腰椎经皮脊髓刺激对神经结构的激活：刺激波形和强度的差异影响

神经病学 医学
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经皮脊髓刺激（TSS）对神经结构激活的差异影响

背景介绍

经皮脊髓刺激（Transcutaneous Spinal Cord Stimulation, TSS）是一种非侵入性的神经刺激技术，通过电极在皮肤表面施加电流，激活脊髓中的神经结构，从而诱发肌肉反应。TSS在脊髓损伤（Spinal Cord Injury, SCI）康复中显示出潜力，能够增强患者的运动功能。然而，TSS的具体作用机制仍不完全明确，尤其是不同的刺激波形和强度如何影响被激活的神经结构，这一问题尚未得到充分研究。

为了更好地理解TSS的作用机制，研究者们探究了不同刺激波形（传统波形和高频爆裂波形）和强度（阈值和超阈值）对腰椎TSS诱发的肌肉反应的影响。具体来说，本研究旨在回答以下问题：TSS激活的神经结构是否会因刺激波形和强度的变化而有所不同？这一问题的解答对于优化TSS的治疗效果至关重要，特别是针对不同肌肉的运动功能恢复。

研究来源

本研究由来自Neuroscience Research Australia、University of New South Wales、Edith Cowan University和Prince of Wales Hospital的研究团队共同完成。主要作者包括Harrison T. Finn、Marel Parono、Elizabeth A. Bye等。研究于2025年发表在《Journal of Neurophysiology》上。

研究流程

1. 研究对象与实验设计

研究共招募了15名健康成年人（9名女性，6名男性），年龄均在18岁以上，且无神经系统疾病史。受试者在实验过程中保持坐姿，双髋屈曲120度，膝关节屈曲20度，踝关节跖屈130度。所有肌肉均处于静息状态。

2. 刺激参数

TSS刺激通过放置在L1-L3椎骨表面的电极进行，采用两种波形： - 传统波形：单次400微秒的双相脉冲。 - 高频爆裂波形：10个40微秒的双相脉冲，频率为10 kHz。

刺激强度分为阈值和超阈值两种。阈值定义为能够诱发可视肌肉反应的最低强度，超阈值则设置为使肌肉反应峰峰值达到最大M波（Mmax）5%的强度。

3. 实验步骤

实验分为以下几个步骤： - 单次TSS刺激：记录股内侧肌（vastus medialis, VM）、胫骨前肌（tibialis anterior, TA）和内侧腓肠肌（medial gastrocnemius, MG）的脊髓诱发运动反应（spinally evoked motor response, SEMR）。 - 双次TSS刺激：双次刺激的时间间隔为80毫秒，以评估第二次SEMR的抑制现象（postactivation depression）。 - TMS与TSS配对刺激：将TMS（经颅磁刺激）与TSS配对，研究两者在运动神经元上的相互作用。TMS刺激强度设置为在VM中诱发大于超阈值SEMR的运动诱发电位（motor evoked potential, MEP）。

4. 数据分析

通过对不同刺激条件下的SEMR、MEP和Mmax的潜伏期和面积进行比较，分析刺激波形和强度对神经结构激活的影响。数据处理使用Python脚本进行，统计模型采用广义线性混合模型（GLMM）。

主要结果

1. 股内侧肌（VM）的反应

  • SEMR潜伏期：VM的SEMR潜伏期较短，平均为8-9毫秒，接近通过股神经刺激诱发的M波潜伏期，表明TSS可能主要激活了运动神经轴突。
  • 双次TSS刺激：第二次SEMR的面积较第一次减少了20-30%，表明TSS对感觉神经轴突的激活较少。
  • TMS与TSS配对刺激：在TMS和TSS同时或稍早到达运动神经元时，未观察到明显的反应增强，进一步支持TSS主要激活运动神经轴突的结论。

2. 胫骨前肌（TA）和内侧腓肠肌（MG）的反应

  • SEMR潜伏期：TA和MG的SEMR潜伏期也较短，表明TSS可能同时激活了运动神经和感觉神经轴突。
  • 双次TSS刺激：超阈值刺激下，传统波形导致的第二次SEMR抑制更为明显，表明传统波形可能激活了更多的感觉神经轴突。
  • TMS与TSS配对刺激：在超阈值刺激下，当TMS稍早或同时到达运动神经元时，TA和MG的配对反应显著增强，进一步支持TSS激活了感觉神经轴突的结论。

结论与意义

本研究表明，经皮脊髓刺激（TSS）激活的神经结构因刺激波形和强度的不同而有所差异。对于股内侧肌（VM），TSS主要激活了运动神经轴突，而对于胫骨前肌（TA）和内侧腓肠肌（MG），TSS则同时激活了感觉神经轴突。超阈值刺激和传统波形能够更有效地激活感觉神经轴突，而高频爆裂波形则可能激活更多的运动神经轴突。

这些发现对于优化TSS在康复治疗中的应用具有重要意义。通过调整刺激参数，可以更精准地激活目标神经结构，从而提高治疗效果。此外，本研究还为理解TSS的作用机制提供了新的见解，为未来的研究奠定了基础。

研究亮点

  1. 跨肌肉差异：研究发现，TSS对不同肌肉的神经结构激活存在差异，这一发现对于个性化康复治疗具有重要意义。
  2. 刺激参数的影响：超阈值刺激和传统波形能够更有效地激活感觉神经轴突，这一结果为优化TSS参数提供了依据。
  3. 创新实验设计：通过结合TMS与TSS的配对刺激，研究团队能够更深入地理解TSS对运动神经元的激活机制。
  4. 统计学模型的应用：广义线性混合模型（GLMM）的使用确保了数据分析的准确性和可靠性。

其他有价值的信息

本研究的局限性包括在计算中枢传导时间时的一些假设，以及未能控制TA和MG的SEMR大小。未来的研究可以通过优化实验设计，进一步验证这些发现。