三叉神经电刺激促醒作用的机制研究*

陈扬，苏同生，万兆新

（陕西省中医医院，陕西西安 710000）

意识障碍（DOC）是一种觉醒水平或意识内容的改变，是脑功能活动障碍最本质的特征，其常见原因包括心脏骤停、创伤性脑损伤（TBI）、脑卒中等，在脑干网状结构丘脑下部和大脑皮质间构成环形通路上任何一个部位的损害均能导致意识障碍[1]。许多急性脑卒中、创伤性脑损伤患者的早期阶段表现出意识障碍，一项来自卒中中心的数据表明，4%～38%的中风患者出现意识水平下降或昏迷，13%～48%的患者出现意识模糊或谵妄[2]，而昏迷时间越长，患者出现并发症的可能性越大，其预后也就越差，因此缩短患者昏迷时间，早期促醒干预在昏迷患者中的临床应用尤其重要。

昏迷促醒的干预方法有很多，而神经电刺激疗法是目前国内外研究的一大热点，外周电刺激疗法简单、经济、安全无创，可早期唤醒，在一定程度上改善患者康复水平及预后[3]。急性脑卒中的时间窗治疗极其关键，早期应用电刺激促醒可改善患者的神经功能恢复、改善患者昏迷意识状态。目前对于昏迷外周电刺激疗法的主要研究趋势为正中神经电刺激和迷走神经电刺激，而三叉神经电刺激（TNS）是近年提出的一种新兴的无创神经调节方法，其在治疗神经系统疾病如癫痫、抑郁症、注意力缺陷多动障碍等方面已被证实具有一定疗效[4]，有学者报道了三叉神经电刺激的促醒案例，为TNS促醒提供了一定的临床证据[5]。三叉神经电刺激是通过自下而上机制调节大脑活动的非侵入性脑刺激技术，TNS可以双侧应用，其潜在的效果比单侧刺激更大，副作用也比较少见，并且是很有前景的一种昏迷促醒的治疗方法[6]。本文将TNS促醒的可能作用机制进行研究概述，为临床应用提供新的治疗思路。

1 三叉神经解剖概述

三叉神经是人体12对脑神经中最粗大且较复杂的一对混合性脑神经，其传入神经主要将一般感觉信息从面口部感觉信息传递到大脑，而传出神经则将运动控制信息从大脑发送到咀嚼肌肉。眼神经（CN V1）从眶上裂穿出，支配面部上部；上颌（CN V2）神经从圆孔穿出，支配面部中部；下颌神经（CN V3）从卵圆孔穿出，支配下面部[7]。从面部传入的感觉信息首先传递到三叉神经节，然后传递到三叉神经核，而运动信息则直接从运动神经核传递到面部，除了投射到中脑核的纤维外，来自V1、V2和V3的感觉纤维沿着轴突从假单极神经元传播到三叉神经节中的细胞体，然后该神经元的传入纤维在脑桥中部进入脑干，并到达主感觉核或通过三叉脊髓束下降到脊髓三叉神经核中的突触，三叉脊髓束位于核的外侧，轴突一旦到达合适的水平，就会与核内的二阶神经元发生突触，激活相应的神经元[8]。三叉神经刺激将来自皮肤、肌肉和颅骨的感觉信息输入传送到蓝斑、网状激活系统和孤束核内以广泛连接，以上是参与维持注意力觉醒的重要区域[9]。

2 TNS促醒的可能机制

正常意识状态的维持与上行网状激活系统（ARAS）、皮质及参与觉醒的相关神经递质相关。TNS对由脑创伤、脑卒中、脑缺血、失血性休克等引起的昏迷具有促醒作用，以下就对TNS促醒的可能机制进行分析概述。

2.1 激活上行网状激活系统 脑干网状结构（BRF）中的上行投射系统在唤醒和维持觉醒状态中起关键作用，称为上行网状激活系统（ARAS）。“ARAS”是由一个复杂的神经元网络组成，也是维持皮质下觉醒的主要通路，ARAS中的相关神经递质特异性成分与丘脑、下丘脑、基底前脑以不同形式相互关联而构成了唤醒系统，如脑干单胺能、胆碱能和谷氨酸能相关核与下丘脑前部之间的广泛连接，共同调节昼夜节律睡眠-觉醒周期[10]。ARAS通过直接激活丘脑皮质网络和调节丘脑内抑制网络来调节觉醒，唤醒进一步由ARAS与下丘脑的连接介导，下丘脑参与调节自主神经功能和昼夜节律睡眠-觉醒周期，以及与基底前脑的连接；基底前脑是ARAS系统在腹侧部的最后一节，在皮层促觉醒及觉醒状态维持调节中发挥重要作用。刺激三叉神经分布区既可以通过与脑干网状上行激活系统的解剖结构促醒，也可以刺激三叉神经的感觉运动纤维通过非特异性激活大脑皮层促醒[11]。

三叉神经传入通路通过与ARAS及其神经递质的相互关联，在控制觉醒/警觉性和注意力方面发挥着特别重要的作用。三叉神经感觉运动活动可能通过激活蓝斑（LC），增加皮质去甲肾上腺素的释放来刺激觉醒和认知[12]。一方面，TNS可能用于改善受认知障碍或ARAS功能障碍影响患者的认知表现，三叉神经元初级和/或次级神经元投射到脑桥延髓网状结构、胆碱能桥脑和背侧被盖核、结节乳头体核组胺和去甲肾上腺素能LC神经元，特别是三叉中脑核（Me5）[13]，包括咀嚼肌纺锤体传入细胞和牙周韧带机械感受器的细胞体，投射到LC主要通过向皮质区域的同侧投射影响警觉性和认知过程[14]。咀嚼增加了认知能力并改善唤醒，TNS刺激在某种程度上模仿咀嚼过程中产生的感觉运动信号，其会激发三叉神经传入神经元，可能是影响蓝斑的去甲肾上腺素能神经元的释放，影响瞳孔扩大，而瞳孔大小被广泛认为是LC活动的表现[15-16]。应用于下颌支的三叉神经电刺激，诱导咀嚼肌肉放松，三叉神经的激活（咀嚼或TNS）可能是调节去甲肾上腺素能传入、皮层兴奋性和行为的一种可行的途径。

昏迷或意识障碍患者的眼睑张开被认为是一种觉醒反应，轻度激活的蓝斑可能会张开眼睑以增加视觉输入和三叉神经本体感受激活以增强蓝斑刺激以引起唤醒，具有三叉神经本体感受激活的眼睑张开可能能够阶段性和张力性地调节脑干中的生理唤醒机制，是基于三叉神经本体感觉神经元、蓝斑和腹内侧额叶皮层之间的神经连接，故而在眼睑睁开、摩擦眼睑或刺激三叉神经本体感觉时引起唤醒[17]。

2.2 激活相关神经递质 觉醒是一个复杂的神经调节过程，其与相关神经递质的相互作用密切相关[18]，促进觉醒的相关神经递质包括来自上脑干的单胺能神经元（蓝斑核释放去甲肾上腺素能、5-羟色胺能中缝核、结节乳头体核组胺）和胆碱能神经元（在桥脚核和背外侧被盖核），其既可以支配丘脑（促进了信息向大脑皮层的传递），也可以通过腹侧下丘脑（将信息传递给肽能食欲素/下泌素觉醒神经元获得轴突）和基底前脑（再次得到胆碱能神经元的增强刺激）投射到整个大脑皮层，共同调节促进觉醒[19]。

有研究表明意识与神经肽异常表达之间存在潜在的关系，在该研究中比较了5种神经肽后发现食欲素是唯一在意识丧失（LOC）中有显著变化的肽，这也说明食欲素可能是昏迷唤醒的重要神经靶点，下丘脑神经肽下丘脑泌素（也称为食欲素-A，Hcrt）在维持清醒状态中起着关键作用，增加食欲素神经肽有利于促进意识恢复[20]。TNS能显著激活下丘脑外侧神经元（LH）和三叉神经脊束核（Sp5）的神经元活动，上调食欲素神经肽的水平，提高大鼠的意识水平和脑电图活动，证明了三叉神经电刺激是意识丧失的有效唤醒方法[21]。

一项研究中表明三叉神经刺激可能是通过其皮质传入神经及脑干的传出通路来影响脑干核的神经元活动，经过TNS大鼠刺激后，在三叉神经感觉核和躯体感觉皮层中发现了显著被激活的神经元，用c-Fos标记的细胞数量在三叉神经核复合体、孤束核（Sol）、蓝斑（LC）和海马体、中缝背核（DR）、杏仁核、内皮样核中显著增加，这项研究数据也表明三叉神经核与DR和Sol有直接联系；另一方面，DR和Sol可投射到LC，LC反过来也会影响DR和Sp5。故而TNS刺激一方面增加了兴奋性神经递质促进觉醒，另一方面也诱导其他大脑区域神经递质发挥促醒作用[22]。在另一研究中，TNS的刺激增加了皮层水平去甲肾上腺素的释放和P300对基础LC活性的依赖性，从而改变了皮层网络的加工，促进了大脑功能的改善，去甲肾上腺素可以改善感觉加工，使受试者在较低的神经激活水平（即较低的P300波幅）下达到最佳的辨别能力，P300波是大脑认知加工的既定指标，一种事件相关电位（ERP）[23]，受去甲肾上腺素系统的影响，TNS是一种能够调节去甲肾上腺素能传入、皮层兴奋性和性能的可行方法[14]。有研究经皮神经刺激对觉醒和疲劳的影响，研究结果表明经皮电刺激可提高记忆力和警觉性，这种效应可能归因于通过直接脊髓传入和通过中缝背核和蓝斑，激活海马体和视交叉上核。尽管在这些研究中未专门测量实验的相关参数，但观察到的认知和行为影响表明TNS提高了唤醒和警惕性[24]。

2.3 增加脑部血流量 人体大脑需要依靠血液循环的持续供应，若患者在创伤、卒中等应激状态下局部或全脑出现不同程度的缺血缺氧等情况，可在一定程度上影响大脑的正常运作，严重时可出现意识障碍而导致昏迷。

创伤性脑损伤（TBI）是全球死亡率较高的一种疾病，创伤后的早期促醒和恢复尤为重要。在创伤后的早期关键时刻，损伤周围区域变得高代谢，同时脑血流量（CBF）减少，这种供需不匹配导致细胞水平的能量转换不平衡，加速缺血半暗带神经组织的死亡。这一继发性脑损伤过程导致神经功能进一步下降，预后不良，因此早期增加流向大脑的血流量，特别是病灶周围区域的血流量，对于预防继发性脑损伤是至关重要的。受损组织内部和周围的这些脑微环境的变化是以渐进的方式发生的，从最初的损伤时间开始持续数天，与正常水平相比，在最初的伤害后，流向周围区域的血流量减少了50%之多，这种高代谢和脑血流量减少的结合使周围半暗带极易受到缺血性损伤，刺激三叉神经可通过逆向作用增加脑血流量[25]。

三叉神经（颅神经V）是最大的脑神经，为信号进入双侧大脑区域和高频提供了一个高宽带通道。三叉神经节位于Meckel腔（三叉神经腔），投射到三叉神经核，三叉神经核与孤束核、蓝斑和网状结构相互投射，其直接或间接投射到大脑的几个区域，如蓝斑、孤束核（NTS）、延髓头端腹外侧区（RVLM）、丘脑和大脑皮层。三叉神经的两个重要特性使其成为脑外伤促醒治疗的潜在靶点，其一为TNS通过激活RVLM引起血管升压反应，RVLM被认为是一个重要的脑干血管收缩中枢，从而改善血流量；此外，TNS已被证明通过三叉神经-脑血管系统降低脑血管阻力，当这些通路被激活时，通过RVLM和三叉神经-脑血管系统，可以导致脑灌注的显著增加，三叉神经的激活引起脑血管扩张是由三叉神经节后纤维介导，主要是V1分支[26]，通过V1远端分支激活了三叉神经-脑血管系统，从而使三叉神经刺激成为TBI治疗的一个有效靶点。TNS可以通过增加脑血流量和向受损的大脑输送更多的氧气来减少重型颅脑损伤后的继发性损害，其对TBI苏醒和预后有着一定影响，并可在院前急救中发挥重要作用[27]。有研究表明，三叉神经刺激后可直接调节脑血流量（CBF），增加脑脊液降钙素基因相关肽（CGRP）的浓度，从而产生脑血管舒张[28]。有研究用TNS刺激观察失血性休克（HS）大鼠的复苏及其对短期存活率的影响，在没有输液扩容的情况下，三叉神经刺激显著减弱了交感神经过度活跃，伴随着副交感神经张力的增加、延迟的血流动力学失代偿和严重失血性休克后脑灌注的改善。此外，三叉神经刺激产生交感神经介导的全身血压低频振荡模式，与中枢性低血容量耐受性增加和循环去甲肾上腺素水平增加相关。TNS可调节交感和副交感神经系统活动，激活内源性升压反应，改善脑灌注，减少炎症，从而提高存活率，表明TNS可以激活ARAS系统[29]。

TNS在调节脑血管张力和脑灌注中起着关键作用，TBI+HS后，脑微循环是将氧气输送并分配到脑组织的主要系统，而脑挫伤周围区域显著受损，目前的复苏方法无法供应微循环的灌注，微血管的损伤在TBI后的神经功能恢复中起着关键作用[30]。在一项实验并发失血性休克的TBI大鼠模型中，TNS诱导的低频CBF振荡可显著保护创伤后挫伤周围组织，通过减轻继发性脑损伤，减弱脑缺氧损伤和神经炎症，保护受挫周围脑组织的脑血管内皮，促进神经功能恢复，提高存活率，TNS可以通过三叉神经-脑血管系统改善脑灌注[31]。

2.4 减少炎症反应 有证据表明，缺血本身会诱导促炎细胞因子的产生，并触发炎症级联反应，炎症级联导致血脑屏障的进一步破坏，导致水肿和颅内高压，从而进一步加重昏迷。增加脑血流量（CBF）和脑氧分压（PbrO2）可以抑制缺血或缺氧引发的炎症级联反应[32]。

肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-1β均是促炎细胞因子，中风前增加脑TNF-α会加重脑损伤，而阻断TNF-α可减少缺血性脑损伤；小胶质细胞是中枢神经系统（CNS）中主要的免疫巨噬细胞样细胞，小胶质细胞在脑缺血时会迅速（在几分钟内）被激活，早期激活小胶质细胞会产生炎症介质，并可导致细胞损伤和死亡[33]。在TNS治疗失血性休克的大鼠实验中，TNS刺 激HS大 鼠30min后CBF和PbrO2增 加，同 时TNS治疗组TNF-α和IL-6的水平也降低，TNS导致小胶质细胞活化减少，TNF-α和IL-1β水平降低，一种可能是由于TNS导致的血流动力学改变，使机体的低血压和缺血情况改善；另一种可能是TNS通过三叉神经-迷走神经联系抑制炎症，TNS引起的炎症标志物的减少可能是通过这种三叉神经-迷走神经联系介导的[29]。大鼠实验经皮TNS抗癫痫的作用，结果表明TNS可以减少海马细胞凋亡，降低IL-1β、TNF-α水平和小胶质细胞活化水平[34]。

3 参数

频率参数设定的差异性，导致的影响效果可能会不同。频率为30 Hz时，可引起肌肉不完全强直收缩；40～50Hz时，引起肌肉完全性强直收缩；100Hz时起到镇静作用，频率参数的差异性决定了治疗效果的差异，其产生的可能机制是重复单一的刺激引起大脑皮层的神经功能受到抑制，电流抑制网状结构中的觉醒中枢[35]。有研究发现，高频刺激（120Hz）具有催眠作用，可降低唤醒并诱发疲劳，而阿尔茨海默病的有益效果是通过低频提供突发刺激获得的，经皮电刺激在阿尔茨海默病的行为和认知方面的改变表明TNS刺激提高了患者的唤醒和警惕性[24]。由此可见，参数的设定对于治疗效果有很大的影响。

有研究用TNS治疗垂体瘤术后昏迷患者，用两对电极连接到双侧眶上裂和眶下孔刺激眼部神经（V1）和上颌神经（V2），刺激参数设置为电流强度为18～20mA，脉冲宽度为200ms，频率为40Hz，持续30s/min，在治疗6周后成功唤醒患者，并且在治疗前后fMRI显示患者脑功能活动区中心值有明显改变[4]。一项临床研究是用TNS对获得性脑损伤昏迷患者的促醒观察，将两对电极分别贴在双侧眶上孔和眶下孔，刺激的参数设定为40Hz，脉宽200μs，活动/间歇：30s/30s、电流强度18～20mA，结果表明TNS可一定程度上改善昏迷患者的意识水平[36]。

目前TNS的临床试验及基础参数研究相对较少，电刺激的脉冲、频率、电流刺激等参数设定尚无统一标准，不同组合参数设定是否对昏迷促醒有不同的影响，还尚未可知。

4 结语

本文介绍了三叉神经电刺激的促醒可能作用机制和相关参数设定，三叉神经电刺激作为一种新兴的促醒治疗方法，为昏迷患者院前急救的促醒提供了一种新的临床思路，其操作相对简单、无创，可在临床中应用推广。但目前对于TNS促醒的相关文献报道较少，缺乏大数据样本量的临床观察循证证据以及一定的基础研究，电刺激的参数设定对治疗效果影响特别重要，但目前尚无专门研究参数设定的相关文献报道，希望在以后的研究中多增加相关的基础研究。TNS促醒的神经生理机制仍需进一步深入研究，希望在日后的临床中多观察应用到此技术。