經(jīng)顱電刺激在嚙齒動(dòng)物中的研究進(jìn)展*

宋美慧， 王玉梅， 周 正， 褚光輝， 付 玉

（昆明理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院，云南昆明 650000）

經(jīng)顱電刺激（transcranial electrical stimulation，tES）是一種通過在頭皮上施加微弱電流來改變大腦功能的神經(jīng)調(diào)節(jié)工具。該方法在上世紀(jì)80 年代被提出，隨著社會老齡化和神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)病率的日益增長，該方法由于其無創(chuàng)、副作用小、成本低、易操作等優(yōu)勢，近年來逐漸受到重視［1］。目前tES 已應(yīng)用于改善認(rèn)知功能和運(yùn)動(dòng)功能障礙，以及治療包括阿爾茨海默?。ˋlzheimer disease，AD）和帕金森?。≒arkinson disease，PD）在內(nèi)的神經(jīng)退行性疾病。

tES 的裝置因簡單，主要包括刺激儀和電極。tES 依據(jù)刺激電流主要分為經(jīng)顱直流電流刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）和經(jīng)顱交流電流刺激（transcranial alternating current stimulation，tACS）兩種，依據(jù)刺激電極極性tDCS 又分為陽極tDCS（anodal tDCS，atDCS）和 陰 極tDCS（cathodal tDCS，ctDCS）。tACS 則主要提供特定頻率的正弦交流電刺激，偽刺激在tDCS 和tACS 中作為對照使用。刺激電極的選材也十分簡單，如生理鹽水浸泡的海綿、導(dǎo)電凝膠等，不僅可以減少刺激部位與電極接觸的不良反應(yīng)，還可以避免如tDCS 中的電極極化等問題。此外，根據(jù)刺激方案不同，tES 刺激電極可置于頭皮的任一位置，其對電極在嚙齒動(dòng)物中通常置于胸腹部（圖1A）。刺激狀態(tài)通?？煞譃樽杂苫顒?dòng)狀態(tài)和束縛狀態(tài)（圖1B）。

Figure 1. Schematic diagram of tES in rodents. A：the set-up of tES in rodents；B：tES for freely moving rodents（left）and restrained rodents（right）. During freely moving state，animals can move freely in an experimental apparatus，such as in a cage. tES includes two electrodes：active electrode and counter electrode. The active electrode is positioned over the skull，and the counter electrode is usually applied over the ventral thorax. The active electrode consists of a plastic tube filling with saline solution just prior to stimulation. The counter electrode can be an adhesive conductive gel，and can be fixed by a custom corset to ensure its stability. The wires from the counter electrode to the tES stimulator can also be fixed in the corset. The size of the active electrode is specified by the diameter of the tube，and that of the counter electrode is specified by the size of the conductive gel（refer to“A fixation device for nerve stimulation in mice"，patent No. 201921895884.6）. There is no custom corset for the restrained animals during tES，and the counter electrode can be directly connected to the stimulator.Animals are placed in a plastic container with their heads and the above active electrodes outside，and with their noses and mouths located in a curved semicircle ring for avoiding moving. The plastic container can be fixed by several rubber bands during tES（refer to“A fixation device in mice"，patent No. 201710120994.4）.圖1 嚙齒動(dòng)物tES示意圖

在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域中，嚙齒動(dòng)物模型是最常用、最有利的工具之一。嚙齒動(dòng)物具有遺傳背景清晰、方便飼養(yǎng)和繁殖等優(yōu)勢，尤其在制備各種疾病或某種癥狀的模型方面較為理想，如早衰小鼠模型、AD 小鼠模型等。在嚙齒動(dòng)物中進(jìn)行tES研究具有很多優(yōu)勢，不僅便于操作，還可以精確地了解神經(jīng)元所承受的電流強(qiáng)度和方向，尤其是對于一些非常規(guī)且風(fēng)險(xiǎn)較高的刺激方案［2］。簡言之，嚙齒動(dòng)物模型為探索tES增強(qiáng)腦功能的研究提供了諸多便利，已成為臨床應(yīng)用前的“試驗(yàn)場”。本文總結(jié)了近年來tES 在嚙齒動(dòng)物上的研究進(jìn)展，重點(diǎn)闡述了其作用效果以及相關(guān)機(jī)制。

1 tES的功能研究

目前，tES 的功能研究中，tDCS 一直備受關(guān)注。tDCS 在嚙齒動(dòng)物模型中主要用于緩解神經(jīng)系統(tǒng)疾病，還可用于改善認(rèn)知功能，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)能力。而tACS的功能研究在嚙齒動(dòng)物上幾乎沒有。臨床研究報(bào)道tACS 可以調(diào)節(jié)聽力、運(yùn)動(dòng)、認(rèn)知和記憶功能等，而嚙齒動(dòng)物研究則側(cè)重于闡述tACS可能的作用機(jī)制。

1.1 tDCS 在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用 tDCS 在AD、PD、中風(fēng)、抑郁、癲癇、譫妄等多種類型的神經(jīng)系統(tǒng)疾病模型中對其病理癥狀均有緩解作用。（1）就AD 而言，tDCS 可以改善AD 大鼠和小鼠的認(rèn)知功能［3-4］，單次和重復(fù)多次的tDCS 均可改善其空間學(xué)習(xí)和記憶能力，并且這種改善作用可維持長達(dá)2個(gè)月［5］。（2）就PD 而言，tDCS 可暫時(shí)改善PD 嚙齒動(dòng)物模型的運(yùn)動(dòng)行為［6-7］，增加PD 小鼠多巴胺含量，通過調(diào)節(jié)自噬來緩解1-甲基-4-苯基-1，2，3，6-四氫吡啶（1-methyl-4-phenyl-1，2，3，6-tetrahydropyridine，MPTP）引起的PD癥狀［8］，并且具有神經(jīng)保護(hù)作用［9］。（3）tDCS還可緩解中風(fēng)。有研究表明ctDCS 在中風(fēng)的急性期發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用［10］。tDCS調(diào)節(jié)小鼠的神經(jīng)發(fā)生并激活小膠質(zhì)細(xì)胞，表明tDCS 可促進(jìn)中風(fēng)后功能的恢復(fù)［11］。（4）tDCS 還具有顯著的抗抑郁作用［12］。tDCS 具有持久（3 周）的抗抑郁作用，同時(shí)不會影響動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)功能，也不會使動(dòng)物產(chǎn)生焦慮樣行為，但其作用效果依賴于刺激參數(shù)的設(shè)置［13-15］。有研究者認(rèn)為tDCS 有望成為重度抑郁癥的一種極其有效的干預(yù)措施［16］。（5）tDCS 還具有抗癲癇作用。tDCS 能有效治療癲癇發(fā)作，并且可以對癲癇的發(fā)作產(chǎn)生短期和長期抑制作用；同時(shí)確定100 μA 是癲癇發(fā)作和其他行為障礙的tDCS 使用最低閾值［17］。（6）tDCS 還能夠使嚙齒動(dòng)物從譫妄中快速恢復(fù)，特別在右側(cè)額葉區(qū)域中tDCS 的應(yīng)用受到越來越多研究者的關(guān)注，表明它可能具有預(yù)防或快速治療譫妄的潛力［18］。相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)總結(jié)見表1。

表1 tDCS在嚙齒動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用Table 1. Effect of tDCS on nervous system diseases in rodents

1.2 tDCS 對認(rèn)知功能的作用 （1）tDCS 可改善小鼠的認(rèn)知功能。有研究表明，重復(fù)多次的atDCS 可以改善空間記憶和工作記憶，而不影響運(yùn)動(dòng)和焦慮等行為，并且tDCS 對小鼠工作記憶的改善在4 周后仍然存在［22］。還有研究發(fā)現(xiàn)，tDCS除了可以逆轉(zhuǎn)AD轉(zhuǎn)基因小鼠的認(rèn)知障礙，還可以改善正常小鼠的認(rèn)知能力［3］。atDCS 在AD 的早期也可改善空間學(xué)習(xí)和記憶，減輕Aβ 沉積并對神經(jīng)元具有保護(hù)作用［19］。此外，atDCS可增加小鼠腦中微血管流動(dòng)和組織的氧合指數(shù)，這有助于改善神經(jīng)系統(tǒng)的認(rèn)知功能［23］。（2）tDCS也能改善大鼠的認(rèn)知功能［5］。tDCS可以提高大鼠的記憶能力，有效緩解其認(rèn)知障礙［19］。已有研究證明atDCS 對大鼠空間記憶的提高具有長期效果［24］。對于AD 大鼠進(jìn)行單次和重復(fù)多次的tDCS 不僅能改善空間學(xué)習(xí)和記憶［4］，而且具有明顯的神經(jīng)保護(hù)作用［5］。此外，Leffa 等［25］也證明tDCS 能有效治療大鼠顱腦外傷后的注意力障礙。相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)總結(jié)見表2。

表2 tDCS對嚙齒動(dòng)物認(rèn)知功能的作用Table 2. Effect of tDCS on cognitive function of rodents

1.3 tDCS 對運(yùn)動(dòng)功能的作用 tDCS 對運(yùn)動(dòng)功能的影響在臨床上研究較多，在嚙齒動(dòng)物上研究較少。嚙齒動(dòng)物上的研究主要偏向于tDCS 影響運(yùn)動(dòng)功能的機(jī)制，如對皮層興奮性的影響，相關(guān)腦區(qū)主要為運(yùn)動(dòng)皮層，如初級運(yùn)動(dòng)皮層（primary motor cortex，M1）和次級運(yùn)動(dòng)皮層（secondary motor cortex，M2）。M1區(qū)與運(yùn)動(dòng)執(zhí)行、運(yùn)動(dòng)技巧記憶的形成和鞏固相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，atDCS能夠增強(qiáng)大小鼠運(yùn)動(dòng)皮層的運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位，而ctDCS 則具有抑制作用［27］，表明tDCS 可以影響運(yùn)動(dòng)神經(jīng)系統(tǒng)的功能。其次，tDCS 能夠影響大鼠運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)元單位放電［28］、誘發(fā)場電位［29］，以及運(yùn)動(dòng)皮層之間的神經(jīng)傳導(dǎo)［30］。而在小鼠上的研究發(fā)現(xiàn)，tDCS 能夠增強(qiáng)M1 區(qū)BDNF 依賴的突觸可塑性，提示tDCS 在提高運(yùn)功技能學(xué)習(xí)中具有潛在作用［9，31］。再次，在PD 模型上的研究顯示，tDCS 應(yīng)用于大小鼠的M1區(qū)均具有潛在的神經(jīng)保護(hù)作用，并促進(jìn) 肢 體 運(yùn) 動(dòng) 等［10，21，28］。相 關(guān) 文 獻(xiàn) 的 數(shù) 據(jù) 總 結(jié)見表3。

表3 tDCS對嚙齒動(dòng)物運(yùn)動(dòng)功能的作用Table 3. Effect of tDCS on motor function of rodents

1.4 tDCS 對其他功能的作用 tDCS 在其他功能上的研究主要是在大鼠上，在改善視覺功能和調(diào)節(jié)腦血流量方面均有報(bào)道。有研究表明，tDCS 可改善弱視大鼠的視覺能力［34］，重復(fù)多次的atDCS 提高了弱視大鼠的視覺敏感度，有效恢復(fù)弱視動(dòng)物的視覺功能。還有研究發(fā)現(xiàn)tDCS 可調(diào)節(jié)局部腦血流量，對大鼠給予atDCS，30 min后其腦血流量增加，ctDCS則降低腦血流量，因此表明tDCS 通過電極極性依賴的方式調(diào)節(jié)腦血流量［35］。此外，ctDCS在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中亦可引起長達(dá)90 min 的可逆性局部腦血流量的減少，并且腦血流量減少的區(qū)域并不局限于刺激的部位［36］。相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)總結(jié)見表4。

表4 tDCS對嚙齒動(dòng)物其他功能的作用Table 4. Effect of tDCS on other functions of rodents

2 tES的機(jī)制研究

tES 因其潛在的治療價(jià)值而受到關(guān)注，因此近年來對其機(jī)制的研究也逐漸增加。tDCS的機(jī)制研究較多，主要體現(xiàn)在對神經(jīng)元興奮性、突觸可塑性與Ca2+濃度的影響等方面；tACS的機(jī)制研究較少，主要涉及調(diào)節(jié)腦節(jié)律，并影響興奮/抑制平衡等方面。

2.1 tDCS 對神經(jīng)元興奮性的影響 tDCS 對神經(jīng)元興奮性的具有調(diào)節(jié)作用［32，39］。根據(jù)陽極或陰極刺激，tDCS分別增加或降低皮質(zhì)興奮性，這取決于電流的極性。由于不同極性直流電所引起的靜息膜電位變化不同，從而引起神經(jīng)元的放電速率增加或降低。atDCS 導(dǎo)致神經(jīng)元的去極化引起興奮性作用，而在ctDCS則引起超極化抑制皮層神經(jīng)元活動(dòng)［32］，進(jìn)而影響動(dòng)物的認(rèn)知和行為表現(xiàn)［40］。tDCS 對動(dòng)物的額葉、海馬、運(yùn)動(dòng)皮層、視皮層等腦區(qū)的神經(jīng)元興奮性均可產(chǎn)生顯著影響，并在這些皮層中產(chǎn)生持久的刺激后效應(yīng)［37-38，41-43］。

tDCS對神經(jīng)元興奮性的影響與腦內(nèi)中樞神經(jīng)遞質(zhì)興奮/抑制平衡調(diào)節(jié)有關(guān)。tDCS 可以調(diào)節(jié)腦內(nèi)谷氨酸能、γ-氨基丁酸（γ-aminobutyric acid,GABA）能和多巴胺能系統(tǒng)的活動(dòng)[44]。tDCS 能夠增強(qiáng)大鼠腦內(nèi)的GABA 抑制作用，引起GABA 濃度的降低，并且這些變化與大鼠的運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)、運(yùn)動(dòng)記憶過程高度相關(guān)[45]。此外，atDCS 能夠增強(qiáng)PD 大鼠中多巴胺能神經(jīng)細(xì)胞移植的存活和整合[7]。

2.2 tDCS 對突觸可塑性的影響 tDCS 能夠改變神經(jīng)元的突觸可塑性［33，42，46］。tDCS 調(diào)節(jié)感覺運(yùn)動(dòng)皮層［47］和聽覺皮層［48］神經(jīng)元的突觸可塑性。tDCS可以影響突觸可塑性及長時(shí)程增強(qiáng)（long-term potentiation，LTP）的分子決定因素，如腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）。atDCS 增強(qiáng)大鼠的海馬LTP，ctDCS 則具有相反的作用，并且atDCS 對海馬LTP 的影響在刺激結(jié)束一周后仍持續(xù)存在［49-50］。atDCS 可以通過調(diào)控BDNF 的表達(dá)來增強(qiáng)嚙齒動(dòng)物的皮層神經(jīng)元突觸可塑性，進(jìn)而提高動(dòng)物的記憶能力［13］。atDCS 可以促進(jìn)運(yùn)動(dòng)皮層的神經(jīng)元活動(dòng)，增加BDNF 的分泌，影響運(yùn)動(dòng)皮層神經(jīng)元的突觸可塑性，提示BDNF 在tDCS 誘導(dǎo)的突觸可塑性變化中具有重要作用［13］。

2.3 tDCS 對Ca2+濃度的影響 tDCS 能夠引起大腦中Ca2+的積聚。在tDCS刺激的同側(cè)大腦半球中，Ca2+積累的程度比在對側(cè)大腦半球中更大，并且在海馬和下丘腦皮層中也發(fā)現(xiàn)了Ca2+積聚［51］。據(jù)報(bào)道，tDCS 能夠引起整個(gè)大腦皮層星形膠質(zhì)細(xì)胞中Ca2+大幅度激增，同時(shí)降低小膠質(zhì)細(xì)胞的活性，增強(qiáng)神經(jīng)元間的突觸傳遞，但局部場電位并沒有發(fā)生明顯的改變［52］。研究表明，tDCS 引起細(xì)胞內(nèi)Ca2+水平增加［13］，主要是由于電壓門控鈣通道的激活引起的。此外，Ca2+濃度的升高對神經(jīng)元突觸可塑性及動(dòng)物的抑郁樣行為具有改善作用［53］。

有關(guān)tDCS機(jī)制研究的總結(jié)見表5。

表5 tDCS在嚙齒動(dòng)物中的作用機(jī)制Table 5. The mechanisms of tDCS in rodents

2.4 tACS 的機(jī)制 相對tDCS 而言，tACS 的機(jī)制研究較少?，F(xiàn)有觀點(diǎn)認(rèn)為tACS 的機(jī)制主要是同步化或去同步化神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，從而改變大腦振蕩節(jié)律，但其具體的作用原理尚不明確。tACS在嚙齒類模型中的機(jī)制研究主要分為兩方面。一方面，tACS 可以調(diào)節(jié)興奮性和抑制性皮層神經(jīng)元的活動(dòng)，對皮層興奮/抑制平衡產(chǎn)生影響。tACS 可以改變腦內(nèi)GABA 水平，特別是對GABAA受體介導(dǎo)的神經(jīng)活動(dòng)產(chǎn)生影響，在各腦區(qū)之間的連接性方面產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用［57］。另一方面，tACS可以直接干擾并調(diào)節(jié)大腦節(jié)律，從而影響認(rèn)知過程［58］。已有研究對多個(gè)皮質(zhì)區(qū)域進(jìn)行tACS，發(fā)現(xiàn)tACS 在較低頻率下可以調(diào)節(jié)細(xì)胞膜電位，引起神經(jīng)元振蕩，但在較高頻率下卻對大腦神經(jīng)活動(dòng)沒有明顯作用［59］。也有研究表明tACS 在麻醉和清醒動(dòng)物中對其感覺和視皮層具有調(diào)節(jié)作用［5］，但有研究者提出tACS 的刺激作用是高度依賴動(dòng)物狀態(tài)的，因?yàn)樯疃嚷樽肀旧頃绊懘竽X的振蕩，從而干擾tACS 的刺激效果［60］。此外，還有研究認(rèn)為tACS 到達(dá)皮層的電位較少，不足以引起神經(jīng)活動(dòng)。研究證明tACS對運(yùn)動(dòng)皮層的作用是由經(jīng)皮刺激引起周圍神經(jīng)活動(dòng)而產(chǎn)生的，并不是由經(jīng)顱刺激皮層神經(jīng)活動(dòng)引起的［61］。因?yàn)榻?5%的電流通過軟組織和顱骨后會衰減，實(shí)際到達(dá)刺激腦區(qū)的電流只有25%，特別是在電極非?？拷鼤r(shí)，電流的流失比例會更高，電流更有可能在頭皮上分流［62］。

3 tES的刺激參數(shù)

tES 刺激參數(shù)設(shè)置，如電極極性（tDCS）、刺激頻率（tACS）、電流強(qiáng)度（密度）、刺激時(shí)間、重復(fù)刺激次數(shù)、實(shí)驗(yàn)周期等，以及tES 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物參數(shù)，如動(dòng)物品系、性別、年齡等，對tES 實(shí)驗(yàn)結(jié)果都具有較大影響。（1）在小鼠中，通常選擇C57 小鼠或者特定模型的雄性小鼠。對于電極極性而言，陽極刺激的研究較多，其研究進(jìn)展也較多。研究中所使用的電流密度差異性較大，但使用5.71 mA/cm2電流密度的研究較多，此外，使用電流強(qiáng)度為200～350 μA 的研究也較多。對于刺激次數(shù)而言，單次和重復(fù)多次的均有使用，且重復(fù)刺激的次數(shù)也不太統(tǒng)一，但重復(fù)10 次的研究較多，刺激的持續(xù)時(shí)間一般為10～20 min。（2）在大鼠中，通常選擇SD 和Wistar 大鼠或者特定模型的雄性大鼠。對于電極極性而言，也是陽極刺激的研究居多。電流強(qiáng)度（密度）設(shè)置的差異性也比較大。對于重復(fù)次數(shù)而言，單次和重復(fù)多次刺激均有使用，且重復(fù)次數(shù)也不太統(tǒng)一，但刺激的持續(xù)時(shí)間與小鼠相似，通常為10～20 min。

tDCS應(yīng)用的腦區(qū)會產(chǎn)生不同的效果，位置不同，電流強(qiáng)度也會有少許差異。在小鼠中刺激腦區(qū)為額葉皮層、海馬、頂葉皮層、運(yùn)動(dòng)皮層、視皮層和聽皮層；而對電極多數(shù)置于胸腹部，少數(shù)置于肩頸部。在大鼠中的刺激區(qū)域與小鼠類似。

4 tES的安全性

對于tES 在嚙齒動(dòng)物中的安全性分析，目前對tDCS 的關(guān)注稍多，但還不夠完善。在tDCS 中其不良反應(yīng)和癲癇發(fā)作風(fēng)險(xiǎn)均很低。當(dāng)使用atDCS 在20 A/m2的電流密度下觀察到刺激部位病變，該電流密度低于先前報(bào)道的ctDCS 為142.9 A/m2的安全閾值［2］。但Jackson等［63］的研究表明，在大腦內(nèi)部進(jìn)行tDCS處理期間，當(dāng)電流密度小于20 A/m2時(shí)不會引起運(yùn)動(dòng)功能和學(xué)習(xí)記憶能力損傷；tDCS 對腦形態(tài)、神經(jīng)結(jié)構(gòu)、神經(jīng)遞質(zhì)水平或腦溫沒有顯著影響；而電流密度較高的刺激會導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞表型變化。此外，有研究發(fā)現(xiàn)ctDCS 在500 μA 的電流強(qiáng)度下對嚙齒動(dòng)物是安全的，對成年雄性大鼠的運(yùn)動(dòng)能力、運(yùn)動(dòng)耐力和空間學(xué)習(xí)記憶等行為指標(biāo)均沒有影響［64］。相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)總結(jié)見表6。

表6 tDCS在嚙齒動(dòng)物中的安全性Table 6. The safety of tDCS in rodents

5 小結(jié)

tES 在嚙齒動(dòng)物（小鼠和大鼠）上的研究進(jìn)展表明：tES在改善AD、PD、抑郁、癲癇等神經(jīng)系統(tǒng)疾病方面有潛在作用，也可以有效改善認(rèn)知、調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)興奮性等腦功能。這些進(jìn)展可為后續(xù)的tES 相關(guān)研究提供參考。一方面，tDCS的研究偏向于功能方面，近年來對tES機(jī)制上的研究逐漸增加，但關(guān)于功能與機(jī)制結(jié)合的研究目前較少，期待進(jìn)一步的研究。另一方面，目前tACS 在嚙齒動(dòng)物上的基礎(chǔ)研究相對較少，機(jī)制研究也較為欠缺，相反，在臨床上的研究較多，因此，可以通過在嚙齒動(dòng)物模型上的試驗(yàn)，驗(yàn)證tACS在臨床上的研究結(jié)果，以此進(jìn)一步探索與促進(jìn)tACS這種神經(jīng)調(diào)節(jié)技術(shù)的發(fā)展。此外，tES 的刺激參數(shù)需要標(biāo)準(zhǔn)化，目前使用的參數(shù)不一，從而引起的作用效果差異較大，其中以電流密度至關(guān)重要，但這一參數(shù)在嚙齒動(dòng)物的研究尚存較大差異。最后，tES 的安全性也需要開展進(jìn)一步研究，目前為止，對電流大小和密度以及其它參數(shù)的安全閾值報(bào)導(dǎo)尚少，因此tES參數(shù)設(shè)置的安全范圍還有待界定。