經顱直流電刺激作用機制的研究進展

王 楊，程佳月，王 振

上海交通大學醫學院附屬精神衛生中心，上海 200030

經顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）是一種非侵入性神經調控技術。這種技術通過至少2 個電極將微弱的直流電傳遞到大腦皮層表面，達到神經調控的目的。與其他神經調控方法相比，tDCS 成本可控，具有一定的便攜性、安全性和易用性，因此具有相當大的潛力。其常見的不良反應如瘙癢、燒灼感或頭痛，通常較輕微，且不會造成長期影響［1］。近年來，tDCS 被廣泛用作調節認知功能、改善精神疾病以及神經障礙癥狀的工具［2］。這一方面的研究數量也呈指數級增長［3］。盡管目前已有部分研究聚焦于體內外神經生理學影響，但對tDCS 作用機制的理解仍顯不足。因此，本文旨在回顧現有文獻中對tDCS 作用機制的相關研究，以綜述tDCS 的神經生理學作用，討論未來研究的方向，并探討其作為科研和臨床工具的價值。

1 即時效應——膜電位的變化

即時效應指在刺激過程中同時或立刻發生的潛在效應，通過神經元放電模式或局部膜電位的變化來衡量。在tDCS 刺激期間，從陽極到陰極電極的電流會在整個皮層產生弱電場（EF＜1 V/m），陽極刺激通常會增強局部神經元的興奮性，陰極刺激則常產生相反的結果［4-5］。

即時效應似乎主要取決于膜電位的變化。藥理學研究表明，阻斷膜電位發生變化的關鍵離子通道，如鈣、鈉離子通道，陽極tDCS 即時效應會消除或減少［6］。而一些與其他神經遞質相關的試劑如N- 甲 基- 天 門 冬 氨 酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA） 受 體 拮 抗 劑［6］和γ - 氨 基 丁 酸（γ -aminobutyric acid，GABA）A 受體激動劑［7］并不會影響tDCS 的即時效應，這表明其他的神經遞質似乎沒有參與到tDCS 的即時效應中。這也在一項經顱磁刺激-腦電圖（transcranial magnetic stimulation with simultaneous electroencephalography， TMSEEG）實驗中得到印證。TMS-EEG 技術是一種多模態成像技術，其結合經顱磁刺激和腦電圖，提供了一種直接、無創探索皮層反應的方法，具有優異的時間解析度［8］。皮質內易化和短間隔皮質抑制是TMS-EEG 中常見的測量指標，分別反映了谷氨酸能和GABA 能中間神經元的興奮性。而這2 個指標在tDCS 短時刺激后立即測量沒有變化，表明tDCS 即時效應并不依賴于這些中間神經元的調控［9］。

tDCS 能夠通過改變神經元膜的極性來改變其動作電位的閾值［10］。tDCS 產生的電場通常被認為是閾下刺激，這意味著tDCS本身不會引起神經元去極化。突觸耦合（ephaptic coupling）指細胞間離子交換或由于局部電場引起的神經纖維的耦合，是神經系統內的一種交流形式。在一項大鼠體外實驗中發現，突觸耦合過程中，tDCS 不會直接誘發動作電位，但極有可能通過細胞外電場（如局部場電位），影響接受閾上刺激的單個神經元的達峰時間［11］。在臨床研究中，這反映了陽極刺激期間神經元的去極化和陰極刺激期間的超極化過程［12］。此外，tDCS 對于單個細胞誘導的即時效應常取決于神經元形態、刺激強度、神經元相對于誘導電場的方向以及自發/誘發活動的性質等因素［13］。靠近陰極的細胞成分（例如神經突、細胞核等）更容易發生去極化，而靠近陽極的細胞成分更容易發生超極化［14］。

由此可見，tDCS 產生的即時效應主要體現在神經元膜電位的變化。tDCS 不會誘發動作電位，但能夠通過細胞外電場對神經元細胞動作電位的閾值以及接受閾上刺激的神經元達峰時間產生影響。

2 后遺效應——神經遞質與突觸可塑性的變化

tDCS 刺激后產生的長期持續的變化稱為后遺效應。這類效應體現在多個方面，如Ca2+的動態變化、神經遞質的釋放、突觸可塑性的變化等。

tDCS 可引起Ca2+濃度的動態變化。趨電性是生物體在直流電的作用下向陽極或陰極游動的特征。在大多數研究中，細胞趨電性被認為依賴于Ca2+濃度的變化［15］。在tDCS刺激中，面向陽極的細胞成分更容易超極化［14］，這種超極化可增加電勢，被動驅動陽離子進入細胞。由于Ca2+跨膜電化學梯度的濃度為10 000∶1，在沒有或少有電壓門控離子通道的細胞中，Ca2+通過被動涌入的方式，通過細胞面向陽極的部分并向陰極方向流動。若細胞存在較多電壓門控離子通道，Ca2+則在陰極側通過膜去極化的方式主動進入，并向陽極方向移動，這與被動涌入的方向相反［16］。Ca2+濃度變化一定程度上可影響細胞遷移和神經突生長的方向和速度，在神經遞質的釋放中也扮演著重要的角色［17］。

tDCS 可調控神經遞質的釋放。中縫背核（dorsal raphe nucleus，DRN）神經元釋放的5-羥色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）廣泛作用于皮質、皮質下和腦干區域。有研究表明，在嚙齒類動物中，陽極和陰極tDCS 均能立即降低DRN 處5-HT 神經元活性，即使在刺激停止后，這種抑制作用仍持續存在［18］。tDCS 同樣能對GABA 產生調節作用。多項針對年輕健康人群的磁共振波譜研究［19-20］發現，與偽刺激相比，陽極刺激和陰極刺激都能使GABA 濃度下降。但2 項針對老年人群的研究報道了不同的結果。第一項研究［21］納入了48名健康老年被試，發現與偽刺激相比，陽極刺激后GABA 水平顯著降低；第二項研究納入了32 名有輕度認知功能受損的老年被試，發現陽極tDCS 刺激增加了GABA 水平，這說明tDCS 的作用效果可能隨著年齡不同產生變化［22］。tDCS 還可調控谷氨酸水平。一項動物實驗［23］發現，使用陽極和陰極刺激視覺皮層，均可降低受刺激皮層區域的谷氨酸濃度。而一項針對人的研究結果顯示，陽極和陰極tDCS 均顯著提高谷氨酸的相對濃度［24］；另一項研究則認為tDCS 降低了谷氨酸與GABA 的比值［22］。目前尚缺乏研究闡明tDCS引起神經遞質釋放變化的具體機制。除Ca2+外，一些較早期的生理學研究發現，外加電場可導致許多類型細胞的膜受體沿著特定方向移動和積累， 如乙酰膽堿受體（acetylcholine receptor，AChR）、原肌球蛋白激酶受體（tropomyosin-receptor-kinase，Trk）等，這將間接地影響神經遞質的水平［15］。

tDCS 可調節突觸可塑性。突觸可塑性是大腦通過神經間連接的短期和長期改變來應對外界刺激的持續性重塑作用，是中樞神經系統的主要適應特性之一。它可發生在從超微結構到腦網絡的不同水平，并伴隨著Ca2+動力學、神經遞質釋放、蛋白質表達和基因活性的短暫或持久的變化［25］。突觸可塑性的變化往往通過突觸活動的長時程增強（long-term potentiation， LTP） 和 長 時 程 抑 制 （long-term depression，LTD）來體現［26］。使用高頻突觸前刺激方案的實驗［27］表明，tDCS 誘導LTP 時具有極性特異性，陽極刺激增加LTP 的幅度，陰極刺激減少LTP 的幅度。該結果提示僅憑tDCS 不能改變突觸強度（即誘導LTP），只能改變突觸發生LTP 的傾向性。然而，在一項納入38 名健康被試接受tDCS 治療的實驗中首次發現tDCS 可以直接誘導人類大腦皮層的LTP，誘導效應一直持續到刺激后50 min［28］。腦源性神經營養因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）主要通過BDNF/TrkB 及TrkB/Fyn 信號通路，參與tDCS 調節突觸可塑性的過程。FRITSCH 等［29］在 小 鼠 研 究 中 證 明 直 流 電 刺 激（direct current stimulation，DCS）誘導的長時程增強效應（DCS-LTP）具有極性特異性、NMDA 受體依賴性，且DCS 和低頻突觸激活作用結合可增加BDNF 分泌，激活TrkB。與此同時，在Bdnf和TrkB突變小鼠中不能誘導DCS-LTP，表明BDNF 是這種現象的關鍵介質。YU 等［30］的研究發現，接受陽極tDCS 刺激的大鼠海馬切片中CA1 區域LTP 增強，并且這種增強效應可被TrkB 抑制劑ANA-12 消除，表明陽極tDCS 通過激活BDNF/TrkB 信號通路增強LTP。不僅如此，BDNF 誘導的NMDA 受體活性的磷酸化可通過TrkB/Fyn 信號通路進一步增強tDCS對LTP 的影響［31］。KRONBERG 等［32］研究了DCS在大鼠海馬切片CA1 區域誘導LTP 期間的影響；其使用生物物理計算模型，驗證了Hebbian 可塑性學說［33］的2 個關鍵特性：通路特異性，即只有與突觸后神經元協同作用的通路才會得到增強；通路聯合性，指LTP 本質上由2 種具有一定時間關系的刺激協同作用產生，這表明tDCS 可以增強聯想學習。

突觸再可塑性（metaplasticity）指一種更高級的可塑性形式，亦可稱為“突觸可塑性的可塑性”，即突觸或細胞既往的活動情況會影響突觸可塑性的方向和程度。而突觸可塑性相應的變化將影響細胞隨后的活動［34-35］。突觸再可塑性可作為一種類似“剎車”的機制，避免突觸過度強化或減弱。LTP 在突觸再可塑性中同樣扮演著重要的角色，其誘導受突觸既往活動影響，并能在隨后對突觸可塑性起到活性依賴的調控作用，這對于保持突觸強度在學習過程的最佳動態范圍至關重要［36］。目前，有關tDCS對突觸再可塑性直接調節的研究比較有限。一項研究表明，連續使用陰極tDCS 可以提高工作記憶［37］。有研究［38］提出，在進行非侵入性腦刺激前應用tDCS，即利用tDCS 的啟動作用（priming）誘發突觸再可塑性。這在運動皮層及視覺皮層方面已有一定研究基礎。COSENTINO 等［39］的研究發現，在重復經顱磁刺激 （repetitive transcranial magnetic stimulation，rTMS）干預前15 min 應用tDCS 進行預處理，初級運動皮層上的tDCS 能夠在rTMS 所誘導的運動誘發電位的促進中引發極性依賴后遺效應；BOCCI 等［40］在視覺皮層中得到了令人信服的突觸再可塑性相互作用的證據，即使用tDCS 預處理初級視區的興奮性，可以調節后續應用1 Hz 或5 Hz 的rTMS 誘導的可塑性方向和強度。這些數據表明，在人類視覺皮層中存在使突觸強度保持在功能動態范圍內的突觸再可塑性機制。而YU 等［30］驗證了體內陽極tDCS 對大鼠海馬切片CA1 區域的LTP 產生增強的后遺效應，首次表明tDCS 可能通過突觸再可塑性對LTP 發揮作用。

tDCS的后遺效應可影響Ca2+濃度的變化，調控多種神經遞質的釋放和分布，直接或間接地改變突觸可塑性，并在突觸再可塑性的調控中扮演重要的角色。在人體研究中，僅有非常有限的腦區可以通過rTMS誘導的動作電位的幅度直接觀測LTP。由于缺乏可行的誘導和分析LTP的實驗方法，研究受到限制。因此，針對突觸可塑性及突觸再可塑性的研究往往是細胞分子層面的，且均關注刺激局部的作用效果。

3 神經網絡及連通性變化

tDCS不僅影響電極下的皮層區域，還影響其他皮層和皮層下結構，引起相互連接的神經網絡發生功能性的變化，如刺激初級運動皮層可抑制對側皮層運動區［41］。目前大多數研究著眼于腦影像以及電生理技術，通過功能磁共振（functional magnetic resonance imaging，fMRI）和腦電圖（electroencephalography，EEG） 以及腦磁圖（magnetoencephalogram，MEG）進行監測。與電極下方區域相比，tDCS 對與刺激區域存在功能連接的遠距離區域的影響可以是相同［42］或相反的［43］。EEG 研究發現，刺激額葉區域常常能引起全腦同步變化的神經振蕩活動［44］。在MEG 研究中，一項納入24 名健康被試的研究發現，右側陽極的背外側前額葉皮質（dorsolateral prefrontal cortex， DLPFC）刺激可增強受試者在認知任務中的表現，且與偽刺激相比，左側頂額葉連接性在右側和左側DLPFC 刺激后均下降［45］。該團隊另一項研究同樣著眼于雙側DLPFC，得到了相似的結論，即右側DLPFC 刺激后做認知任務的反應更快，準確性更高。相對于右側DLPFC 刺激和偽刺激，左側DLPFC 刺激與枕葉皮質內自發性θ 頻段增加和γ 頻段減少相關，而DLPFC 和視覺皮質之間的連接性通常在刺激對側增加［46］。另一項聚焦注意力的研究發現［47］，左側DLPFC 上的tDCS 刺激與右側DLPFC 相比，在θ 波段內差異性地調節了右側額葉視覺功能連接，并調控了在一系列干擾物中檢測目標的神經振蕩響應。而在fMRI 研究中，已證明tDCS 刺激功能網絡的某個節點可以影響到整個網絡的結構［48］。一項使用磁共振兼容tDCS 設備結合刺激過程的磁共振數據的研究發現，在每個電極附近，電場最強的大腦網絡中，真刺激組目標網絡和遠程節點之間的連通性下降，這將導致部分遠端的區域產生“去抑制”的作用［49］。利用陽極tDCS 刺激睡眠剝奪24 h的健康志愿者右側DLPFC，丘腦與顳葉和左尾狀核的功能連接比使用偽刺激時更高［50］。由此可見，DLPFC 是tDCS 研究常見的刺激區域。默認模式網絡（default mode network， DMN） 在tDCS 相 關fMRI 研究中常被提及［51］。一項研究表明，與偽刺激相比，DMN、左右額頂葉網絡的區域大腦連通性發生顯著變化。這提示前額葉tDCS 通過誘導靠近陽極和陰極刺激部位以及遠距離區域的功能連接的變化，調節大范圍靜息態功能連接［52］。另一項tDCSfMRI 研究［53］對刺激后功能連接進行分析，結果顯示負相關網絡（anticorrelated network，AN）的同步性增加，DMN 的同步性減少，這可能揭示了tDCS誘導認知功能改善的機制，即DMN 的減少可能促進大腦資源的重新分配。近紅外技術也被首次運用于tDCS 作用機制的探究［54］。該實驗提出了根據實時的大腦狀態反饋來控制刺激持續時間，以達到閉環刺激的假說，并在一定程度上驗證了閉環刺激的可行性。

因此，tDCS 除影響電極下皮層區域，還可使遠距離皮層和皮層下結構相關神經網絡發生功能性變化，這可能與其誘導認知功能改善有關。

4 局限性與前景

近年來，tDCS 技術在探索人類大腦生理學、認知功能和作為治療措施的適用性等方面的研究數量顯著增長。在許多精神疾病與神經系統疾病領域，tDCS 被認為是一種有潛力的治療干預措施。然而，作為一項相對前沿的神經調控技術，tDCS 仍存在較多局限性。

針對tDCS作用機制的研究仍然不夠透徹。目前，細胞分子層面與神經影像學相結合的研究仍然比較少，缺乏足夠的外加電場與網絡振蕩的相互作用在體內和體外研究相比較的證據。與嚙齒類動物和體外模型相比，外部電場作用于大型動物（包括人類）的皮質表面時，將產生更多變量和不可預測的影響，這加大了研究的難度。除此以外，人體低電阻組織產生的分流效應使得最終只有很小一部分電流到達皮層表面，降低了實驗的精度［55］。在神經影像學方面，目前大部分研究使用的設備都與磁共振采集不兼容；而在電生理層面，電刺激本身會干擾EEG 的采集，因此大部分研究采集的數據都不是即時的［56］。在臨床應用方面，tDCS 的作用效果嚴重依賴于刺激參數，目前的刺激參數多樣，但未形成廣泛共識。刺激效應在多數情況下持續時間相對較短，且個體差異較大，少有文獻報道個體在重復刺激時的可預測性和信度［57］。在多種疾病的研究中，目前大部分研究是小樣本開放性研究，缺乏大樣本的隨機對照實驗。

作為一項正在快速發展的技術，tDCS 未來有望使用精確的電場建模技術向目標區域輸送定量電流，減少個體差異和分流帶來的影響；同時刺激和記錄大腦活動，定量測量tDCS 誘發的影響；通過閉環刺激包括大腦深部結構在內的大腦區域，鎖定特定節律，達到治療效果，并輔助神經精神疾病的機制研究。因此，這項神經調控方式具有光明的發展前景。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻/Authors'Contributions

王楊負責檢索文獻、撰寫稿件；王振負責指導稿件的撰寫和修改；程佳月參與了稿件的修改。所有作者均閱讀并同意了最終稿件的提交。

WANG Yang searched literature and wrote the draft with the guidance provided by WANG Zhen. The manuscript was revised by CHENG Jiayue and WANG Zhen. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.

·Received：2021-12-06

·Accepted：2022-06-23

·Published online：2022-07-25