經皮耳迷走神經刺激術在腦卒中上肢功能恢復的研究進展

王利凱，王立童

上肢運動功能障礙是腦卒中后最常見的功能障礙，且常常作為首發癥狀，嚴重影響患者的日常生活自理能力[1]，腦卒中的上肢功能尤其是手功能恢復作為康復后期的難題，已成為患者及家屬的迫切需求。目前，對于上肢功能的康復理念逐漸轉變，不再局限于傳統單一的作業治療，而是不斷引進新的中樞干預治療技術[2]，實現對受損腦區與上肢功能腦區的刺激，已在臨床應用中不可或缺。經皮耳迷走神經電刺激術(transcutaneous auricular vagus nerve stimulation，taVNS)，作為一種神經刺激技術，在臨床和基礎神經科學逐漸廣泛應用，其療效也在腦卒中上肢功能的康復中得到驗證[3]。taVNS作為有潛力代替有創的迷走神經電刺激術(vagus nerve stimulation，VNS)的治療手段，在參數設置、協同組合、作用機制、應用療效和安全性等問題上還缺乏有效的共識，本文對以上問題進行綜述，旨為優化taVNS在腦卒中上肢功能康復的研究應用，提高治療效果。

1 taVNS技術簡介

作為自主神經系統的重要組成部分，迷走神經激活了人體復雜的神經內分泌免疫網絡，維持代謝穩態，并調節腦卒中后大腦的生理或病理過程[4]。taVNS是一種通過低頻脈沖電流輸出裝置經皮耳刺激迷走神經耳廓外周支的無創性神經刺激方法[5]。迷走神經的耳廓分支是耳廓感覺區的重要神經，功能磁共振成像證實耳甲區是taVNS治療最有效和最佳的位置[6]。與侵入性VNS相比，taVNS的安全性和耐受性在已有研究中得到證實，同時摒棄了有創手術操作、并發癥多、技術要求高等缺點；taVNS具有與其相同的作用機制或途徑，迷走神經耳支的中央投射與經典中央迷走神經投射一致[7]，可激活皮層運動區、額葉、丘腦、小腦[3]，這使二者臨床應用基本一致。taVNS的最佳參數并未確定，已有試驗選擇的參數設置與VNS相一致，采用的刺激頻率為20～30Hz，脈沖持續時間為100～300us，而電流強度一般選擇以0.1mA開始逐漸增加到患者最大耐受程度，有效性與安全性得到了驗證[8-11]。

2 taVNS治療卒中肢體功能障礙的作用機制

在此我們主要介紹了taVNS在卒中動物模型中改善神經可塑性相關的生物學效應和不同參數設置對卒中后功能恢復機制的影響。

2.1 taVNS恢復卒中上肢功能的機制 taVNS的大多數臨床前研究選用的是急性大腦中動脈閉塞的嚙齒動物模型。Ay等[7]發現，給予taVNS的大鼠24h梗死體積減少了28%，從而神經功能得到改善；雙側孤束核和藍斑神經元的c-Fos染色增加，這與侵襲性VNS的結果相一致，但是梗死面積的減少幅度低于侵襲性VNS，這可能由于并未尋找到taVNS的最佳參數。而taVNS對局灶性缺血的神經保護作用和神經可塑性的增強是卒中肢體功能恢復的主要機制[12]，如抑制炎癥、腦區的激活、突觸連接的加強、神經元和血管再生等，以最大程度地恢復卒中患者的殘余功能。

2.1.1 釋放神經遞質，增強神經可塑性 神經遞質的釋放與再平衡在神經功能恢復中發揮著重要的作用。耳甲區迷走神經的傳入通過激活孤束核興奮基底核神經元和藍斑神經元，分別引起腦內乙酰膽堿(acetylcholine，ACh)和去甲腎上腺素(norepinephrine，NE)的釋放，廣泛激活大腦神經調節網絡，增強神經可塑性[13]。刺激迷走神經也會引起腦源性神經營養因子、堿性成纖維細胞生長因子水平和腦內的γ-氨基丁酸的增加，有利于大腦神經網絡的重組[14]。卒中康復過程中，γ-氨基丁酸抑制大腦中興奮性神經遞質多巴胺的產生[15]，減輕氧化應激和神經毒性，是促進卒中恢復的重要遞質。

2.1.2 誘導血管再生，促進神經功能恢復 taVNS增強了腦梗死缺血區域周圍血管生成因子的表達，如腦源性神經營養因子、內皮型一氧化氮合酶和血管內皮生長因子[7]。此過程可誘導內皮細胞增殖，刺激血管生成，并增加梗死區域周圍的微血管密度，減少梗死體積。已有研究表明，taVNS參與了卒中期間的腦-脾通訊，主要通過激活脾臟將生長分化因子11轉移到血液循環中，從而允許其隨后在大腦缺血區積聚，促進神經網絡重組[16]。

2.1.3 增強軸突可塑性，改善神經功能 軸突可塑性與腦卒中后神經功能恢復密切相關。taVNS通過激活α7煙堿型乙酰膽堿受體(alph α7 nicotinic acetylcholine receptors,α7nAChR)增強軸突可塑性，改善神經功能[17]。Meyers等[18]發現，迷走神經刺激可以增強皮質脊髓運動網絡的可塑性，增加單側缺血皮質下大鼠皮質脊髓束與前肢肌肉組織的突觸連接，改善前肢運動功能，并且這種改善的持續效應可達數月。

2.1.4 其他早期神經保護的機制 taVNS在腦卒中早期的神經保護作用：taVNS可保護卒中后24h內的血腦屏障完整性[19]，減少梗死灶面積，降低神經損傷；在taVNS過程中α7nAChR已被確定為治療缺血性卒中抗炎途徑中的中心靶點[20]，膽堿能抗炎途徑被認為在缺血性卒中后調節神經炎癥的過程中發揮關鍵作用，調節中樞和外周神經系統的炎癥反應，發揮神經保護作用；動物實驗發現，NE可能通過抗炎、抑制氧化應激、抑制去極化、改善線粒體功能障礙、抑制細胞凋亡等多種途徑減少卒中繼發性損傷[21]，產生神經保護作用。

2.2 不同參數的taVNS對卒中上肢康復的作用機制 NE是taVNS增強神經可塑性過程的關鍵因子，NE的釋放對taVNS參數設置有更加核心的作用。卒中后交感神經興奮引起NE大量釋放，持續的興奮導致NE過度丟失，而NE的缺乏會引起交感興奮的惡性循環，加重神經損傷，阻礙卒中后肢體功能的恢復[21]。研究顯示，NE產生神經保護或損害效應與其在中樞神經系統內釋放水平密切相關，低濃度水平不僅可以緩解交感興奮的惡性循環，還可增強神經元間突觸連接，抑制免疫細胞釋放促炎因子，保護神經細胞，而高濃度水平則從多途徑損害神經細胞[22]。因此，卒中后盡早調控腦內NE水平，可能是抑制卒中繼發性損害、改善預后的關鍵環節。

鑒于藍斑神經元在VNS發揮的增強可塑性作用，藍斑神經元放電活動與神經可塑性之間可能表現出倒U關系，一種可能的模型是驅動積極影響的低閾值系統和導致消極影響的超高閾值系統[23]。研究發現[24]，藍斑神經元放電活動與脈沖刺激寬度、電流強度有關，藍斑神經元在低閾值時被VNS激活，增加刺激強度和脈沖寬度驅動更大的神經活動。在倒U關系下，中等刺激強度和脈沖寬度會引起最大可塑性驅動，適用于卒中早期調控腦內NE水平，參數過大會引起NE過度釋放，加重卒中繼發性損傷。而過度增加刺激頻率雖不增加藍斑神經元放電水平，但是降低中樞神經元間的突觸傳遞效能[25],所以taVNS以低頻電流刺激神經纖維為宜。

3 taVNS在腦卒中上肢功能障礙的臨床研究與應用

腦卒中上肢功能的康復治療技術包括經顱直流電刺激技術、腦機接口技術和頭皮針等以大腦為靶點的中樞干預技術，以及神經發育治療技術、上肢機器人訓練等以外周為靶點的外周干預技術。雖然中樞干預與外周干預刺激靶點不同，但是治療目的一致[26]。臨床研究證明，閉環神經調節比開環神經調節更有效[27]，中樞干預技術結合外周干預技術的治療效果優于單一干預。據此，國內學者提出“中樞-外周-中樞”閉環干預模式[28]和“腦-肢體協同調控治療技術”[29]，其核心理念是統籌中樞干預與外周干預。根據腦部和肢體干預的不同時間[29]，可分為非同步協同模式和同步協同模式。

與單純的康復訓練相比，迷走神經刺激與上肢康復訓練結合顯著改善了肢體的功能[30]。在迷走神經結束后立即進行上肢功能康復訓練，可以明顯強化康復訓練的效果[31]。迷走神經刺激和康復的協同效應取決于神經可塑性，這是一種時間依賴性現象。盡管迷走神經會引起神經遞質Ach和NE在整個皮層釋放，但皮層可塑性的觸發是聲音或運動驅動的一組神經元特有的能力[32]。當基底核或迷走神經在短時間內受到直接刺激，并伴有聲音或運動時，可以觀察到神經生理學的變化。taVNS與感覺或運動訓練結合能驅動運動皮層中特定任務的可塑性，與單獨康復相比，控制前肢受損的皮質脊髓束突觸連接增加，更有利于肢體功能恢復[33]。這種閉環解決方案為taVNS通過“腦-肢體協同調控治療”模式在腦卒中的應用提供了理論基礎。

3.1 taVNS非同步聯合上肢治療模式 腦-上肢非同步協同治療根據作用時間的先后順序可分為“腦-上肢非同步順序協同治療”、“腦-上肢非同步反序協同治療”[29]，即先taVNS后肢體治療和先肢體治療后taVNS，既有的參考文獻以前者為主。

3.1.1 VNS/taVNS非同步運動訓練 taVNS在卒中患者的應用初期多以VNS的應用為參考，如參數設置、康復策略組合和訓練時間等方面。因此，我們將VNS與taVNS非同步運動訓練的試驗一并陳述。VNS結合目標任務導向訓練可改善卒中后患者的上肢運動功能。Dawson等[34]首次對VNS與上肢康復進行了人體干預，將21例腦卒中病程>9個月上肢功能障礙的患者分成2組，每組先給予單次VNS治療(參數：30min，30Hz，0.1ms，0.8mA)或者假VNS治療，再進行上肢康復訓練結合。結果顯示，與對照組相比，實驗組在上肢Fugl-Meyer運動功能評分量表評估(Fugl-Meyer assessment upper extremity scale，FMA-UE)有更高的分數。Dawson等[35]對17例卒中后4個月至5年的上肢功能障礙患者隨機雙盲研究，1年隨訪后，FMA-UE得分增加了9.2分。該研究表明，迷走神經刺激結合運動康復訓練具有良好的長期依從性，利用大腦在卒中后很長一段時間內的重組能力，增強殘余運動網絡的招募來維持失去的功能，可以改善缺血性卒中后的手功能障礙。不足之處是，在臨床研究中并不關注VNS對卒中患者的安全性，而實際操作中很容易失敗或出現并發癥。與過去VNS的實驗相比，Wu等[8]首次證實taVNS在亞急性缺血性腦卒中患者上肢運動功能的有效性和安全性。將21例急性或者亞急性期(發病后0.5至3個月)缺血性腦卒中單側上肢運動功能障礙患者隨機分為2組，傳統的康復訓練在真實或假taVNS結束后立即進行。真實taVNS給予20Hz、0.3ms、600脈沖，每次持續30s，每5分鐘刺激一次，每天進行30min，連續15d。評估指標包括FMA-EU，Wolf運動功能測試(Wolf motor function test,WMFT)，功能獨立性測量(functional independence measure,FIM)。在每次taVNS干預前后測量心率和血壓，且在操作過程中觀察不良反應。結果顯示，與假taVNS組相比，taVNS非同步協同常規康復訓練的患者FMA-EU、WMFT和FIM評分變化更顯著，且在研究期間只發生了一例皮膚發紅的情況，未觀察到心率和血壓的不良反應。

3.1.2 taVNS非同步多元感覺訓練 有學者提出“手腦感知”理論[36]，認為手部感覺是實現運動功能的基礎，多通道感覺訓練幫助患者完成手功能的信息識別和任務執行，包含視覺、聽覺、淺感覺、深感覺和復合感覺。視覺反饋、聽覺刺激是手腦感知的重要環境，是卒中手功能恢復的重要因素。taVNS協同感覺訓練對上肢運動功能改善有益。Baig等[37]對12例卒中患者進行6周taVNS非同步觸覺任務訓練，結果發現患者上肢感覺功能的提高同時運動功能也得到改善。Ridder等[38]通過taVNS與模擬音調配對，發現可以驅動聽覺皮層可塑性，上肢重復工作與特定聲音信息進行關聯，可激活頂葉增強聽覺和運動皮質區之間的功能聯系，為taVNS與聲音訓練結合提高神經可塑性提供了依據。

3.1.3 taVNS非同步上肢康復機器人技術 上肢康復機器人技術屬于外周干預手段，對改善腦卒中偏癱患者上肢肩、肘、手功能具有顯著效果[39]。Capone等[9]將14名缺血性或出血性卒中病程1年以上的卒中患者被隨機分配到與真實或假taVNS組，并結合機器人輔助治療。taVNS由600個脈沖組成(序列內脈沖頻率=20 Hz；脈沖持續時間=0.3 ms)，每5分鐘重復1次，每次30s，持續60min，將刺激電流強度單獨調整到高于檢測閾值和低于痛閾的水平。在真實或假taVNS結束后，立即進行機器人訓練，每組患者接受10個工作日的機器人治療。結果發現taVNS未影響血壓和心率，taVNS結合康復機器人在改善卒中后遺癥期患者上肢功能中更有效且安全耐受。

3.2 taVNS同步聯合上肢治療模式

3.2.1 taVNS同步運動訓練 Redgrave等[10]給予13例病程>3個月的腦卒中患者任務訓練同步taVNS，在6周內共接受了18h的訓練，以最大耐受強度重復30～50次手臂運動，同時進行taVNS(參數：25Hz，0.1ms)。每次就診時均獲得心電圖和上肢功能量表評分。運動計劃是每次訓練開始時手臂都要做較大幅度的運動和重復任務訓練。同步治療是在任務訓練期間同時給予taVNS治療。當參與者開始手臂運動時，理療師通過按下刺激器裝置上的按鈕來“打開”刺激，當移動停止時，“關閉”刺激。結果顯示該試驗每位參與者的FMA-EU評分平均得分增加了17.1分，其中，3名參與者報告產生了疲勞，但未發生相關心電圖改變及其他不良事件。taVNS同步運動協同治療可改善卒中后上肢功能且耐受性良好。

3.2.2 taVNS同步交互機器人訓練 Johanna等[11]將36例病程>6個月上肢偏癱患者分為taVNS和假taVNS組，每組患者接受9次60min的聯合交互機器人訓練。在機器人訓練期間給予taVNS(參數：30 Hz，0.3 ms，最大刺激強度5mA)，每次訓練進行250次機器人交互運動。在過程中評價了FMA-EU、WMFT，測定了肱二頭肌和肱三頭肌的表面肌電圖(surface electromyography,sEMG)。結果顯示，在肩部或肘部機器人訓練任務中伸展運動之前給予的taVNS顯著降低偏癱手臂的肌肉痙攣，并改變了伸展過程中的肱二頭肌峰值sEMG振幅。肱二頭肌峰值sEMG振幅可能是taVNS誘導肢體功能改善的早期敏感的指標。但是2組數據在FMA-EU、WMFT功能上無統計學意義，這種差異可能是由于刺激和訓練的累積量不足。

4 taVNS的問題與研究方向

盡管taVNS協同上肢康復治療無創的方法促進了迷走神經刺激技術在臨床實踐中的應用，有著“腦-上肢協同治療”與“手腦感知理論”的支持，但是taVNS技術方法仍有許多問題值得探討。

4.1 參數設置 設置理想的刺激參數是其應用面臨的最關鍵挑戰之一，耳部迷走神經A-β纖維核團的數量是頸部迷走神經的1/6[18]，taVNS選擇與VNS相同范圍的參數，這可能導致其中樞靶點的激活較弱，使療效沒有達到最佳的效果。而刺激部位、持續時間、脈沖頻率、脈沖寬度、總脈沖量和電刺激強度也是影響有效性的重要因素，所以尋找最佳參數設置是下一步的研究重點。

4.2 安全性 腦卒中合并冠心病、高血壓等基礎疾病的患者數量較多，為避免右耳刺激心臟竇房結引起心動過緩，上述研究中taVNS選擇的刺激區域是左側耳甲區，所以未來taVNS對卒中后心臟結構、電生理和收縮功能的影響是一個重要的的關注領域。盡管在動物試驗中發現刺激左耳與右耳的治療效果相當[40]，但是在臨床試驗可監測相關體征的情況下選擇刺激病灶側或者雙側的方案是否優于左側的刺激，值得進一步研究。同時，迷走神經對消化系統的影響較大，卒中患者可能合并吞咽功能障礙、胃腸道反應等，一項研究認為迷走神經刺激有利于卒中后吞咽障礙的恢復[41]，但是受樣本數量的限制，taVNS的安全性仍需要進一步驗證。

4.3 taVNS與耳穴電針 耳廓的解剖和神經分布復雜，耳甲區被認為是taVNS的最佳刺激部位，但是結合中醫耳穴理論，耳甲區存在著許多與身體器官對應的穴位，刺激不同耳穴可引起的大腦皮層特異性激活，實現對腦區的精準刺激[42]。而在目前的動物模型或者臨床研究中，尚未對taVNS和耳甲區耳穴電針進行比較，未來如果利用功能核磁共振成像技術等檢測手段，可以證實耳甲區迷走神經的靶點刺激，那么卒中功能障礙的治療方案組合將更加規范化，更具有可指導性。

4.4 最佳協同順序與協同類型 taVNS可在其他治療前、中進行協同，根據目前已經發表的文獻來看，選擇非同步協同治療較多，但是同步治療的研究在逐漸增加，根據taVNS具有的長期效應的特點，推測上肢治療前給予taVNS預刺激再進行上肢治療干預的順序治療模式可能效果更好。在協同類型上，目前已發表的研究以taVNS和外周干預協同為主，但是也有學者探索taVNS與中樞干預的協同治療。一項經顱直流電刺激(transcranial direct current stimulation，tDCS)和taVNS協同刺激大腦反應的研究顯示[43]，同時tDCS和taVNS可能更具有調節腦網絡的潛力，激活強度大于tDCS和taVNS激活的數字總和，原因在于taVNS可能會將大腦活動調節到tDCS更容易工作的狀態。taVNS的發展研究尚在初期，目前報告的文獻中僅僅與任務訓練和機器人技術結合。即使在已經報告的文獻中，taVNS與機器人上肢康復協同模式出現了不同的結果，與其相比，taVNS協同的重復任務訓練對上肢功能改善的效果更一致。因為不同治療技術的作用方式和激活中樞不同，如何充分與taVNS協同以及何種組合方式效果更佳依然需要深入研究。

5 小結與展望

taVNS已被證明可改善卒中臨床前研究和卒中后康復臨床研究的神經預后，顯示出了極為重要的研究價值和臨床價值，為腦卒中患者上肢功能障礙的康復提供了新的方案。結合目前研究現狀，taVNS在腦卒中的治療尚未形成廣泛共識，關于如何更好地利用taVNS及其潛在機制，仍需要進一步持續、科學規范的設計來提供高質量證據以支持臨床決策。