【专科特色第八十二期】经颅直流电刺激(tDCS)技术

1、【专科特色第八十二期】经颅直流电刺激( tDCS)技术早期研究证实，用灵长类动物代替人接受脉冲或直流电刺激， 发现超过一半的电流都穿过了颅骨到达脑组织。tDCS是一种老式刺激方法的新应用，把 1-2mA 的微弱直流电通过表面电极导入颅内，对神经的刺激不能引起动作电位，但能以电场作用方式影响刺激电极部位下神经细胞的膜电位，引起细胞膜局部电位、阈电位的改变，正极下神经元兴奋性增加，负极下神经元兴奋性减小。因为操作方便、价格便宜、容易普及，tDCS 对神经兴奋性的双向调节正引起临床医学界的兴趣。tDCS 的发展历程自古以来就有很多关于不受控电刺激对大脑进行调控的报告。最初埃及人发现了鲶鱼的电特性，

2、但是他们不知道该如何在临床应用。Plato 和 Aristotle发现，电鳐鱼放电时会使人产生麻木的感觉。后来人们将电鳐鱼放到头皮上用于治疗头痛，虽然方法很简易，但这是最早的应用经颅直流电刺激。随后，罗马人开始培养专门用于治疗头痛的电鳐鱼，并开始在庞贝古城推广。到了11 世纪人们开始尝试利用电来治疗疾病，穆斯林名医Ibn-Sidah 曾经建议使用活的电鲶治疗来治疗癫痫( epilepsy) 。 随着 18 世纪电池的发明，对经颅直流电刺激进行系统评估成为可能。Walsh (1773), Galvani (1791, 1797), 以及 Volta(1792) 都认识到不同时长的电刺激可以诱发不

3、同的生理改变。事实上，第一个关于电流刺激临床应用的系统性报告也可以回溯到这一时期，意大利生理学家Giovanni Aldini 等人采用经颅电刺激治疗抑郁症。随着认识的发展，技术逐步成熟，对于经颅电刺激的研究正在不断地完善。但是在最近的历史中，由于电休克（ECT）及精神药物的使用以及可信神经生理学标志物的缺乏共同造成利用直流电对中枢神经系统（ CNS）进行刺激不再被作为精神病学重要治疗和研究手段，tDCS 被暂时冷落。近年来，在现代生活中，人们对于癫痫、慢性疼痛等疾病的关注越来越多，这也成为促进神经刺激技术发展的重要因素。神经刺激技术越来越受到大众的关注，经颅直流电刺激（tDCS） 、深部脑刺

4、激（DBS） 、经颅磁刺激（TMS）技术又开始得到快速发展。1998 年 Prior 等发现，微弱的经颅直流电刺激可以引起皮层双相的、极性依赖性的改变，随后 Nitsche 的研究证实了这一发现，从而为 tDCS 的临床研究拉开了序幕。目前该技术已经成为神经康复医学、认知神经科学、精神病学的研究热点。tDCS 电流与刺激效果经颅直流电刺激（transcranial directcurrent stimulation ， tDCS） 是一种非侵入性的大脑神经调控技术，tDCS 有一个直流微电刺激器（供电电池设备）、一个阴极电极和一个阳极电极，外加一个控制软件设置刺激类型的输出。使用时，一个电极放

5、在刺激的皮质区域的颅骨上方，另一个放在对侧的眼窝之上，参照电极也可置于肩上或颅外的其他部位，保证两个刺激电极板之间相互干扰最小。电极放置在大脑表面后，刺激器输由1-2 mA的微弱直流电，使电流从阳极流动到阴极，从而形成一个环路。一部分电流在通过头皮和颅骨时衰减，另一部分电流则穿过颅骨作用于大脑皮质，进而调节大脑皮质活动，影响相应的感知觉、运动和认知行为。电刺激时，通常采用一对浸有生理盐水的海绵或棉布电极对头颅的选定部位进行刺激，生理盐水的最佳浓度范围在15140 mmol/L ,也有研究认为在电极上用导电膏更有助于电流的导入。通过给极化的神经元施加额外的电刺激可调节神经元的兴奋性。tDCS 的

6、效果取决于刺激电流密度(mA/cm2) 和持续时间。表面电极一般为25-35cm2。 电流密度的大小并没有定论，考虑到安全问题，目前的研究一般选取在 0.0290.08 mA/cm2的范围内。根据电极放置位置和刺激时间不同，tDCS 有三种常见的刺激模式：阳极经颅直流微电刺激即阳极电极置于目标脑区位置；阴极刺激即阴极电极置于目标脑区位置；对照假刺激即给予非常短暂的电流刺激(约30 s),仅使被试产生与真刺激相同的主观感觉，而对照假刺激的电极放置模式一般同其相应的真刺激的放置模式一致。阳极刺激通常能增强刺激部位神经元的兴奋性，阴极刺激则降低刺激部位神经元的兴奋性。伪刺激多是作为一种对照刺激。tD

7、CS 作为一种 新型的神经调控手段，与其它的非侵入性大脑神经调节技术相比，如经颅磁刺激(TMS) ，具有安全性较高的特点，因为tDCS 不直接诱发动作电位的产生，故没有引发癫痫发作的危险性；同时tDCS 在操作过程中不伴有刺激器的声音，使得双盲对照可信；此外，tDCS 设备费用低廉，操作简单，效果可靠，多项研究表明，tDCS 对脑卒中、帕金森，阿尔兹海默病(Alzheimer disease， AD) 及抑郁症等多种神经、精神疾病的症状具有改善作用。tDCS 的安全性tDCS 作为一种非侵入性物理治疗方法，临床试验证明是很安全的。除了偶有一过性轻微头痛或电极下头皮发痒外，tDCS 迄今没有造成

8、重大不利影响。tDCS 不会导致电极热效应。不会提高血清神经元特异性烯醇化酶(一个敏感的神经元损伤标志酶)水平。 Nitsche 等通过 MRI 的 T1 加权成像和弥散加权成像，观察受试者在公认的安全模式下tDCS 刺激 30 min 和 1 h 后大脑是否有病变，结果发现，大脑并没有出现组织水肿、血脑屏障失衡、脑组织结构改变等现象。Poreisz 等用 tDCS 对567 例进行研究，包括健康者(75 )和患者(25 )，病种包括卒中后遗症、偏头痛、耳鸣、帕金森病、癫痫等，连续2 年观察发现，tDCS 不会导致特殊不适，不会对人体造成损伤，因此认为tDCS 是一种比较安全的经颅刺激方式。虽

9、然其标准还没有完全确定，但一般认为从低电流开始缓慢增加到预设电流强度，在停止刺激时也需要缓慢减小电流后去掉电极， 可以有效的避免偶尔出现的轻微刺痛。目前尚没有tDCS诱发癫痫发作的报道，公认应用于人的刺激电流应小于20minmA。 对于 tDCS 刺激时间目前也没有严格的限制，被认为是最佳刺激时间。根据目前tDCS 的安全指导参数，tDCS 应用于皮质的运动区和和非运动区，无论是对健康人还是有神经病学疾病患者，其不良作用都很小。最常见的不良作用为电极板下轻微的麻感和痒感，存留时间较短。tDCS刺激结束后，头痛、恶心、失眠的发生率很低；痒感发生率和麻感的强度正常人较患者明显，而刺激后患者头痛较正

10、常人发生率偏高。tDCS 的作用机制目前，针对tDCS 调节大脑活动改变行为输出的作用机制尚未阐明，不过前期的研究为 tDCS 的潜在机制提供了证据。与其他非侵入性脑刺激技术如经颅磁刺激不同，tDCS 不是通过阈上刺激引起神经元放电，而是通过调节自发性神经元网络活性而发挥作用。研究认为，tDCS 的主要机制之一是它可以改变神经元的静息电位。神经生理实验证明，神经元通过放电频率改变对静态电场（直流电）起反应。因此当 tDCS 的正极或阳极靠近神经元胞体或树突时，静息电位会降低，神经元自发放电增加，产生去极化，从而激活细胞的活性；而电场方向颠倒时神经元放电减少，则发生超极化，从而降低细胞的活性。这

11、一现象可用 TMS 在 tDCS 前后检测运动诱发电位（ MEP） 或运动阈值（MT） ， tDCS 的正极部位引发MEP 幅度增加，MT 减小。这说明阳极刺激提高皮层神经元的兴奋性而阴极刺激降低兴奋性。tDCS 影响的只是已经处于活动状态的神经元，不会使处于休眠状态的神经元放电。阳极tDCS 提高兴奋性的作用与离子通道有关。离体的研究结果显示阳极tDCS 的兴奋作用被电压依赖的钠通道和钙通道的拮抗剂阻断。tDCS不仅能调节单个神经元的活动，而且能影响多个神经元和神经元群的整体活动。tDCS 可以调控静息状态的delta 和 theta频段的脑电活动。tDCS 除了即刻效应以外，与其功能相关的

12、另一主要效应是后效应，即在刺激停止之后，刺激作用依然持续一段时间。这是tDCS 发挥治疗作用的关键效应。后效应的持续时间与电流强度、刺激时间以及刺激次数有关。tDCS 的后效应与其影响神经元之间的突触连接功能，改变突触可塑性有关。近些年来发现多种神经递质都参与tDCS诱导的后效应，其中谷氨酸系统最为突出。阳极刺激的调节作用能够降低抑制性神经递质y -氨基丁酸（GABA ）的局部水平，而阴极刺激提高了简单的运动任务过程中运动区域谷氨酸的传输。GABA 的高低影响学习能力，因此这种高低可能在 tDCS 提高学习和认知能力中占有重要作用。进一步的动物研究表明，阳极电刺激能够提高脑源性神经营养因子（是

13、一种对突触学习起到关键的生长因子）的分泌，这又反过来调节长时程增强（LTP）。N-甲基-D-天冬氨基酸（NMDA ）受体活动调节LTP。 因此可见，tDCS 的作用机制似乎涉及到多种神经递质和各种不同维度的神经活动。然而，是否有特异性的作用机制解释tDCS 的作用，具体哪些是主导的、关键的机制，而哪些又是随从变化的、次要的机制，这些问题还有待进一步探讨。tDCS 的适应症和禁忌症：tDCS 的主要应用领域涉及脑功能调控、认知增强、情绪调控、道德价值判断、 决策研究等。根据现有研究资料，总结出以下适应症，包括各种神经、精神类疾病，如：脑损伤所致运动障碍、平衡障碍、 认知障碍、言语语言障碍、视知觉

14、障碍、意识障碍、肌张力障碍等；儿童脑瘫、自闭症等；纤维肌痛、中枢性疼痛、脊髓痛等；脊髓损伤；癫痫；失眠、抑郁症、焦虑症、精神分裂症、物质依赖（尼古丁、可卡因、酒精）等。当出现以下情况，应当与患者充分沟通，根据具体情况慎用或者禁用tDCS:使用植入式电子装置（例如心脏起搏器）的患者；治疗区域有带有金属部件的植入器件患者；发热、电解质紊乱或生命体征不稳定患者；局部皮肤损伤或炎症患者；有出血倾向的患者；有颅内压增高的患者；存在严重心脏疾病或其他内科疾病的患者；急性大面积脑梗塞的患者；刺激区域有痛觉过敏的患者；孕妇；儿童；癫痫患者。tDCS临床典型应用运动功能 Stagg等观察了 11例6个月以后的卒

15、 中患者，对侧半球应用阴极tDCS,使运动功能显著增强，且 fMRI 显示损伤侧半球相关的活动也增强。同样，通过阳极 tDCS 提高受损半球的兴奋性，可以使受损半球M1 区的神经活动增强。2012年Reme等对2011年1月前的36个研究报道的54 例患侧上肢任务试验进行Meta 分析，卒中患者在对侧 M1 区、双侧腹侧前运动皮质和辅助运动区相对于健康受试者表现有更高的激活性，在对侧区域主动任务比被动任务更容易激活。上肢痉挛屈亚萍等将50 例卒中上肢痉挛患者按数字法随机分为tDCS 组和对照组，各 25 例。 对 tDCS组患者进行经颅直流电刺激治疗，方法为阴极刺激患侧初级运动感觉区，并结合运

16、动训练，而对照组只进行运动训练。治疗时间均为1 个月。结果显示tDCS 组 MAS、 FMA 和 BI治疗前、后比较，差异均有统计学意义，证明tDCS 可以缓解卒中后上肢痉挛，配合恰当的康复治疗，能够改善患者的肢体运动功能，并提高患者的日常生活能力。失语症 Baker等对 10 例左半球卒中后慢性失语症患者的研究发现，左额叶阳极tDCS(1 mA, 20 min, 5d)可改善患者命名的正确率。这个研究中除了应用tDCS 外，还配合了图片命名任务的治疗。随后其研究小组对8 例慢性失语患者的左半球后部皮质进行阳极tDCS 刺激， 结果显示，患者图片命名反应时缩短。Fiori 等对 3 例慢性非流

17、利型失语症患者左半球Wernicke 区进行 5 d 的阳极 tDCS 刺激 (20 min ， 1 mA) ，此外配合语言强化训练，结果发现3 例患者图片命名的正确率提高。上述的研究被证实对患者的效果持续至少3 周。汪洁等对7 例脑卒中失语症患者分别进行A 期 4 周的语言训练治疗和B 期 4周的 tDCS 加浯言训练治疗。阳极 tDCS 刺激左外侧裂后周围区，1 mA,每次20 rain,每天1次，每周5天，共20次。结果显示，A 期4 周语言训练后听理解能力（听觉词-图匹配）无提高，而B 期4 周tDCS 加语言训练后听觉词图匹配明显提高，同时图命名也提高。认知障碍有研究发现，对健康受试者的右侧前颞叶施以阳极刺激的同时对左侧前颞叶进行阴极刺激，可增强视觉记忆。该研究结果显示，阳极刺激背外侧前额叶皮质（dorsal lateralprefrontalcortex， DLPFC） 可提高健康受试者数字广度记忆任务的正确性和刺激后10 min 内的隐形记忆功能（概率分类任务 ）