单侧下肢电刺激对正常人大脑皮质影响的功能磁共振成像研究①

李霞，徐守宇，解光尧

单侧下肢电刺激对正常人大脑皮质影响的功能磁共振成像研究①

李霞，徐守宇，解光尧

目的探讨单侧电刺激肢体运动对中枢神经系统的影响。方法8名健康男性右利腿志愿者，电刺激诱导右踝背屈运动，同时进行功能磁共振成像扫描。结果电刺激右踝背屈运动主要激活双侧的初级躯体运动区、双侧初级躯体感觉区、双侧次级躯体感觉区、双侧扣带回、同侧运动前区、对侧运动辅助区。结论单侧肢体电刺激引起的双侧大脑皮质的变化。

电刺激；单侧下肢；功能磁共振成像；脑功能

[本文著录格式]李霞，徐守宇，解光尧.单侧下肢电刺激对正常人大脑皮质影响的功能磁共振成像研究[J].中国康复理论与实践,2015,21(3):249-251.

CITED AS:Li X,Xu SY,Xie GY.Effects of unilateral electrical stimulation of lower limbs on cerebral cortex:a study with functional magnetic resonance imaging in health men[J].Zhongguo Kangfu Lilun Yu Shijian,2015,21(3):249-251.

肌肉电刺激是促进肌肉力量增长和功能康复的有效方法[1]。单侧肢体电刺激训练不仅能明显提高训练侧肢体力量，还能提高未受训练侧肢体的肌肉力量[2]。临床研究显示，增加健侧电刺激能明显增强脑卒中患者的肌肉收缩力，提高患肢运动功能，改善日常生活能力[3-4]。本研究通过功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)研究单侧电刺激踝背屈运动时双侧大脑皮质的活化，探讨单侧电刺激肢体运动对脑功能的影响，为临床单侧肢体损伤后肌萎缩的康复、脑卒中等病患早期健侧电刺激治疗提供理论支持。

1 资料和方法

1.1 一般资料

健康男性右利足志愿者8名，年龄20～30岁。所有受试者均无神经系统疾病、骨骼肌肉伤病、心脏病史及专业体育训练史；对本研究的目的和要求均能充分理解，受试前无任何不适感，自愿参加本实验。

1.2 测试方法

受试者仰卧，放松、闭目，头部制动，右膝关节保持90°，右踝关节跖屈15°；左腿自然放松。将一对刺激电极分别置于右腿胫骨前肌肌腹上，阴极置于运动点处，阳极距离阴极2 cm。接通Trio300型多功能

电刺激仪(日本ITO伊藤超短波株式会社)，予方波肌肉电刺激，刺激频率50 Hz，脉宽200 μs。逐渐调大刺激强度，使受试者踝背屈至最大耐受强度，且不引起受试者产生疼痛或其他不愉快感觉。

采用组块设计，静息态和刺激态交替。静息态受试者休息，不做任何运动；刺激态予上述电刺激。刺激态和静息态各1 min，重复3次。电刺激运动同时进行fMRI扫描。实验人员及肌肉电刺激仪均在扫描间外，输出电流通过屏蔽线传至两极。

1.3 fMRI扫描及参数

采用GE 1.5 T磁共振扫描系统，标准头线圈。采用梯度回波结合单次激发回波平面成像技术，重复时间3000 ms，回波时间40 ms，视野为24×24 cm，矩阵128×128，层厚6 mm，层距1 mm。

1.4 统计学分析

采用SPM软件进行数据处理。fMRI图像经标准化和空间平滑处理，对符合要求数据进行组分析。显著性水平α=0.05，激活范围阈值10个像素。

2 结果

电刺激右踝关节背屈运动主要激活以下区域：双侧的初级躯体运动区(primary motor cortex,M1)、双侧初级躯体感觉区(primary sensory area,S1)、双侧次级(顶盖)躯体感觉区(secondary somatosensory cortices, SⅡ)和扣带回(cingulate gyrus,GC)；同侧运动前区(premotor area,PMA)，对侧运动辅助区(supplementary motor area,SMA)。见表1、图1。

图1 脑激活区立体图像

表1 脑激活区部位、坐标和激活强度

3 讨论

电刺激是使用特定的脉冲电流，对神经细胞或肌肉细胞刺激，代替人脑发出的神经冲动，诱导肌肉进行有规律的收缩，提高肌肉力量。研究表明，电刺激发展肌力的效果非常明显[5]。电刺激肌肉训练3～8周，可使肌肉力量增加7%～58%，并对骨骼肌结构产生有利的影响[6-8]：肌纤维增粗、肌肉体积和重量增加、肌肉内毛细血管丰富等[9]。

在运动生理学上有训练效果的交叉迁移现象，指单侧肢体运动训练可以产生对侧同源部位力量、功能的同步提高[10]。电刺激引起的肌肉收缩在发展同侧肌肉力量的同时，也能够增长对侧肌肉的力量[5,11]。通过肌肉电刺激训练，对侧肢体力量的增长与主动收缩练习相当，甚至更好。Hortobágyi等对肌肉电刺激收缩和随意收缩的交叉迁移效果进行比较，两组在训练侧和未训练侧肢体都有力量增长；同时，电刺激引起的交叉迁移效果要略优于随意收缩[5]。在临床上，脊髓损伤患者经过长期功能性电刺激，能够引起对侧手同源肌肉的力量增长[12]。骨折、脑卒中等患者，早期不能直接对患侧进行训练，对健侧肢体进行肌肉电刺激，对促进患侧肢体功能恢复有重要意义。

电刺激训练和随意等长收缩训练都能产生交叉迁移效果[2]。交叉迁移现象的核心机制至今没有统一的认识。我们前期研究观察到，单侧主动踝背屈运动引起双侧大脑皮质多个运动相关皮质激活[13]。本研究观察单侧电刺激踝背屈运动，同样出现双侧大脑多个运动及感觉皮质被激活，但与前期研究存在激活区域的差异。说明主动运动和电刺激运动可能通过不同的神经传导通路产生交叉迁移现象。

在其他相关实验中也能观测到双侧皮质的激活。如电刺激正中神经，双侧S1均被激活[14]。电刺激手指可引起对侧S1、SMA和双侧SⅡ激活[15-16]。电刺激诱发腕背屈活动引起对侧M1、S1、SMA，同侧SⅡ激

活[17]。本实验引起双侧M1、S1、SⅡ激活，与其他实验不同，可能在于刺激强度较大(使受试者背屈至最大耐受强度)、刺激部位不同有关。

M1区在功能恢复重建中起着重要作用[18]。其主要功能是执行任务，是运动功能的高级中枢。双侧GC的激活可能是相应的大脑皮质通过胼胝体通路将冲动扩散到对侧的运动皮质。M1和SMA等运动相关区域的激活，说明电刺激引起的本体感觉传入可能直接通过脊髓反射引起梭外肌收缩。中央前回是本体感觉投射中枢[19]，高级中枢运动相关区域的激活可解释为高级中枢对低级反射的调控。双侧S1、SⅡ的激活，使参与踝关节主动运动外反馈的周围本体感受器兴奋，相当于人为激活环路中的感觉性外反馈环节[20]，对可能的运动产生易化作用。另外，同侧S1、SⅡ、PMA的激活，说明参与运动准备、运动执行及本体感受的大脑区域对交叉迁移也有一定的价值。电刺激训练可能是先产生运动本体感觉或皮肤浅感觉，反映到大脑皮质或其他感觉相关区，再反馈给初级运动皮质及相关运动区，从而实现单侧电刺激时产生双侧效应。

研究证实，健康人4周单侧踝跖屈力量训练，在训练侧和未训练侧都观察到力量增长及对侧大脑灰质和白质的变化[21]。脑卒中患者随着肢体运动功能的恢复，激活部位逐渐局限于患侧感觉运动区，且双侧大脑半球的激活体积也相应减少[22]。电刺激治疗有利于脑梗死后运动功能的提高，并有助于脑功能重组[23]。

综上所述，单侧电刺激踝背屈运动激活双侧大脑多个感觉、运动皮质，说明电刺激运动引起的交叉迁移现象可能主要通过感觉-运动网络实现，有助于脑的功能重组，为脑卒中、骨折等早期无法进行患肢运动的患者，通过健侧训练早期介入提供理论支持。

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Effects of Unilateral Electrical Stimulation of Lower Limbs on Cerebral Cortex:A Study with Functional Magnetic Resonance Imaging in Health Men

LI Xia,XU Shou-yu,XIE Guang-yao
Rehabilitation Department,the Third Affiliated Hospital of Zhejiang Chinese Medial University,Hangzhou,Zhejiang 310005,China

Objective To investigate the effect of unilateral electric stimulation of lower limbs movement on central nervous system. Methods 8 right-footed healthy men accepted electrical stimulation to evoke dorsiflexion of the right ankle,while the cerebral cortex activations were observed with functional magnetic resonance imaging.Results For electrical stimulation evoked contraction task,the significant activations were observed in the bilateral primary motor cortex,primary sensory area,secondary somatosensory cortex,cingulated gyrus;ipsilateral premotor area and contralateral supplementary motor area.Conclusion Unilateral electrical stimulation may result in activations of bilateral cerebral cortex.

electrical stimulation;unilateral lower limbs;functional magnetic resonance imaging;cerebral function

10.3969/j.issn.1006-9771.2015.03.001

R454.1

A

1006-9771(2015)03-0249-03

2014-12-14

2015-02-05)

1.浙江中医药大学附属第三医院2013年度院级医药卫生科技计划项目(No.ZS13CA13)；2.国家中医药管理局重点学科建设经费资助项目(No.国中医药人教发[2012]32号)。

浙江中医药大学附属第三医院康复科，浙江杭州市310005。作者简介：李霞(1979-)，女，汉族，河北邯郸市人，硕士研究生，讲师，主要研究方向：神经系统疾病的康复。通讯作者：徐守宇(1966-)，男，汉族，浙江杭州市人，博士研究生，副教授，主要研究方向：骨关节疾病康复。E-mail:overnightjo@msn.com。