不同频率电刺激在大脑中的激活

不同频率电刺激在大脑中的激活

电刺激技术在康复和疾病治疗中发挥着一定的作用。电刺激通过对神经细胞或肌肉细胞的刺激,使之爆发动作电位,从而将外部刺激信号传递给相应的组织,实现肌肉收缩、感觉等具体宏观效应。电刺激治疗疾病的原理,就是要以良性刺激通过反射弧来纠正由于恶性刺激产生的不良反射过程,使已发生疾病或疲劳的器官得以生息修复,最终恢复正常状态。以往的研究表明:中枢神经系统可能具有对不同频率的电刺激做出特异性反应的能力。这些特异性反应可能反映了不同电刺激参数和模式产生不同治疗效果的可能机制。功能性神经影像方法(neuroimaging)的发展,使人们无损伤地研究脑的神经团簇活动方式成为可能,更由于其相对低廉的价格被广泛应用于脑的生理,病理及人的心理活动等研究领域。本工作的目的是观察在不同频率电刺激下人脑磁共振功能成像的特异性反应,为理解和发展电刺激治疗疾病的方法提供依据和方向。1材料和方法1.1疾病感受阈值一位23岁,右利手的男性在校大学生,无精神障碍和已知脑及全身器质性疾病,受试前无任何不适感,在实验之前,被试者已被告知实验的内容,且经过练习测定感受阈值。本实验被浙江大学道德委员会认可和批准。1.2低频方波电刺激实验采用Blockdesign设计,静息像(baseline)与刺激像(task)交替。将一对表面附有自粘导电胶的刺激电极分别置于被试者右手手臂的手腕和肘部内侧。低频方波电刺激由欧姆龙低频治疗仪产生,选择刺激强度略高于被试者的感受阈限,故每次刺激被试者均可感觉到刺激部位有轻微的麻木感。实验分为两组,任务一为“敲”,电刺激频率约为5Hz,任务二为“揉”,电刺激频率约为50Hz。每次刺激的持续时间30s,然后休息30s,接着开始下一次刺激,重复三次,实验序列如图1所示。1.3图像进行实验所有fMRI扫描均在上海同济大学附属同济医院放射科磁共振室完成。使用高场强全身MR扫描仪(Marconi1.5T)和标准头线圈。告知受试者放松、闭目,头部和身体勿动,并使用橡皮耳塞和耳机降低噪音,同时用泡沫头垫固定头部以减少头动产生的运动伪影,待被试者熟悉扫描室内的环境后开始正式实验。功能性图像采用单次激发梯度回波(single-shotEPI)T2加权的序列,层厚/间距(THK)=6/0.5mm,分辨率=3.75mm×3.75mm,脉冲重复时间/回波时间/反转角(TR/TE/Flip)=2000ms/40ms/90°,图像范围(fieldofview,FOV)=24cm×24cm,获取覆盖全脑的16层图像,连续扫描3分以获得一次实验(session)的90帧图像。最后采用梯度回波T1加权序列(TR/TE/Flip=300ms/11ms/35°;FOV=24cm×24cm;层厚/THK=6/1mm)做结构图像扫描。1.4模型试验结果,再用两倍像素大小为Gauss卷积核做图像平滑处理以减少空间噪声。分别选用低频截止频率0.5Hz高通滤波器和血液动力学反应曲线的低通滤波器滤除呼吸,心跳产生的生理噪声,最后用广义线性模型估计参数,获得基于单个像素分析的t(t=3.24,对应P<0.001,不加修正)检验的被试者对低频电刺激的脑区激活图。然后,将功能像叠加在经过标准化的三维结构像上,用伪彩色显示激活脑区。2hz约5hz,好在不同频率的电刺激下,脑区的激活如图(2,3)所示,在相同的检验水平下,不同频率的刺激在大脑的不同位置产生激活,这和之前的研究结果一致。对于~5Hz(约5Hz,下同)的电刺激,主要的激活区集中在两侧的额上回(BA10),左侧的额上回/额中回(BA6,8)、额下回(BA11)以及颞上回(BA38)。对于~50Hz(约50Hz,下同)的电刺激,其主要的激活区则集中在右侧中央后回(BA40),左侧的中央前回(BA4,6)、中央后回(BA2)、额下回(BA47)以及颞上回(BA22)。表1详细显示了两种不同频率的电刺激激活的脑区大小以及相应的标准脑的坐标。3电刺激的治疗与康复治疗的选择本研究的结果表明,低频的电刺激均引起了额叶、顶叶和颞叶的激活,尤其引起了与运动、躯体感觉相关的脑区的明显激活。~5Hz的刺激引起了辅助运动区(BA6)的明显的激活,该脑区被认为与运动的计划相关,前额叶(BA8,10)的激活可能与运动感觉分辨、运动的目的有关。~50Hz的刺激引起了中央前回(BA4,6),以及中央后回(BA2)和中央后回(BA40)的激活,这些脑区参与了躯体感觉、运动。其中值得注意的是,从两种刺激的比较中可以看出,~5Hz的刺激较多的引起前额叶的激活,~50Hz的刺激较多的引起了中央前回和中央后回的激活,一种可能的解释是,不同频率的电刺激可能激活了不同的神经通路,这些神经通路可能服务于中枢神经系统的不同功能。~5Hz的电刺激引起被试者较强的注意力,引起了与运动感觉的分辨和运动计划相关的脑区。而~50Hz的电刺激引起了与运动执行相关脑区的更大激活。基于这样的假设,我们推断:在运动计划有缺陷的治疗中,选用~5Hz的电刺激较为合适,在运动执行有障碍康复治疗中,~50Hz的电刺激较为合适。一些临床实验已经表明,电刺激在运动功能的康复运用方面有着积极的意义,例如Popovic等对脑卒中患者进行了功能性电刺激治疗,发现对于手腕、手指功能缺失较轻的患者,在到达抓、握功能的恢复程度上效果明显。Conforto等研究发现对于慢性脑卒中患者,通过外周神经刺激对运动功能的影响,增大了手部肌力,并发现与刺激强度有关,说明体感神经刺激对于脑卒中患者的运动功能康复具有巨大的潜力。在动物身上的研究也显示,体感输入刺激对感觉运动皮层和皮下层结构具有调节塑造作用。上述的临床和动物身上的研究说明了电刺激在运动功能康复中的重要意义,但是缺乏在神经影像上的证据。本实验利用磁共振仪,发现健康的被试者在受到低频电刺激时,初级运动区、辅助运动区、第一躯体感觉区(BA2,4,6)都有明显的激活,对于理解低频的电刺激具有帮助恢复身体运动机能的神经生理基础有一定的帮助。并且在电刺激的康复治疗中对于不同的