小腦與卒中后運動學習關系的研究進展

林麗珍，范杰誠，朱新蕊，賈凡，郭培武，王昱凱，張淑云

小腦是人體重要的軀體運動調節中樞之一，參與軀體平衡、肌張力的調節及隨意運動的協調。運動學習是中樞神經系統調控下的一種行為上的適應性改變，由突觸傳遞和細胞突觸可塑性介導。大量研究表明，小腦和大腦的初級運動皮層是參與運動學習的重要結構[1]。腦損傷后進行功能康復鍛煉能改善患者的功能障礙，其中一個重要機制就是細胞的可塑性。本文就小腦運動學習涉及的細胞機制及針對小腦的刺激技術在卒中后運動功能恢復中的應用進行綜述。

1 小腦參與運動學習的神經細胞機制

小腦回路和細胞間的突觸可塑性決定了小腦在運動學習中發揮著重要作用[2]。運動學習過程涉及小腦多種神經元的活動，目前研究較多的是浦肯野細胞和顆粒細胞。長時程抑制（long-term depression，LTD）和長時程增強（long-term potentiation，LTP）是中樞神經系統突觸可塑性的兩種不同表達方式，是學習和記憶的生物學基礎，浦肯野細胞和顆粒細胞均可通過LTD和LTP兩種方式來調節信號傳遞，參與卒中后運動學習[2]。

1.1 浦肯野細胞 浦肯野細胞是小腦運動學習神經細胞機制中研究最多，也是唯一從小腦皮層發送輸出信號的神經元。浦肯野細胞通過兩條通路來接收信號輸入，一條通路涉及平行纖維的輸入，傳達與感覺或運動命令有關的信號；另一條通路是攀緣纖維的輸入[2]。

小腦平行纖維到浦肯野細胞突觸的LTP和LTD是小腦參與運動學習的重要機制。Galliano等[3]在探討平行纖維到浦肯野細胞突觸后幾乎沒有N-甲基-D-天冬氨酸受體（N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR）的原因時，發現過度表達NMDAR轉基因小鼠的平行纖維到浦肯野細胞突觸的LTP更易受阻，而LTD不受影響。該研究結果提示，生理情況下，平行纖維到浦肯野細胞的突觸因缺少NMDAR，導致LTP在運動學習中發揮更大作用。平行纖維到浦肯野細胞突觸的LTD是一個正反饋回路，Yamamoto等[4]通過膜片鉗電極將Raf激酶抑制蛋白導入小鼠小腦浦肯野細胞，發現在LTD正反饋回路中，Raf激酶抑制蛋白的作用必不可少。小腦內的平行纖維通路可以通過LTD和LTP兩種方式來調節運動學習，以更合理地滿足人體所需。

平行纖維-浦肯野細胞突觸的LTD需要平行纖維和攀緣纖維共同激活，在平行纖維和攀緣纖維共同刺激的浦肯野細胞中發現有平行纖維輸入的樹突狀鈣信號[5]。Yang等[6]的研究表明，攀緣纖維的信號輸入是一個“全或無”的過程，攀緣纖維電控脈沖的長時間爆發導致浦肯野細胞復雜峰電位的持續時間更長，導致更多的Ca2+進入浦肯野細胞，產生更強的LTD。動物研究表明，小腦浦肯野細胞內峰電位的同步性起源于下橄欖核[7]。發育階段，在大而粗的攀緣纖維中能夠觀察到LTP和LTD，但小而細的攀緣纖維僅觀察到LTD[8]。小腦內的攀緣纖維通路能夠通過LTD和LTP兩種方式來調節突觸可塑性，其中LTD可能是主要的調節方式。

1.2 顆粒細胞 顆粒細胞是大腦中最小的神經元，平均只有4個短樹突，每個樹突均接受單個刺激性苔蘚纖維輸入，部分樹突也接受來自高爾基細胞末端的抑制性輸入[9]。

苔蘚纖維-顆粒細胞途徑是小腦運動學習的重要方式，其突觸傳遞效應有LTP和LTD。苔蘚纖維-顆粒細胞處的LTP是突觸前的，有賴于突觸后NMDAR和代謝型谷氨酸受體的激活，并可被突觸后LTD逆轉[10-11]。另外，苔蘚纖維刺激的θ脈沖不僅能誘導突觸前LTP，還能增強顆粒細胞固有的興奮性[12]。Wada等[13]通過視動反應適應性實驗表明，光動力學信號通過苔蘚纖維-顆粒細胞途徑傳輸到浦肯野細胞，這種傳遞對于短期或長期視動反應表達是必不可少的。苔蘚纖維通路也通過LTP和LTD兩種方式調節小腦的運動學習，但其調節作用弱于平行纖維通路。

高爾基細胞與顆粒細胞的前饋和反饋抑制作用雖相對較弱，但有間接證據表明，該突觸的可塑性與小腦運動學習相關。高爾基細胞的前饋抑制和反饋抑制組合能使顆粒細胞神經沖動的初次發射延遲，在特定的短時間內增加發射速率，引起延遲的發射速率變化并產生延長的發射時間[9]。Strata[14]在研究中將高爾基細胞的抑制作用從細胞電活動方面進行了探索，發現通過控制顆粒細胞去極化可調節神經沖動爆發過程中的NMDAR通道和Ca2+流入，推測高爾基細胞和顆粒細胞突觸的可塑性可能有助于小腦運動學習。

2 小腦刺激技術對卒中后運動功能的影響

卒后中，神經元及突觸受損，正常的神經回路中斷，受損的腦部功能區由于指令編碼錯誤無法產生并傳遞正確信息，從而出現運動功能和認知功能障礙。小腦在促進運動再學習任務中起著重要作用，小腦內多個神經元間的突觸可塑性及皮質間的緊密連接使小腦成為卒中后功能恢復的重要結構。

對小腦施加不同刺激是促進卒中后功能恢復的重要手段，常見的針對小腦的非侵入性刺激技術有重復經顱磁刺激（repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS）、經顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）和低強度聚焦超聲（low-intensity focused ultrasound，LIFU）；侵入性腦刺激技術目前有深部腦刺激（deep brain stimulation，DBS）。

2.1 重復經顱磁刺激 rTMS采用電磁感應原理，通過對小腦重復施加磁脈沖刺激，調節神經元活動并直接影響中樞神經系統的功能。1 Hz的rTMS重復刺激雙側小腦半球能夠明顯降低左側運動皮層的小腦-大腦抑制；而以θ爆發式刺激刺激右側小腦，左側運動皮層的小腦-大腦抑制沒有變化[15]。低頻rTMS作用于小腦會降低小腦-大腦抑制，高頻rTMS作用于小腦時小腦-大腦抑制不顯著。

Koch等[16]對34例卒中患者的小腦施加間歇性rTMS（θ爆發式刺激），治療3周后，患者的Berg平衡量表（43.4分vs.34.5分），Fugle-Meyer評分（171.1分vs.163.8分），Barthel指數（88.8分vs.71.1分）均較基線水平顯著提高，步寬（14.3 cmvs.16.8 cm）則較基線水平顯著下降。這可能是rTMS的θ爆發式刺激方式能激活小腦中特定的依賴于氨基丁酸活性的中間神經元；另外，間歇性低頻θ爆發式刺激誘發的LTP增強小腦-丘腦-皮層間的相互作用，從而促進卒中患者的空間運動學習[17]。段強等[18]將1 Hz的rTMS作用于后循環缺血性卒中患者的健側小腦，每日1次，連續治療4周后，接受rTMS刺激的患者Fugl-Meyer運動量表、威斯康星步態量表評分均有顯著提高，大腦皮層運動誘發電位波幅增高，證明針對小腦的低頻rTMS能改善后循環缺血性卒中患者的下肢功能。有研究者將10 Hz的rTMS作用于卒中患者的健側小腦咽部運動區（枕骨粗隆下方2.5 cm和外側4.3 cm），每日1次，每次30 min，治療3周后，患者吞咽障礙嚴重程度量表和滲漏-誤吸量表評分明顯低于治療前[19]。還有研究者發現，用1 Hz的rTMS持續作用于小腦旁正中段5 min后，卒中患者雙手參與釘板任務的時間變長[20]。

綜上所述，目前的研究提示，針對小腦的低頻rTMS能夠促進卒中患者平衡、步態和吞咽功能的恢復。rTMS也是目前針對小腦進行治療以改善卒中后運動功能障礙方面應用較多的技術。

2.2 經顱直流電刺激 tDCS可通過向小腦輸送微弱的、連續的直流電刺激來改變神經元的可塑性，調節皮層間的興奮性[21]。陽極tDCS可使小腦-大腦抑制升高，陰極tDCS可使小腦-大腦抑制下降，同時，小腦-大腦抑制的陰極效應依賴于刺激強度[22]。tDCS可能通過改變浦肯野細胞的活性，以局灶性和極性特異性的方式調節小腦的興奮性[23]。動物實驗表明，采用tDCS重復刺激苔蘚纖維-顆粒細胞耦合，會在浦肯野細胞上產生興奮性突觸后電位的LTD，而只重復刺激顆粒細胞，浦肯野細胞上則會產生LTP[24-25]。

tDCS作用于小腦具有多方面的作用。Kumari等[26]在卒中慢性期患者跑步機訓練期間連續3 d給予小腦陽極tDCS，1周后隨訪評估，發現患者的步長對稱性及步行速度均有所改善。這可能是因為小腦陽極tDCS提高了神經元的興奮性，對錯誤的不一致步長表現出較強的反應能力，并糾正錯誤的運動[27]。Yamaguchi等[28]在患者注意力集中到拇短展肌的同時對小腦施加陽極tDCS，刺激60 min后，患者的運動誘發電位和拇短展肌活動均顯著增加，且在7 d后仍可觀察到拇短展肌微小的運動，由此，作者認為陽極tDCS和注意力訓練結合可能是改善卒中患者手指運動的有效途徑。近期的一項研究表明，陽極tDCS施加于小腦能夠增強年輕卒中患者學習手指夾物和有節奏地敲擊的能力[29-30]。

目前，將tDCS應用于小腦來促進卒中患者運動功能恢復的研究還相對較少，但現有的研究結論支持針對小腦的陽極tDCS可以促進卒中后患者步行和精細運動能力的改善。

2.3 低強度聚焦超聲 LIFU是通過聚焦超聲波束，將足量的聲能通過顱骨并準確傳遞到感興趣腦區的技術。Baek等[31]采用頻率為1 kHz，聲波持續時間300 ms，刺激間隔5 s，平均脈沖強度為2.56 w/cm2的LIFU方案，反復刺激卒中模型小鼠的小腦外側核（contralesional lateral cerebellar nucleus，cLCN）3 d，結果發現小鼠的平衡功能有顯著改善。Baek等[32]在另一項研究中同樣采用上述LIFU方案刺激卒中小鼠的cLCN，并對小鼠進行4周的行走和平衡訓練，結果顯示，LIFU刺激的卒中模型小鼠的行走速度和平衡功能顯著高于基線水平和對照組。這可能是由于LIFU刺激了cLCN，隨后電信號通過小腦-丘腦上行通路興奮丘腦和大腦皮層的運動神經元，從而改善了小鼠卒中后的運動能力[33]。

目前，針對小腦的LIFU對卒中后的改善作用尚處于動物試驗階段，有數據提示1 kHz的LIFU可能有助于卒中后平衡和步行的恢復，但基礎研究的結果距離轉化到臨床應用還需要更多的探索。

2.4 深部腦刺激 DBS是一種神經介入技術，是將電極或起搏器植入腦內，從而將電脈沖傳送到腦內的特定區域。Machado等[34]將雙極電極植入卒中模型大鼠的小腦外側核中，分別用10 Hz、20 Hz、50 Hz的強度刺激cLCN，持續刺激6周后發現，20 Hz的刺激可以持久地誘發動作電位，改善卒中模型大鼠的運動功能。Shah等[35]將光電極植入卒中模型小鼠cLCN中，每天給予一次10 Hz的刺激，一次持續3 min，持續7 d后的結果顯示，接受cLCN刺激的小鼠比未接受刺激的小鼠行走速度和距離都有明顯的改善；治療14 d后，接受刺激的小鼠步行速度恢復到卒中前的80%。Wathen等[36]在卒中患者的齒狀核植入電極，發現20 Hz的刺激能夠明顯改善患者上肢的運動功能。研究者認為，小腦深核與基底神經節間有很強的雙向連接，對小腦深核的刺激會通過丘腦核的傳入神經直接影響紋狀體活動，以此來調節運動[37]。

目前，動物實驗提示低頻的DBS施加于小腦可能有助于改善卒中后的步行能力，但其在人體中應用的研究極少，其有效性和安全性尚未得到證實。

綜上所述，針對小腦的刺激技術中，rTMS和tDCS是目前應用較多的技術，針對小腦的低頻rTMS在促進卒中患者平衡、步態和吞咽功能方面有積極療效，陽極tDCS作用于小腦有利于促進卒中患者步行和精細運動的恢復。動物研究提示，LIFU和DBS對卒中模型動物的行走和平衡能力有較好的改善作用。此外，尚無在小腦施加經顱交流電刺激后觀察卒中患者運動功能的研究，但基礎研究提示經顱交流電刺激在改善肌張力方面可能有積極的作用。

長期以來，人們對神經細胞機制的深入研究為小腦參與運動學習提供了有力證據。浦肯野細胞和顆粒細胞是小腦參與運動學習的主要細胞。細胞間突觸的可塑性是運動學習的基礎，也是卒中后患者功能恢復的基礎。康復治療涉及的相關生活技能的核心是學習各種操作以達到自由執行任務的目的，最終回歸家庭和社會。目前，對小腦施加非侵入性腦刺激來促進卒中后運動功能恢復是臨床應用較多的技術，侵入性腦刺激技術現處于動物實驗階段。期望未來的研究可以探索在保障安全的情況下實施人體侵入性腦刺激技術，為卒中患者尋求功能恢復提供新的治療方法。