重复经颅磁刺激联合运动训练对脑活动影响的溯源分析*

向芳，刘睿旭，靳静娜，王欣，刘志朋，殷涛，2△

(1.中国医学科学院 北京协和医学院 生物医学工程研究所，天津300192；2.中国医学科学院神经科学中心, 北京 100730)

1 引 言

脑卒中患者常伴随运动功能障碍，特别是手部运动功能障碍，严重影响其生活质量。为了促进其运动功能康复，临床上常采用运动训练的方法，如上肢训练、日常生活活动训练等。

研究发现，脑卒中患者患侧皮层兴奋性降低，健侧皮层的兴奋性增加，健侧皮层对患侧皮层活动的抑制增加，且与患者肢体运动功能障碍密切相关[1]。重复经颅磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation, rTMS) 可以通过改变其刺激频率而达到兴奋或抑制大脑活动的目的[2-3]，因此，rTMS被作为一种促进运动训练提高运动能力的手段。由于高频rTMS存在诱发癫痫的风险，研究中多采用低频rTMS刺激脑卒中患者健侧运动区，通过抑制健侧皮层的兴奋性，减弱健侧皮层对患侧脑区兴奋性的抑制，增加患侧皮层的兴奋性，从而达到改善肢体运动功能的目的。目前，研究者使用了Fugl-Meyer运动评分[4]、Wolf运动功能测试[4]、运动诱发电位[5]和F-wave[6]等运动行为学和神经兴奋性的方法验证了rTMS联合运动训练对运动能力提高的有效性。近年来，研究者开展了利用fMRI[7]、NIRS、脑电[8]等影像方法研究rTMS对脑活动的影响。但rTMS联合运动训练的作用机制仍不明确，其对脑皮层电生理活动机制的研究仍然很缺乏。

在脑皮层电生理活动的分析方法中，头皮脑电是皮层电活动源在头皮的映射，可间接反映皮层的电生理活动；而溯源脑电是通过溯源的方式将头皮脑电直接定位到皮层脑活动源，可直观、精确地观测脑皮层电生理活动的变化，在脑皮层电生理活动分析中具有明显优势。标准化低分辨率电磁断层成像[9](standardized low resolution brain electromagnetic tomography, sLoreta)是目前广泛使用的皮层溯源方法。该方法基于线性原理，在配准的Talairach脑图谱下通过计算每个体素的标准化电流密度值，并以MNI(montreal neurological institute，MNI)152坐标系(5 mm空间分辨率)的形式展现溯源结果。sLoreta定位误差小，可得到精确的溯源结果，可作为探究rTMS联合运动训练对脑皮层电生理活动影响的有效方法。

因此，本研究拟通过皮层溯源来观察rTMS联合运动训练对脑皮层电生理活动的调控作用。募集健康受试者，将其运动不灵活的非利手类比于脑卒中患者的患侧手，采用sLoreta溯源分析rTMS联合运动训练对脑皮层活动的影响，探讨其对脑皮层电生理活动的调控机制，为应用于脑卒中患者的运动康复治疗提供一定的帮助和指导。

2 材料和方法

(1)受试者：募集19名健康受试者，年龄(25.5±3.2)。受试者本人及家族无神经精神系统疾病病史，核磁共振影像检查均未发现颅内疾病。根据爱丁堡利手判定准则，所有受试者均为右利手。实验前48 h内，受试者均未服用刺激类或兴奋类物品，保证良好的精神状态。且每位受试者都自愿参加实验，并签订知情同意书。

(2)运动阈值(motor threshold, MT)的测定：利用Micromed多通道生理信号记录仪记录右手拇短展肌的肌电信号。利用单脉冲TMS刺激大脑左侧初级运动皮层，观察肌电采集软件上记录的运动诱发电位，连续10次刺激中至少5次诱发的振幅大于50 μV的最小刺激强度即可认为是MT。

(3)实验过程：扫描每位受试者的头部核磁图像，使用BrainSight精密定位导航系统重建每位受试者的三维头模型。采用Magstim Rapid2磁刺激器，刺激线圈使用70 mm的“8”字线圈，利用精密定位导航系统将TMS刺激线圈的磁场聚焦点与目标靶点进行精确定位，确保实验过程中，刺激位置和方向的一致性、准确性。

将受试者随机分为rTMS联合运动训练组(10名)和运动训练组(9名)。rTMS联合运动训练组利用1 Hz rTMS刺激大脑左侧初级运动皮层，刺激强度为90%MT，刺激时间为20 min，随后进行1 h左手书写训练，连续14 d；运动训练组每天进行1 h左手书写训练，持续14 d。分别于实验开始前后，采集1 min闭目静息态脑电信号。

(4)脑电信号记录及预处理：采用Neuronscan脑电采集系统和64导EASYCAP帽采集闭目静息态的脑电信号，脑电放大器参数设置为DC—200 Hz，采样率为1 000 Hz。

利用Matlab软件及eeglab工具箱对采集的脑电信号进行预处理。首先变参考为双耳乳突，然后将采样率1 000 Hz脑电信号降为250 Hz，对脑电信号进行0.5～80 Hz的滤波处理，利用50 Hz陷波器去除工频干扰，采用独立成分分析对脑电信号其它伪迹进行去除，如眼动伪迹等。最后选取50 s无伪迹的脑电信号，分成25段，每段2 s，每两段之间没有重叠，进行下一步的溯源分析。

溯源分析：sLoreta[9-10]能定位头皮脑电信号在脑皮层的空间位置和在脑皮层的活动变化，皮质活动变化由6239个灰质体素sLoreta值与相应的布罗德曼脑区(brodmann areas，BA)配置而确定。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)五个频段，将每个频段脑电数据转换为sLoreta类型。利用sLoreta软件自带的统计学非参数图谱(statistical non-parametric mapping,SnPM)分析法统计分析实验前后脑电频段活动的差异性变化(P<0.05)[11]。

3 结果

本研究采用sLoreta溯源分析比较rTMS联合运动训练和运动训练前后的皮层电生理活动变化，包括各频段皮层活动特征以及主要激活皮层区域，探究了rTMS联合运动训练对皮层脑活动的调控机制。

3.1 运动训练前后各频段皮层活动特征的变化

图1为运动训练后相对于运动训练前的各频段皮层脑活动变化，并采用了6视图的方式呈现其在空间的具体定位。运动训练后，各频段皮层活动的强度均表现为增加，主要集中在额叶和顶叶。统计学结果进一步显示了各频段皮层活动在BA分区中的定位。其中，δ频段皮层活动变化位于体感联合皮层BA7(顶叶)(n=9,t=9.361,P=0.03)，θ、α、β频段皮层活动变化溯源位于额极区BA10和额眶区BA11(额叶)(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频段皮层活动变化溯源位于皮层BA7、BA10和BA11(n=8，t=7.161,P=0.02)。

3.2 rTMS联合运动训练前后各频段皮层活动特征的变化

图2为rTMS联合运动训练后相对于rTMS联合运动训练前的各频段皮层脑活动变化。从图中可以看出，低频段(δ、θ、α)皮层活动强度均表现为增加，高频段(β、γ)皮层活动强度均表现为降低，呈现出由高频向低频逐步偏移的趋势。然后本研究对rTMS联合运动训练前后的各低频段(δ、θ、α)皮层活动变化做统计学对比分析，结果显示θ频段皮层活动增加最明显，表现更广泛的激活脑区，且在体感皮层BA2和缘上回BA40(顶叶)具有显著性差异(n=8,t=3.474,P=0.03)；α频段皮层活动也在体感联合皮层BA7表现出显著性差异( n=7,t=10.265,P=0.04)，但激活脑区明显少于θ频段；δ频段皮层活动未表现出显著性差异(n=10,t=9.209,P=0.26)。进一步对rTMS联合运动训练前后的高频段(β、γ)皮层活动变化做统计学分析，结果显示γ频段皮层活动下降最明显，并且在皮层BA7体现出显著性差异(n=8,t=-8.544,P=0.04)，而β频段皮层活动虽显示出大范围的降低，但并未表现出显著性差异(n=10，t=-2.590,P=0.55)，更倾向于是频谱偏移的过渡频段。

图1运动训练前后各频段脑电信号在脑皮层分布的统计差异图。每个频段从前后、左右、顶底六个方向展示脑电信号活动在脑皮层的分布。其中红色和黄色代表运动训练后脑皮层活动增加。图中共展示delta、theta、alpha、beta、gamma五个频段在皮层活动的变化(图中L：左；R：右；A：前；P：后)

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

图2rTMS联合运动训练前后各频段脑电信号在脑皮层分布的统计差异图。每个频段从前后、左右、顶底六个方向展示脑电信号活动在脑皮层的分布。其中红色和黄色代表脑皮层活动增加，蓝色代表脑皮层活动降低。图中共展示delta、theta、alpha、beta、gamma五个频段在皮层活动的变化(图中L：左；R：右；A：前；P：后)

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

4 讨论与结论

本研究使用1 Hz rTMS刺激优势半球运动区，抑制优势半球的脑活动，而非优势半球对应的非利手进行不熟悉的运动训练，以促进非利手运动能力的提高。使用了sloreta脑溯源的方法对头皮脑电进行了皮层脑区定位，获得了皮层活动的变化，探讨了14 d rTMS联合运动训练对脑皮层活动的影响。

rTMS联合运动训练前后静息态脑电信号从高频到低频皮层活动强度逐渐增加，呈现出由高频向低频逐渐偏移的趋势，且θ频段表现出更广泛的激活脑区。本研究采用的运动训练方式为书写任务，书写是一个复杂的过程，需要运动区，视觉区等多个脑区参与。Bland and Oddie等人[12]发现啮齿动物在感觉信息传入后在更新运动计划过程中，θ频段脑电信号在协调感觉与运动脑皮层活动变化发挥了作用。Caplan等人[13]研究癫痫患者参与虚拟出租车任务过程中，θ频段脑电信号可协调不同脑皮层处理感觉与运动脑活动变化来提高空间学习与感觉运动整合能力。因此，rTMS联合运动训练使整个脑皮层的θ频段皮层活动变化，提示rTMS联合运动训练可能通过加强不同脑皮层之间的信息交流来实现其对大脑的调控作用的。

运动训练后皮层活动显著性变化的区域位于顶叶和额叶(见图1)，而rTMS联合运动训练后皮层活动显著性变化的区域仅位于顶叶，而在额叶脑区未发现显著性的改变(见图2)。 已有研究表明，额叶皮层活动变化与大脑对书写内容的认知提取内容有关[14]，顶叶皮层活动变化与书写运动控制有关[15-16]。因此，本研究结果提示rTMS联合运动训练相比于运动训练降低了对书写内容认知提取的脑活动，仅需较低的脑活动就可完成复杂的运动认知功能。

本研究采用sloreta溯源分析技术，从皮层活动定位的角度探讨了rTMS联合运动训练对脑活动的影响。研究表明rTMS联合运动训练影响了广泛的脑区活动，对脑活动的作用与单纯的运动训练存在显著差异，阐明了相比于单纯运动训练，rTMS联合运动训练对脑活动调控的特异性。本研究有助于加深对rTMS联合运动训练的神经活动机制理解，为未来理解其对脑卒中患者运动康复的作用机制提供有益的帮助。