TMS(0.5 Hz,磁场强度为最大输出强度的70%,30个脉冲)治疗能促进局灶脑梗死大鼠未受损侧感觉运动皮层锥体细胞树突的生长,并能使树突棘突密度增加,使突触联系增多,进而促进功能恢复,促进健脑的代偿作用[23]。此研究结果是否与半球间交互性抑制理论产生冲突?健侧功能增强是否不利于患侧功能的恢复?尚有待探讨。

3.6 鼠磷酸化环腺苷酸反应元件结合蛋白(p-CREB) 神经细胞内p-CREB能够激活相关下游基因(神经生长因子、脑源性神经营养因子等)的转录,这些转录表达的蛋白分子在促进神经细胞的存活与修复中起着非常重要的作用。

电针结合rTMS(0.5 Hz,磁场强度为最大输出强度的70%)对局灶性脑缺血大鼠神经行为学的改善作用与其促进缺血侧海马p-CREB的表达密切相关[24]。

神经生长因子(NGF)家族包括NGF、脑源性神经营养因子(BDNF)、神经营养素(NT)-3、N T-4/5和NT-6。这一家族可促进内皮生成因子(EGF)反应性海马及前脑室管膜下区(subventricular zone,SVZ)NSC的存活和分化[25]。脑缺血、缺氧刺激后,BDNF及其受体表达均增加,TMS(1 Hz)能进一步增加脑梗死后BDNF的表达[26]。在 TMS(0.5 Hz,强度为 70%,30个脉冲)1 d、7 d、14 d、21 d组神经行为评分和脑梗死体积均低于对应时程的单纯缺血组(P＜0.05),两者的2 h组之间的神经行为评分及脑梗死体积无显著性差异(P＞0.05);各组缺血半暗带BDNF阳性细胞数均增高,TMS组的BDNF阳性细胞数高于对应时程的单纯缺血组(P＜0.05)[27]。研究发现,大脑中动脉阻塞/再灌注(MCAO/R)模型大鼠于脑梗死后12～24 h时间窗内开始 TMS(0.5 Hz,磁场强度为最大输出强度的70%,约1.33 T)治疗可显著提高脑梗死灶BDNF及Bcl-2表达水平,从而抑制神经元凋亡,挽救缺血半暗带区濒死细胞,有助于促进神经功能恢复及改善脑梗死预后[28]。对MCAO造模后大鼠给予TMS(1 Hz,200脉冲,强度75%)和12 h后重复刺激,刺激后6 h、12 h、24 h测得大鼠梗死灶周围皮层BDNF免疫阳性细胞明显增多,脑梗死体积显著小于假刺激组[29]。而Müller等研究发现,对大鼠额区进行长期TMS(20 Hz,4 T,130%的大鼠运动阈值),在海马可观察到BDNF和胆囊收缩素(cholecystokinin,CCK)表达增加[30]。

3.7 脑部微循环 rTMS(0.75 T,强度80%,1000脉冲)预处理可增加脑缺血耐受[31]。频率为25 Hz和50 Hz的rTMS预处理均可增加脑缺血耐受。频率为25 Hz,128 s,脉冲为3200的刺激比频率为50 Hz,64 s,脉冲为3200或128 s,脉冲为6400的刺激效果更好[32]。但rTMS引起脑缺血耐受的机制还有待于进一步研究探讨。

rTMS(10 Hz、20 mT)可以减轻脑缺血再灌注后海马神经元的损伤及凋亡,对脑缺血再灌注损伤有保护作用[33]。给予rTMS 20 Hz刺激组缺血再灌注后运动阈值和神经功能缺损评分的增高程度显著低于不刺激组,并且梗死体积也显著小于不刺激组。以此认为rTMS能有助于脑缺血后神经功能恢复[34]。

4 总结

4.1 在体试验 对正常大鼠的影响:15、16.8、20、25 Hz的脉冲磁场可从Ca2+(神经突触、神经元凋亡、神经递质)、Na+及整个膜系统方面损坏正常大鼠的记忆能力。而10 Hz出现增强大鼠的记忆能力,但没有统计学意义。

对脑缺血大鼠的影响:①0.5、1 Hz的脉冲磁场可从神经突触、神经元凋亡、神经递质方面改善脑缺血大鼠的记忆能力,而10 Hz出现抑制神经细胞的凋亡;②0.5、1 Hz脉冲磁场通过促进NSC增殖和分化方面改善脑缺血大鼠的记忆能力;③交互性抑制中,1 Hz抑制健脑神经元的兴奋性,3或10 Hz增强患脑神经元的兴奋性,那么0.5 Hz健脑代偿作用会不会影响患脑功能的恢复?④0.5、1 Hz促进p-CREB及NGF家族的分泌,20 Hz也出现了这种现象;⑤25、50 Hz预处理增强脑缺血耐受,10、20 Hz降低再灌注损伤。

4.2 离体试验 ①对正常大鼠的影响:15、16.8、25 Hz的脉冲磁场可从Ca2+(神经元凋亡、神经递质)、Na+方面损坏正常大鼠的记忆能力;②对脑缺血大鼠的影响:0.5 Hz脉冲磁刺激在轻度促进离体神经干细胞增殖的条件下,可诱导神经干细胞向神经元方向分化,有利于神经功能重建。

5 提出的问题

脉冲磁场的生物学效应是复杂的,它不仅与磁场的性质(波形、作用时间、频率和强度等)有关,而且与被作用机体的生理状态以及作用部位密切相关,进一步的作用机制有待慎密而系统的生物磁效应研究。目前存在的问题主要有:①关于脉冲磁场高频、低频界限还未形成统一的认识;②一面是对正常大鼠学习记忆功能的损害作用,另一面却是对脑缺血大鼠学习记忆功能的保护作用;③对脑代谢及脑血流量的影响、脑组织的病理生理改变等诸多方面作用机制仍不清楚;④rTMS安全性以及潜在性危害已经在许多实验中提及;⑤如何选择合适的参数(如刺激频率、强度和时间)才能对脑梗死后功能恢复发挥最佳的治疗效果;⑥不同时间窗TMS对脑梗死治疗效果的确定。

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Effects of Different Frequency Transcranial Magnetic Stimulation on Memory Ability Associated with Hippocampus in Rats(review)

LUAN Yu-min,HU Zhong.Department of Rehabilitation,the 1st Af filiated Hospital of Kunming Medical Unversity,Kunming 650032,Yunnan,China

Hippocampus circuit loop is a neuromechanism about recent memory ability.Many researches have reported the effects of different frequency transcranial magnetic stimulation are different on memory ability associated with hippopotamus in rats,which seems to be damaging in healthy rats,but protective in rats with cerebral ischemia.

transcranial magnetic stimulation;frequency;hippocampus;cerebral ischemia;review

[本文著录格式]栾玉民,胡中.不同频率经颅磁刺激对正常和脑缺血大鼠海马记忆能力的影响[J].中国康复理论与实践,2011,17(1):48—50.

昆明医学院第一附属医院康复理疗科,云南昆明市650032。作者简介:栾玉民(1982-),男,山东淄博市人,研究生,医师,主要研究方向:康复医学与理疗学。通讯作者:胡中。

R454.1

A

1006-9771(2011)01-0048-03

2010-08-09

2010-12-17)

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