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经颅直流电刺激技术及临床应用进展

一、tDCS的电生理机制

 

关于tDCS作用机制的研究较多,Nitsche等发现正极电刺激能增加皮质兴奋性,负极刺激减低皮质兴奋性,这是随后研究的主要依据。但是tDCS的作用机制远比此复杂,其作用可分为即刻作用和后续效应。在神经元水平,tDCS的即刻作用机制是极性相关的细胞膜静息电位的极性变化,一般而言正极电刺激产生去极化并起兴奋作用,负极电刺激则产生超极化并起抑制作用。有研究证实tDCS的后续效应能持续1h,单纯应用神经细胞膜电位变化难以解释此种作用后续效应,有学者认为可能与突触变化有关,与抗N甲基M天冬氨酸(N mnethy1-D-aspartic acid, NMDA)受体或γ氨基丁酸( gamma amino butyricacid, GABA)能神经元的活动性有关, 此作用可能与既往研究中的长时程增强( long term potentiation, LTP)或者长时程抑制( long term depression, LTD)类似。

 

 

二、tDCS的药理研究

 

研究者在tDCS同时让受试者服用受体激动剂、拮抗剂或者离子通道阻滞剂,观察效果的变化,间接探讨tDCS的作用机制。有证据显示阻滞电压门控的钠离子通道的药物能降低正极电刺激引起的皮质兴奋性增加的作用,但负极刺激的作用不受影响。这些结果与之前的假设“经颅直流电刺激引起神经元细胞膜静息电位转换”相一致。神经递质方面,NMDA受体可能参与了tDCS作用,NMDA受体拮抗剂能消除负极和正极tDCS的作用,NMDA受体激动剂则仅增强正极tDCS的作用。GABA能激动药劳拉西泮延迟正极tDCS的作用,但是延迟出现的作用又比无药物参与的作用更强且持续时间更长。多巴胺系统对tDCS的作用呈剂量和受体亚型相关性左旋多巴将tDCS的易化作用转换成抑制作用,2型多巴胺( Dhpumine2, D2) 受体拮抗剂消除tDCS的作用。高剂量或低剂量D2受体动剂均降低tDCS的作用,中等剂量的D2受体激动剂则对tDCS的作用无影响。

 

 

三、tDCS的技术进展

 

1.设备tDCS设备主要有三种,一为传统的设备, 即一个正极和一个负极,此设备在作用靶点控制、电流穿透深度等方面控制不易,于是研究者开发出高选设备( high defnition tDCS, HD-tDCS)和经颅直流电刺激脑电同步设备tDCS-EEG,使用HD-tDCS时,HD-tDCS作用深度比传统设备更加深时,tDCS-EEG能于治疗时同步采集脑电图变化,对揭示脑网络功能有重要意义。

如图为江西京新医疗科技有限公司的经颅直流电刺激仪MBM-Ⅰ 

2.技术参数tDCS技术主要的技术参数有作用电极和参考电极的位置和电流方向,电极面积、电流强度、电流密度,作用时间、间隔和疗程等。
电流强度:当前研究中电流强度多为1-2mA不等,一般认为,电流强度越大,效果越明显,后效应越长。研究者发现2mA额叶tDCS治疗能增加受试者的言语流畅性,负极治疗则起相反作用,但是1mA治疗却没有作用。但最新研究证实作用效果和电流强度之间并非绝对的线性关系, Batsikadze等对受试者初级运动皮质( primary motor cotex, M1)区行的2mA正极、2mA负极、1mA负极和假的tDCS,结果发现1mA负极治疗降低皮质兴奋性2mA正极增加皮质兴奋性但2mA负极治疗却增加皮质兴奋性。因此,作用强度与作用效果之间的关系目前尚无明确的结论,还需要进一步探索。
治疗时间:一般认为,作用时间越长,后效应越长。Monte-Silva等发现对受试者行9min负极tDCS能降低皮质的兴奋性。后效应达60min,18分钟相同治疗的后效应则长达90min但研究者对受试者行13min正极治疗增加皮质的兴奋性,但将时间延长至26min时,却起到了域低皮质兴奋性的作用。以上研究证明作用时间与效果之间井非绝对线住关系,需进一步研究证实其关系。

 

 

四、tDCS对生理功能的影响与临床应用

 

1.tDCS对生理功能的影响

早期对健康受试者进行的tDCS研究主要着眼于探讨tDCS对皮质的基本功能的影响,而最近的研究则针对更复杂的功能。在基本的皮质功能中,探索得最多的是tDCS对M1区的影响,正极tDCS作用于M1区能增加精细运动功能酒,负极tDCS能引起视觉敏感度下降气,正极tDCS增加视觉敏感度网,还有研究发现tDCS能影响躯体痛温觉的阈值和听觉相关任务的完成。目前关于复杂皮质功能的研究较多。早期研究认为注意过程与前额皮质有关,Bolognini等四发现也可能与后顶叶有关,正极tDCS作用于后顶叶能改善受试者视听注意任务的表现。其他的相关研究还发现tDCS作用于相应的脑区能影响工作记忆、运动学习、冒险行为、无私行为和欺骗行为等。

2.tDCS在癫痫疾病的应用

癫痫的主要发病机制为神经网络部分节点兴奋性过高,因此研究者将负极至于癫痫起源相关区域,以降低皮质的兴奋性来达到治疗目的。Fregni等四对10例成年患者行负极tDCS治疗,对9例患者行假剌激对照研究,治疗组与对照组相比,其癫痫样放电明显减少,发作频率有减少趋势. Auvichayapat等网对36例儿童患者行tDCS治疗,得到类似的结论。Yook等所对1例皮质局灶发育不良患者进行2个疗程的tDCS治疗后痛性发作明显减少,也证明该技术的疗效。

3.tDCS在脑卒中后神经康复的应用

tDCS主要应用于改善脑卒中后运动功能,该疗效2005年就得到了证明,正极tDCS作用于受损侧的运动皮质,或负极作用于对侧的皮质,能改善卒中患者的运动功能,此作用的理论基础是卒中后两侧大脑半球皮质兴奋性的不平衡。Baker等M发现对语言相关区域进行正极电刺激能改善卒中后慢性失语患者的语言功能。大多数的研究探讨的是tDCS对于卒中后慢性功能障碍的康复的影响,Kim等国通过动物研究证实,在亚急性期行正极tDCS也能改善运动功能,而且还有利于损伤侧大脑半球运动神经元的保存。

4.tDCS在帕金森疾病中的应用

最早将tDCS应用于帕金森病的研究见于Fregni等的报告,对初级运动皮质进行正极tDCS,患者的UPDRS评分有明显改善。Benninger等时发现tDCS作用于前额皮质能引起患者步态和运动迟缓症状的改善,但是目前对于帕金森疾病的最适宜的治疗参数还没有明确的结论,仍待进-步研究充分探讨。

5.tDCS在疼痛中的应用

研究证实对大脑不同区域进行tDCS调控都可以改变疼痛阈值。Antal等发现对各种慢性疼痛患者进行M1区的正极调控,能提高疼痛阈值,Boggio等发现对健康受试者的背外侧前额叶皮质( dorsal lateral prefrontal cortex, DLPFC)行正极tDCS也能提高痛阈值,从而减轻疼痛,但是tDCS能引起疼痛阈值改变的作用机制暂时还不完全明确,需要进步研究揭示。

6.tDCS在抑郁症中的应用

长期的研究认为,抑郁症的发病机制是左侧前额皮质的兴奋性过低,右侧前额皮质兴奋性过高。Boggio等证实正极tDCS作用于左侧DLPFC对抑郁症有较好疗效,Brunoni等对抑郁患者进行连续治疗也取得了类似的效果。但是Palm等对抑郁患者采取更弱的治疗方案效果不如前述研究。因此,不同研究得到的结论不完全一致可能与不同研究的患者严重程度不一所采用的治疗参数和评价指标均不完全一致有关系。

小结

本文介绍了tDCS技术的电生理机制、技术进展、对生理功能的影响在神经精神疾病中的应用和不良反应。tDCS作为重要的神经调控手段,具有安全性高、操作简单等优势,目前受到了越来越多的关注,随着技术参数的不断改进,作用效果逐渐明确,应用领域也不断拓展,而且tDCS对脑节律具有良好的调节作用,与其他技术结合时能作为研究脑功能的重要手段,在神经精神疾病治疗和脑功能探索方面将有非常广泛的前景。当前的研究相对零散.不够系统,尚需进一步 研究以充分探讨其作用机制确定最适合治疗的疾病和最优治疗参数。

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