王 玲 楊佳佳 王發(fā)頎 萬柏坤 明 東

(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072)

引言

抑郁癥(depression)是一種常見的心境障礙(又被形容為“心靈感冒”)，在精神上表現(xiàn)為心境低落、思維遲緩(輕度抑郁)，認(rèn)知功能損害、意志活動(dòng)減退(重度抑郁)，嚴(yán)重抑郁甚至?xí)T發(fā)消極自殺觀念或行為。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)，截至2012年，全球約有3.5億的抑郁癥患者，我國(guó)的抑郁癥患病率為3.02%[1]。預(yù)計(jì)到2030年，抑郁癥將成為我國(guó)疾病負(fù)擔(dān)位居第一的疾病[2]。

目前，對(duì)抑郁癥主要有藥物、心理和物理三大類治療方法。藥物治療是當(dāng)前主要的手段[3]，但部分患者對(duì)現(xiàn)有藥物不敏感，長(zhǎng)期服用會(huì)產(chǎn)生依賴性、記憶力減退，甚至出現(xiàn)臟器功能紊亂、骨質(zhì)疏松等副作用；心理治療則需在醫(yī)患之間建立特殊的心境溝通與情感互動(dòng)關(guān)系后才能見效，故起效較慢，療程較長(zhǎng)，效果難以預(yù)料。物理治療采用電場(chǎng)或磁場(chǎng)等物理因子直接作用于患者大腦皮層相關(guān)的情感認(rèn)知功能腦區(qū)，注入電磁能量以重新激發(fā)神經(jīng)元細(xì)胞電生理活動(dòng)，促其向正常心理狀態(tài)轉(zhuǎn)化，目前主要有電休克治療(electric shock treatment, ECT)、經(jīng)顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation, tDCS)和經(jīng)顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)治療。電休克治療一般僅限用于有嚴(yán)重消極自殺傾向的重度抑郁癥患者(不建議對(duì)普通輕中度抑郁癥患者施治)；而經(jīng)顱磁刺激是一種新型的物理治療技術(shù)，因其有非侵入、安全、有效的優(yōu)勢(shì)，主要適用于輕中度的抑郁癥患者，故具有更廣泛的臨床應(yīng)用價(jià)值[4]。

電休克治療(ECT)采用高電壓脈沖電場(chǎng)作用于患者頭皮，使脈沖電流透過顱腦屏障作用于大腦皮層神經(jīng)元群，迫使其重新活動(dòng)，促進(jìn)其正常轉(zhuǎn)化[5]。但由于顱腦的容積導(dǎo)電效應(yīng)和血腦屏障影響，使加于頭皮的高壓脈沖電場(chǎng)作用很難準(zhǔn)確無損地深入傳導(dǎo)至靶向腦區(qū)的內(nèi)神經(jīng)元細(xì)胞群，使臨床上ECT往往事倍功半，療效太低，且令患者承受巨大肉體與精神痛苦，副作用太大[4,6]。經(jīng)顱直流電刺激利用低強(qiáng)度直流電(1～2 mA)調(diào)節(jié)大腦皮層神經(jīng)元活動(dòng)，其設(shè)備包括陰、陽兩個(gè)電極[7]。刺激分為陰極刺激和陽極刺激兩種，當(dāng)陽極靠近神經(jīng)細(xì)胞胞體或樹突時(shí)，靜息膜電位降低，發(fā)生去極化，被刺激部位皮質(zhì)神經(jīng)元的興奮性增強(qiáng)；當(dāng)陰極靠近時(shí)，靜息膜電位升高，發(fā)生超極化，被刺激部位的皮質(zhì)神經(jīng)元興奮性減弱[8-9]。相比于TMS，目前關(guān)于tDCS抗抑郁治療的研究較少。經(jīng)顱磁刺激(TMS)技術(shù)很大程度上是針對(duì)ECT所存在的缺陷發(fā)展起來的。TMS在對(duì)應(yīng)于靶向腦區(qū)的頭皮部位放置通電線圈，經(jīng)控制線圈中電流變化在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)，使磁場(chǎng)透過顱骨(基本無阻擾)到達(dá)指定大腦皮層患區(qū)并在其內(nèi)產(chǎn)生電脈沖，使該區(qū)域神經(jīng)元重新興奮，從而影響患區(qū)神經(jīng)元細(xì)胞電生理活動(dòng)與大腦皮質(zhì)認(rèn)知功能(見圖1)[6]，促其好轉(zhuǎn)。因此，相比于ECT方法，TMS技術(shù)顯然具有安全、有效的優(yōu)勢(shì)，而且有良好的靶向聚焦能力(可極大降低誤刺激等副作用風(fēng)險(xiǎn))。用rTMS治療抑郁癥是非侵入式腦刺激中最有前途的應(yīng)用之一[10]，并且該治療方法已經(jīng)通過了美國(guó)食品和藥品管理局(FDA)的批準(zhǔn)。

圖1 經(jīng)顱磁刺激原理Fig.1 The principle sketch map of TMS

在神經(jīng)學(xué)研究中，最常用的實(shí)驗(yàn)動(dòng)物是嚙齒類，它們能夠表現(xiàn)出與人類疾病相關(guān)的各種行為。因此，許多學(xué)者通過建立抑郁模型鼠來探究經(jīng)顱磁刺激的物理治療作用及機(jī)理(見圖2)。雖然已有不少人體臨床研究證實(shí)了TMS技術(shù)治療抑郁癥的有效性，但對(duì)其作用機(jī)理的全面了解和刺激參數(shù)的優(yōu)化選擇仍需開展大量抑郁模型動(dòng)物的前期基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)研究。下面從TMS刺激參數(shù)(靶區(qū)部位、刺激時(shí)間、頻率和強(qiáng)度)與作用機(jī)制(神經(jīng)遞質(zhì)表達(dá)、神經(jīng)元活性和可塑性、神經(jīng)元結(jié)構(gòu)與數(shù)量、皮質(zhì)興奮性、調(diào)節(jié)基因表達(dá))兩個(gè)方面，綜述近年國(guó)內(nèi)外對(duì)抑郁模型動(dòng)物實(shí)施TMS作用的實(shí)驗(yàn)研究的主要進(jìn)展，歸納其尚存在的問題并展望今后可能的發(fā)展前景，以期促進(jìn)TMS技術(shù)治療抑郁癥研究的深入開展。

圖2 嚙齒類動(dòng)物經(jīng)顱磁刺激Fig.2 Transcranial magnetic stimulation (TMS) to rodents

1 不同刺激參數(shù)對(duì)抑郁模型動(dòng)物的作用效果

根據(jù)TMS刺激模式，可分為單脈沖經(jīng)顱磁刺激(single-pulse TMS, sTMS)、雙脈沖經(jīng)顱磁刺激(paired-pulse TMS, pTMS)和重復(fù)性經(jīng)顱磁刺激(repetitive TMS, rTMS)3種。在抑郁癥的治療和研究中，多采用重復(fù)性經(jīng)顱磁刺激(rTMS)。rTMS的刺激參數(shù)主要包括刺激部位、刺激時(shí)間、重復(fù)刺激頻率和刺激強(qiáng)度；TMS是基于脈沖磁場(chǎng)來影響腦部電生理活動(dòng)的外界刺激方式，因此其刺激參數(shù)的設(shè)置會(huì)產(chǎn)生不同的治療效果。下面分別從這幾個(gè)參數(shù)的作用效果闡述有關(guān)的研究進(jìn)展。

1.1 刺激部位

TMS刺激部位即其磁能作用于大腦皮層神經(jīng)元集群的位置，亦稱“刺激靶區(qū)或作用(治療)靶區(qū)”?；诂F(xiàn)代腦功能成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)，相比正常人，抑郁癥患者的左腦或右腦背外側(cè)前額葉皮層(dorsolateral-prefrontal cortex, DLPFC)有病變現(xiàn)象[4]，因此應(yīng)用TMS臨床治療時(shí)通常將此作為刺激靶區(qū)。而對(duì)于抑郁模型動(dòng)物(尤其是嚙齒類)，其頭部較小，要想準(zhǔn)確定位刺激某特定腦區(qū)皮質(zhì)較困難。在現(xiàn)有抑郁模型動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道中，刺激線圈多覆蓋整個(gè)頭部[11](見圖2)，即其實(shí)際作用(治療)靶區(qū)仍有待進(jìn)一步精確測(cè)定(需靠該區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度分布精密檢測(cè)或作用的神經(jīng)生物效應(yīng)差異來判斷)。也有學(xué)者較成功地將刺激靶區(qū)選擇在大鼠的雙側(cè)前額葉來進(jìn)行TMS刺激，結(jié)果顯示TMS明顯改善了抑郁大鼠的活動(dòng)能力下降、興趣喪失和快感缺乏等抑郁樣特征[12]，證實(shí)TMS技術(shù)對(duì)抑郁癥有良好的治療效果，其刺激靶區(qū)選擇與準(zhǔn)確聚焦是關(guān)鍵。

1.2 刺激時(shí)間

TMS通過在刺激靶區(qū)感應(yīng)出微小電流，使腦部特定區(qū)域神經(jīng)重新興奮，以恢復(fù)其正常功能。如果刺激時(shí)間短，則靶區(qū)神經(jīng)興奮的傳導(dǎo)路徑較短；反之，較長(zhǎng)時(shí)間的刺激必然誘發(fā)長(zhǎng)路徑的興奮傳導(dǎo)，使更大范圍神經(jīng)重新正常興奮并得以康復(fù)。因此，刺激時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)影響治療作用效應(yīng)。這里單個(gè)TMS時(shí)間為每個(gè)脈沖時(shí)間寬度×每個(gè)序列脈沖個(gè)數(shù)(如20個(gè)/序列)；對(duì)于重復(fù)經(jīng)顱磁刺激(rTMS)，總刺激時(shí)間還需乘以重復(fù)施加脈沖序列個(gè)數(shù)，故rTMS能有更長(zhǎng)的刺激時(shí)間以獲得不同的作用效果。目前大部分抑郁模型動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究的rTMS刺激總時(shí)間為1～2周不等[13-14]。因此，對(duì)于刺激時(shí)間的設(shè)定，包括刺激的天(周)數(shù)，每次刺激的作用時(shí)間(一般單位為s)等。

Tan等為探究不同刺激時(shí)間的作用效應(yīng)影響，對(duì)分組后的正常SD大鼠分別施加14和7 d的低頻rTMS(20個(gè)序列，間隔10 s，每序列有20個(gè)脈沖)后分析了刺激靶區(qū)海馬CA1錐體細(xì)胞動(dòng)作電位(action potential，AP)的特征變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)14 d的rTMS對(duì)AP的峰值、最大上升斜率和閾值產(chǎn)生了顯著影響，而7 d的rTMS只對(duì)AP的峰值和最大上升斜率有顯著影響。由此推測(cè)：1和2周的rTMS對(duì)健康SD大鼠海馬CA1錐體細(xì)胞動(dòng)作電位波形的主要特征(峰值、最大上升斜率)影響差別不是很大[6]。

Yang等對(duì)抑郁模型大鼠實(shí)施每天10 min的rTMS刺激(含20個(gè)刺激序列，序列間隔25 s，每個(gè)序列包含50個(gè)脈沖)。連續(xù)給予10 d刺激后發(fā)現(xiàn)，抑郁大鼠的空間認(rèn)知功能顯著提高[15]。類似地，在Kim等和Ben-Shachar等的研究中，rTMS總時(shí)間也為10 d，但采取間隔刺激:連續(xù)刺激5 d后，休息2 d[16-17]；而Feng等報(bào)道，rTMS給予抑郁大鼠15 Hz的刺激2周后，大鼠的快感缺乏和絕望行為等抑郁樣行為有所緩解，但正常的運(yùn)動(dòng)功能沒有變化，說明rTMS可能選擇性地影響異常的神經(jīng)環(huán)路[18-19]。Zhang等實(shí)驗(yàn)研究還采取長(zhǎng)達(dá)4周時(shí)間的rTMS刺激：每周工作日連續(xù)刺激5 d，隨后2 d休息以恢復(fù)，每天刺激20個(gè)序列，每序列10個(gè)刺激脈沖，序列間隔為2 s[20]。以上各種不同總刺激時(shí)間的rTMS作用抑郁大鼠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果皆表明：rTMS可以提高抑郁大鼠的空間學(xué)習(xí)能力(由隨后的水迷宮測(cè)試結(jié)果得以證實(shí))。

綜上可見，大部分rTMS作用于抑郁大鼠的總刺激時(shí)間為2周，最多可達(dá)4周(少數(shù)短于2周)，這說明慢性的(即較長(zhǎng)時(shí)間的)rTMS比急性的刺激具有更好的抗抑郁效果。但是，還需結(jié)合考慮下述刺激頻率和刺激強(qiáng)度兩項(xiàng)參數(shù)所帶來的作用效應(yīng)差異來選擇最合適的刺激時(shí)間參數(shù)。

1.3 重復(fù)刺激頻率

rTMS可按其重復(fù)刺激頻率分為高頻(>1 Hz)和低頻(≤1 Hz)[10]，不同重復(fù)刺激頻率的rTMS對(duì)大腦皮層的調(diào)節(jié)作用雖然目前尚不十分明確，但可以確定高低頻rTMS作用有所不同。通常認(rèn)為，高頻重復(fù)刺激可以使局部皮質(zhì)的興奮性和血流量增加，并且在一定范圍內(nèi)與重復(fù)頻率呈正相關(guān)，興奮可以在腦內(nèi)擴(kuò)散。相反，低頻重復(fù)刺激可以降低皮質(zhì)的興奮性及血流量，這種抑制作用也會(huì)隨神經(jīng)通路擴(kuò)散到腦的其他部位[21]。

有研究顯示，當(dāng)給予大于50 Hz的重復(fù)刺激時(shí)，可能會(huì)誘發(fā)癲癇[22-23]。而Salunke等的研究則發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期處于頻率為50 Hz磁場(chǎng)環(huán)境(1 mT)下的健康大鼠也會(huì)誘發(fā)產(chǎn)生抑郁病癥(每天8 h浸泡在低頻磁場(chǎng)中，連續(xù)120天后觀察到了原本健康個(gè)體的抑郁樣行為[24]。因此，在探究rTMS對(duì)抑郁模型動(dòng)物的作用及機(jī)制實(shí)驗(yàn)中，重復(fù)刺激頻率多設(shè)計(jì)在1～30 Hz范圍內(nèi)。

在Kim等的研究中，rTMS的重復(fù)刺激頻率為10 Hz(1.4 T)，通過核磁共振光譜分析，確認(rèn)抑郁動(dòng)物腦內(nèi)的代謝物水平有顯著改變[25]。Sun等發(fā)現(xiàn)，10 Hz的rTMS刺激能改善大鼠的抑郁樣行為[26]。類似還有研究者選用15 Hz的rTMS來考察其對(duì)抑郁癥的治療作用，證明該頻率rTMS對(duì)大鼠的抑郁樣行為也有改善作用[18,27-28]。此外，Levkovitz等還發(fā)現(xiàn)，25 Hz(2.2 T)的rTMS刺激能顯著增強(qiáng)海馬突觸的可塑性[16]。

為了獲得治療抑郁的最佳刺激頻率參數(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了專門的實(shí)驗(yàn)對(duì)比。例如，葉青等將昆明種小鼠分為10 Hz刺激組、2 Hz刺激組、模型組和對(duì)照組，刺激強(qiáng)度均為2.0 T，發(fā)現(xiàn)頻率為2 Hz的rTMS對(duì)抑郁癥小鼠具有抗抑郁作用，而10 Hz稍高頻rTMS沒有明顯的抗抑郁作用[29]。此外，Sachdev等將抑郁大鼠分為給藥組和刺激組(分別給予1、5、15和25 Hz的rTMS，刺激強(qiáng)度均為2.3 T)，進(jìn)行了仔細(xì)的療效實(shí)驗(yàn)對(duì)比[19]。結(jié)果顯示：在1次治療后，刺激組間療效沒有顯著性差異，但均優(yōu)于給藥組；3次治療后，刺激組治療效果仍優(yōu)于給藥組，且15、25 Hz的較高重復(fù)頻率rTMS的治療效果優(yōu)于較低重復(fù)頻率1、5 Hz的治療效果；5次治療后，只有15、25 Hz的rTMS治療效果仍顯著優(yōu)于給藥組的治療效果；但待7次治療后，就只有25 Hz的rTMS治療效果顯著優(yōu)于給藥組的治療效果。因此可以認(rèn)為，雖然1～25 Hz的各種rTMS均有抗抑郁療效，但顯然25 Hz的rTMS抗抑郁效果最佳，治療作用更為持久。

在目前rTMS治療抑郁動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究中，常用的有效重復(fù)頻率多為5、15和25 Hz。雖然上述Sachdev療效對(duì)比研究中確認(rèn)15和25 Hz優(yōu)于1和5 Hz，但不可否認(rèn)較高重復(fù)頻率也有誘發(fā)其他腦神經(jīng)疾病(如癲癇)的危險(xiǎn)，因此rTMS重復(fù)刺激頻率的最優(yōu)選擇仍需綜合考慮利弊因素。

1.4 刺激強(qiáng)度

在rTMS治療抑郁動(dòng)物模型實(shí)驗(yàn)研究中，TMS刺激強(qiáng)度一般用磁通量密度單位——特斯拉(tesla，T)表示，也有部分研究用磁刺激器最大輸出量的百分比來表示刺激強(qiáng)度(如rTMS裝置最大功率輸出的百分?jǐn)?shù))[18,27]。在大于1 Hz高頻rTMS中刺激強(qiáng)度多為1.0～2.5 T[19,25,28]，但在Rodger的研究中用10 mT的脈沖磁場(chǎng)作用于小鼠，結(jié)果顯示可以促進(jìn)異常神經(jīng)回路的重構(gòu)[30]。如前所述，已有rTMS治療抑郁動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)證實(shí)：刺激靶區(qū)局部皮質(zhì)的興奮性不僅與刺激頻率呈正相關(guān)，也與刺激強(qiáng)度呈正相關(guān)，但過強(qiáng)的興奮性刺激則可能引起異常病態(tài)神經(jīng)活動(dòng)，如會(huì)誘發(fā)癲癇發(fā)作[31]。為此，在rTMS治療抑郁癥患者時(shí)，刺激強(qiáng)度一般要根據(jù)TMS可能誘發(fā)靶區(qū)局部組織的運(yùn)動(dòng)閾值來確定強(qiáng)度限值，臨床研究中刺激強(qiáng)度多為80%～120%的運(yùn)動(dòng)閾值[4,32-34]。

歸納以上rTMS刺激參數(shù)討論，如表1所示。

表1 rTMS刺激參數(shù)定義、作用效果、優(yōu)選方法一覽

2 TMS治療抑郁作用機(jī)制研究

在對(duì)rTMS作用機(jī)制的研究中，學(xué)者們從基因、分子蛋白、神經(jīng)元再到突觸和網(wǎng)絡(luò)水平等角度，分別進(jìn)行了研究并取得了一些成果，以下分別進(jìn)行介紹。

2.1 調(diào)節(jié)基因的表達(dá)

眾所周知，基因支持著生命基本構(gòu)造和性能，是決定生命健康的內(nèi)在關(guān)鍵因素。研究顯示，長(zhǎng)期持續(xù)的rTMS作用會(huì)誘導(dǎo)基因表達(dá)變化，它可以調(diào)節(jié)即刻早期基因(immediate early genes, IEG)的表達(dá)[35-36]。例如，觀察發(fā)現(xiàn)，一個(gè)TMS序列作用會(huì)引起丘腦室旁核中原癌基因c-FOS的mRNA增加[36]。rTMS可以從基因水平下調(diào)抑郁模型大鼠下丘腦中促腎上腺皮質(zhì)激素釋放激素(CRH)mRNA的表達(dá)[37]，上調(diào)海馬中腎上腺皮質(zhì)激素受體mRNA的表達(dá)[38]，促進(jìn)海馬中β1腎上腺素受體和β2腎上腺素受體mRNA的表達(dá)[39]，這些基因水平的調(diào)節(jié)作用可能最終通過調(diào)節(jié)下丘腦-垂體-腎上腺皮質(zhì)(HPA)軸的功能達(dá)到改善抑郁樣大鼠抑郁行為的效果。受此啟發(fā)，若rTMS能夠通過調(diào)節(jié)基因的表達(dá)治療抑郁癥，則將為有抑郁癥家族遺傳的病人帶去福音，由此也隱約展現(xiàn)出TMS治療抑郁癥的誘人前景。

2.2 影響神經(jīng)遞質(zhì)的表達(dá)

神經(jīng)遞質(zhì)是在突觸傳遞中擔(dān)當(dāng)“信使”的特定化學(xué)物質(zhì)，目前已知的神經(jīng)遞質(zhì)種類很多，主要有乙酰膽堿、多巴胺、去甲腎上腺素、5-羥色胺和氨基酸類等。對(duì)抑郁癥臨床治療有效藥物的研究已發(fā)現(xiàn)，幾乎所有有效治療抑郁的藥劑都能夠增加神經(jīng)突觸間隙的5-羥色胺和去甲腎上腺素的水平[40]?；诖?，許多科學(xué)家提出抑郁癥與神經(jīng)遞質(zhì)的表達(dá)有關(guān)。

Kim等通過高分辨核磁共振光譜分析發(fā)現(xiàn)，抑郁模型動(dòng)物在rTMS治療后，前額葉和海馬的γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid, GABA)含量顯著提高[25]。Ben-Shachar等研究發(fā)現(xiàn)，rTMS能夠使大鼠額葉的β-腎上腺素能受體水平上調(diào)，而在紋狀體下調(diào)；5-HT受體在額葉皮層下調(diào)，而其他腦區(qū)無變化；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，rTMS可以改變大鼠腦組織單胺類物質(zhì)的水平[36,41]。Keck等采用腦內(nèi)微透析方法，檢測(cè)rTMS對(duì)大鼠的海馬、紋狀體、伏核中多巴胺及其代謝物的釋放作用，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這3個(gè)部位的多巴胺及其代謝產(chǎn)物釋放明顯升高[42]。陳運(yùn)平等采用高效相色譜法檢測(cè)大鼠不同腦區(qū)內(nèi)單胺類神經(jīng)遞質(zhì)的含量，發(fā)現(xiàn)抑郁模型組大鼠額葉皮質(zhì)、海馬和下丘腦內(nèi)5-羥色胺以及海馬和紋狀體內(nèi)多巴胺的含量均明顯低于正常對(duì)照組的相關(guān)含量；而rTMS治療后，相關(guān)腦區(qū)的神經(jīng)遞質(zhì)含量上調(diào)，與正常對(duì)照組比較沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異[12]。

綜上可知，大腦組織中神經(jīng)調(diào)節(jié)和信息傳遞離不開各種化學(xué)物質(zhì)，其活性狀態(tài)和數(shù)量直接影響大腦的認(rèn)知功能，而TMS對(duì)抑郁癥的治療作用可能就是通過影響上述神經(jīng)遞質(zhì)類化學(xué)物質(zhì)表達(dá)來實(shí)現(xiàn)的。

2.3 影響神經(jīng)元活性和再生

神經(jīng)元的興奮性是其實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)，而Na+、Ca2+和K+通道在神經(jīng)元興奮性調(diào)節(jié)過程中起到很重要的作用?；诖?，Tan等研究了rTMS對(duì)海馬神經(jīng)元興奮性的調(diào)節(jié)作用，通過膜片鉗技術(shù)發(fā)現(xiàn)1 Hz的rTMS可以提高單個(gè)細(xì)胞的誘發(fā)動(dòng)作電位頻率，改變Na+通道的電生理學(xué)特性，減少K+通道的電流，增加Ca2+通道的最大電流峰值，這些改變皆對(duì)海馬神經(jīng)元興奮性起到調(diào)節(jié)作用，證明rTMS的短時(shí)作用即可改變神經(jīng)元的興奮性，從而對(duì)其功能產(chǎn)生調(diào)節(jié)[6]。

此外，rTMS還可以對(duì)抑郁動(dòng)物腦中神經(jīng)元的形態(tài)、存活率和增殖產(chǎn)生一定程度的影響。白冰等通過電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，抑郁模型大鼠海馬CA3區(qū)神經(jīng)元及突觸的超微結(jié)構(gòu)均存在病理改變，而rTMS組大鼠經(jīng)治療后其結(jié)構(gòu)基本趨于正常[43]。rTMS還會(huì)影響抑郁動(dòng)物神經(jīng)元的凋亡，從而改變細(xì)胞存活率。宋毅軍等在探討低頻(0.5 Hz)rTMS對(duì)顳葉癲癇大鼠的作用時(shí)，發(fā)現(xiàn)適量的低頻(0.5 Hz)rTMS作用后，相應(yīng)腦區(qū)的凋亡細(xì)胞數(shù)均明顯減少[44]。在Wang等對(duì)rTMS(15 Hz)抗抑郁機(jī)制的研究中，發(fā)現(xiàn)抑郁模型大鼠在rTMS刺激后海馬中bcl-2水平升高，bax水平降低，這表明rTMS可以增強(qiáng)細(xì)胞對(duì)凋亡的抵抗性[27]。隨后，趙琳等采用免疫組織化學(xué)方法檢測(cè)大鼠海馬神經(jīng)元凋亡蛋白Bax，結(jié)果顯示抑郁模型組海馬CA3區(qū)Bax蛋白表達(dá)顯著升高，而經(jīng)rTMS干預(yù)(10 Hz)可以顯著降低其Bax蛋白表達(dá)，改善病灶區(qū)神經(jīng)元的凋亡情況[45]。

關(guān)于rTMS的調(diào)節(jié)靶點(diǎn)，除上述介紹的神經(jīng)遞質(zhì)外，最受廣泛關(guān)注是一種神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子，即腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)。它是神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子家族中的主要成員，對(duì)神經(jīng)元的生長(zhǎng)、分化、存活、再生和增殖具有重要作用[46]。研究發(fā)現(xiàn)，BDNF基因變異的人與正常人相比，前者對(duì)于TMS的反應(yīng)有顯著的不同[47-48]，這就證明了其在rTMS對(duì)神經(jīng)的影響中發(fā)揮作用。在對(duì)嚙齒類動(dòng)物的研究中也進(jìn)一步確認(rèn)了這一點(diǎn)，如Müller等對(duì)大鼠長(zhǎng)期施加rTMS刺激(20 Hz)后，發(fā)現(xiàn)其海馬區(qū)BDNF和膽囊收縮樣肽表達(dá)增加[49]。皮層內(nèi)的BDNF mRNA及其蛋白質(zhì)含量也顯著增高。多個(gè)研究[18,49-53]也顯示，rTMS作用后BDNF表達(dá)含量顯著增加，但并不在所有腦區(qū)[54-55]。

這些研究成果提示，也許能將BDNF的水平作為生物標(biāo)志來評(píng)價(jià)TMS的作用。同時(shí)值得注意的是，在高頻或者低頻TMS刺激后，BDNF水平的變化與動(dòng)物所處的意識(shí)狀態(tài)有關(guān)[54]。例如，當(dāng)給予低頻TMS刺激(1 Hz)時(shí)，無論動(dòng)物處于清醒還是麻醉狀態(tài)，BDNF的水平都基本不會(huì)發(fā)生變化；而在高頻刺激(20 Hz)時(shí)，TMS會(huì)上調(diào)清醒動(dòng)物腦中的BDNF水平，下調(diào)麻醉動(dòng)物腦中的BDNF水平。雖然其中的機(jī)制尚不明確，但這些研究再次證實(shí)：rTMS的作用具有濃度依賴性，并且rTMS對(duì)自發(fā)神經(jīng)元活動(dòng)的影響可能是通過調(diào)節(jié)BDNF來實(shí)現(xiàn)的。更重要的是，還需要設(shè)計(jì)具有針對(duì)性和更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膭?dòng)物實(shí)驗(yàn)來研究TMS誘導(dǎo)下BDNF變化的下游機(jī)制，以便將來能在人類研究中將BDNF作為確切的標(biāo)志物。

除對(duì)神經(jīng)元活性的影響，也有研究發(fā)現(xiàn)rTMS對(duì)神經(jīng)再生具有一定的作用，但這個(gè)結(jié)論仍然具有爭(zhēng)議。例如,大量研究發(fā)現(xiàn),rTMS刺激后CMS模型鼠的神經(jīng)再生得到了改善。再如，Ueyama等均發(fā)現(xiàn)，給予小鼠海馬區(qū)連續(xù)rTMS刺激作用后，其海馬齒狀回中BrdU的陽性細(xì)胞數(shù)量顯著增多[18，49，56]。圖3為rTMS作用后大鼠海馬齒狀回中BrdU+細(xì)胞數(shù)量顯著增多的典型示例[28]。但是，另一項(xiàng)研究卻沒有觀察到任何改變[57]。類似的，有研究證實(shí)rTMS能夠增加健康大鼠中新增殖細(xì)胞的存活率[56]，但在CMS模型鼠中卻起到相反的作用[49]。

圖3 大鼠海馬齒狀回中的BrdU+細(xì)胞[28]。(a)顯微相片；(b)統(tǒng)計(jì)結(jié)果直方圖(比例尺為100)Fig.3 Microphotographs (a) and histograms (b) showing the BrdU-positive cells in the dentate gyrus of each group. Bar: 100.

在信號(hào)的傳遞過程中，神經(jīng)元興奮性的改變會(huì)影響神經(jīng)遞質(zhì)釋放的數(shù)量，以及突觸后膜上某些離子通道、受體的表達(dá)，突觸后神經(jīng)元內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子會(huì)進(jìn)一步進(jìn)入細(xì)胞核，影響基因的表達(dá)。因此，TMS影響神經(jīng)遞質(zhì)和基因的表達(dá)可能與改變神經(jīng)元的興奮性有關(guān)。

總之，作為神經(jīng)系統(tǒng)的基本構(gòu)成單位，神經(jīng)元的生長(zhǎng)狀況直接影響神經(jīng)系統(tǒng)的功能狀態(tài)和神經(jīng)信息的傳導(dǎo)。從神經(jīng)元的再生、生長(zhǎng)到凋亡，TMS對(duì)其中每個(gè)階段都有作用和效果。從微觀神經(jīng)元層次，TMS參與了神經(jīng)元的每個(gè)階段，這些影響就決定了宏觀上TMS對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的改善作用。

2.4 影響神經(jīng)可塑性和突觸功能

神經(jīng)可塑性是近30年來神經(jīng)生物學(xué)研究發(fā)展的重要領(lǐng)域，而可塑性變化與突觸的功能密切相關(guān)。長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(LTP)和長(zhǎng)時(shí)程抑制(LTD)被認(rèn)為是突觸可塑性的細(xì)胞學(xué)機(jī)制，因此其變化可用來衡量可塑性改變。如Levkovitz等研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，TMS可以提高大鼠海馬區(qū)齒狀回到穿通纖維通路的長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(LTP)作用[14]。這些研究結(jié)果提示，改變神經(jīng)可塑性可能是TMS改善抑郁癥狀的機(jī)制之一。不僅僅是對(duì)抑郁動(dòng)物，許多研究已經(jīng)證實(shí)，高頻rTMS刺激可以誘發(fā)長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(LTP)，如Shang等用5 Hz的rTMS刺激Wistar大鼠并記錄場(chǎng)興奮性突觸后電位(fEPSP)的變化，結(jié)果顯示rTMS組fEPSP的斜率顯著高于對(duì)照組[58]。

TMS是如何影響突觸的功能進(jìn)而改變神經(jīng)可塑性的呢？大家都知道，LTP產(chǎn)生的機(jī)制必須滿足3個(gè)條件：一是突觸后膜較強(qiáng)的去極化去除Mg2+對(duì)NMDA受體耦聯(lián)通道的阻滯；二是突觸前神經(jīng)末梢興奮釋放遞質(zhì)，主要是谷氨酸鹽；三是遞質(zhì)與突觸后膜NMDA受體結(jié)合，離子通道打開，Ca2+內(nèi)流。一方面，胞內(nèi)Ca2+濃度大幅升高后，可以激活鈣/鈣調(diào)蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)，使突觸后膜中非突觸的AMPA受體重新分配到突觸網(wǎng)，導(dǎo)致AMPA受體活性增加；另一方面，Ca2+內(nèi)流激活蛋白激酶C(PKC)，增加AMPA受體的敏感性，AMPA受體功能的上調(diào)會(huì)增強(qiáng)突觸反應(yīng)。

為方便開展更深入的研究，科研人員大部分以離體培養(yǎng)的海馬組織為實(shí)驗(yàn)對(duì)象并獲得大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。例如，有一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，高頻(10 Hz)rTMS后CA1錐體神經(jīng)元的樹突棘會(huì)發(fā)生重構(gòu)，并且突觸后膜上的AMPA受體增多[59-60]。同時(shí)，另一項(xiàng)研究指出，這些興奮性突觸效能的增強(qiáng)主要依賴于近端突觸的改變，并且與電壓門控通道(Na+和Ca2+通道)以及NMDA受體有關(guān)[59]。從這兩項(xiàng)研究中可以發(fā)現(xiàn)，rTMS對(duì)于可塑性影響的機(jī)制在于rTMS產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以同時(shí)興奮突觸前和突觸后神經(jīng)元。對(duì)突觸前神經(jīng)元來說，rTMS的興奮作用使其釋放出更多的神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸到突觸中；而對(duì)突觸后神經(jīng)元來說，rTMS的興奮作用使其樹突上的電壓門控Ca2+通道得以激活，從而激活更多的NMDA受體。這兩方面的共同激活作用最終促進(jìn)突觸后神經(jīng)元上的AMPA受體大量累積，并使突觸傳遞效能的增強(qiáng)產(chǎn)生LTP樣效應(yīng)。以上這些對(duì)于rTMS誘導(dǎo)的可塑性研究的機(jī)制都是基于皮層下神經(jīng)元進(jìn)行的，而對(duì)于皮層神經(jīng)元的作用還需進(jìn)行深入的研究。例如，已有臨床研究顯示，抑郁癥患者的皮層興奮性是增強(qiáng)的。Sun等在rTMS后發(fā)現(xiàn)，扣帶回皮層的錐體細(xì)胞的興奮性恢復(fù)正常[26]。在對(duì)癲癇患者和時(shí)間認(rèn)知[61]的研究中，均有報(bào)道提到TMS可以調(diào)節(jié)皮質(zhì)興奮性[62]；而對(duì)抑郁動(dòng)物的研究發(fā)現(xiàn)，1 Hz的rTMS會(huì)導(dǎo)致麻醉大鼠單側(cè)的運(yùn)動(dòng)誘發(fā)電位降低，降低大腦皮層興奮性[63]。

與高頻刺激誘導(dǎo)LTP的機(jī)制相比，低頻rTMS誘導(dǎo)LTD現(xiàn)象的機(jī)制是否與之相似呢？換句話說，rTMS是不是通過影響興奮性/抑制性突觸或調(diào)節(jié)與之相關(guān)受體的表達(dá)來誘發(fā)LTD現(xiàn)象？Thickbroom等的研究結(jié)果部分回答了這個(gè)問題，他們發(fā)現(xiàn)rTMS通過改變興奮性突觸的功能誘發(fā)出LTD，潛在的機(jī)制可能是調(diào)節(jié)AMPA受體的轉(zhuǎn)移[64]。隨后，Hoppenrath等的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，rTMS不僅調(diào)節(jié)興奮性神經(jīng)元，對(duì)抑制性神經(jīng)元也有作用[65]。除去對(duì)單個(gè)突觸的研究，也有很多實(shí)驗(yàn)是針對(duì)興奮性/抑制性網(wǎng)絡(luò)開展的探討。雖然無法在人體身上直接開展此類研究，但動(dòng)物模型為此提供了可能。許多研究發(fā)現(xiàn)[66-67]，rTMS會(huì)對(duì)興奮性/抑制性細(xì)胞類型產(chǎn)生影響，尤其是theta節(jié)律刺激(TBS)作用時(shí)，皮層抑制性中間神經(jīng)元會(huì)對(duì)誘導(dǎo)可塑性起到關(guān)鍵作用。此外，這些實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，TBS會(huì)影響多個(gè)大腦區(qū)域，對(duì)不同抑制性中間神經(jīng)元亞型的激活也是有差異的。

這些研究結(jié)果說明，rTMS引起的生物學(xué)效應(yīng)是多方面的，rTMS對(duì)興奮性/抑制性網(wǎng)絡(luò)的影響可能是對(duì)單個(gè)突觸影響的綜合作用結(jié)果，只是開展不同層面的研究會(huì)得到rTMS對(duì)不同層面的作用效果和機(jī)制。歸納以上rTMS治療抑郁作用機(jī)制的討論，可得表2的結(jié)果。

表2 rTMS治療抑郁作用效應(yīng)與機(jī)理一覽Tab.2 The summary of effects and mechanism of rTMS in the treatment of depression

3 總結(jié)與展望

綜上所述，無論是抑郁癥臨床診治實(shí)踐還是抑郁模型動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究，均可確定經(jīng)顱磁刺激(TMS)技術(shù)對(duì)抑郁癥有較好的治療效果和誘人的應(yīng)用前景，但尚需開展大量模型動(dòng)物的前期基礎(chǔ)研究，以全面了解TMS作用機(jī)理，優(yōu)化選擇治療參數(shù)，提高治療水平；而模型動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究具有諸多優(yōu)勢(shì)，如可簡(jiǎn)化科學(xué)問題，便于單因素細(xì)微探討，能相對(duì)縮短研究周期加快科研進(jìn)程等。但縱觀已有的TMS對(duì)抑郁模型動(dòng)物作用的研究，還存在著以下問題：

1) 判斷模型動(dòng)物抑郁程度尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。目前實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的抑郁程度判別需靠行為學(xué)測(cè)試(包括糖水偏好實(shí)驗(yàn)、曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)等)，依據(jù)其在測(cè)試中的行為學(xué)表現(xiàn)指標(biāo)，確定其抑郁等級(jí)，而業(yè)界對(duì)行為學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、曠場(chǎng)空間尺寸、行為動(dòng)作規(guī)范、標(biāo)定時(shí)間要求等皆無協(xié)商一致的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。如此，不同研究者所用實(shí)驗(yàn)裝置不能統(tǒng)一標(biāo)配，行為學(xué)測(cè)試方法難得同行規(guī)范，結(jié)果分析討論不易交流共識(shí)，最終研究成果如何公認(rèn)有效、推廣應(yīng)用？因此，協(xié)商制定本領(lǐng)域相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法、測(cè)試規(guī)范、判別標(biāo)準(zhǔn)，是推進(jìn)TMS對(duì)抑郁模型動(dòng)物作用實(shí)驗(yàn)研究的當(dāng)務(wù)之急。

2) TMS治療抑郁癥的最佳參數(shù)尚不確定。其中，重復(fù)刺激頻率和刺激強(qiáng)度的配套選擇較為關(guān)鍵，rTMS對(duì)大腦皮層的作用效果與重復(fù)刺激頻率和刺激強(qiáng)度呈正相關(guān)，較高重復(fù)刺激頻率實(shí)際上延長(zhǎng)了刺激作用時(shí)間，加大了累積刺激劑量，等效于刺激強(qiáng)度的累加。不同的實(shí)驗(yàn)個(gè)體間肯定存有差異，抗抑郁療效不錯(cuò)的刺激頻率(25 Hz)和強(qiáng)度(或時(shí)間過長(zhǎng))卻有可能誘發(fā)癲癇風(fēng)險(xiǎn)，面對(duì)這種尚無良方對(duì)策的研究現(xiàn)狀，如何調(diào)配好刺激頻率、刺激時(shí)間與刺激強(qiáng)度之間的交叉給力，并控制好其相互間作用效應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)博弈，仍是今后在rTMS對(duì)抑郁模型動(dòng)物作用研究中需努力解決的首要難題。

3) TMS治療抑郁癥的內(nèi)在作用機(jī)制尚未清晰。迄今為止，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究多從基因表達(dá)、分子蛋白和大腦神經(jīng)回路等幾個(gè)層次試圖解釋TMS治療抑郁癥的內(nèi)在作用機(jī)制，但鮮有報(bào)道聯(lián)合分析不同層面作用效應(yīng)之間是否存在交叉影響、因果關(guān)系或互動(dòng)機(jī)制，這也是今后在TMS對(duì)抑郁模型動(dòng)物作用實(shí)驗(yàn)研究中需特別關(guān)注的課題。

雖然不是所有的動(dòng)物研究結(jié)果都可以直接轉(zhuǎn)化到人體上，但在Vahabzadeh-Hagh的研究中發(fā)現(xiàn)，對(duì)人體進(jìn)行rTMS后，成對(duì)脈沖TMS可以檢測(cè)到皮層性抑制，而麻醉態(tài)的大鼠得到了同樣的結(jié)果[68]。在人體和大鼠實(shí)驗(yàn)中得到相似結(jié)果的這些研究是很重要的，它們證實(shí)動(dòng)物模型作為一種理解和探究TMS機(jī)制的輔助方法是有用的。經(jīng)顱磁刺激(TMS)技術(shù)治療抑郁癥的研究與臨床應(yīng)用方興未艾、任重道遠(yuǎn)，未來關(guān)于TMS對(duì)抑郁癥的治療和機(jī)制研究可以從以下幾個(gè)方面入手：

1) TMS與藥物結(jié)合。如前面提到的，目前對(duì)抑郁癥的治療多依賴于抗抑郁藥物，而TMS的治療效果也得到了初步證實(shí)。將兩者結(jié)合起來，對(duì)抑郁癥的治療或許有事半功倍的效果。

2) TMS與其他技術(shù)結(jié)合。fMRI可以用來觀察“腦激活”情況，膜片鉗技術(shù)可以從細(xì)胞分子水平觀察跨膜離子運(yùn)動(dòng)，光遺傳學(xué)更是在神經(jīng)生物學(xué)、分子生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中有廣泛應(yīng)用。將TMS與這些技術(shù)結(jié)合，可以從新的角度對(duì)作用機(jī)制做出解釋。

3) 研究TMS新的作用對(duì)象。神經(jīng)細(xì)胞分為神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞，傳統(tǒng)意義上認(rèn)為膠質(zhì)細(xì)胞沒有電興奮性，但事實(shí)上它們會(huì)影響神經(jīng)元的功能及可塑性。有研究顯示，少突細(xì)胞對(duì)電刺激敏感[69]，那它可能對(duì)rTMS也有響應(yīng)。探究TMS對(duì)膠質(zhì)細(xì)胞的作用，為TMS治療抑郁癥提供新思路。

當(dāng)然，在今后的研究中，只有對(duì)上述存在的問題進(jìn)行深入系統(tǒng)的探討與廣泛的交流合作，才能充分發(fā)揮rTMS的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，取得全面的研究進(jìn)展，切實(shí)阻止抑郁癥的全球蔓延勢(shì)頭，實(shí)現(xiàn)人人遠(yuǎn)離抑郁、世界根治抑郁的美好宏愿。