一文详解经颅磁刺激（TMS）的原理、功能与应用

随着技术的发展，具有连续可调重复刺激的经颅磁刺激(rTMS)出现，使得经颅磁刺激在临床精神病、神经疾病及康复领域获得越来越多的认可。它主要通过不同的频率来达到治疗目的，高频（>1Hz）主要是兴奋的作用，低频（≤1Hz）则是抑制的作用。rTMS因其无痛、非创伤的物理特性，实现人类一直以来的梦想——虚拟地损毁大脑探索脑功能及高级认知功能，与PET、FMRI、MEG并称为“二十一世纪四大脑科学技术”。

单脉冲TMS (sTMS) ：sTMS采用无固定频率施加的单次时变磁场，观察瞬时效果，多用于常规电生理检查。sTMS也可以激发多个刺激,但是刺激间隔较长(例如10秒) ,因此只需要一个刺激器。

单脉冲经颅磁刺激器Magstim 200²

双脉冲经颅磁刺激器Magstim® BiStim²

重复经颅磁刺激器Magstim® Rapid²

目前临床使用的rTMS主要分为高频rTMS和低频rTMS，不同频率的TMS对运动皮层的调节作用不同。

高频rTMS（＞1Hz）：增加皮层的兴奋性。

低频rTMS（≦1Hz）：降低皮层的兴奋性。

rTMS主要原理是利用电磁感应产生磁脉冲， 透过颅骨进入大脑皮层，对大脑与情绪和认知调节有关的区域(比如前额叶)产生积极影响，从而改善患者的情绪和认知。rTMS临床治疗适应证包括：抑郁症、卒中或卒中引起的各类功能障碍。针对每个适应证，治疗方案由模式、部位、磁刺激线圈类型、刺激强度、刺激频率、刺激脉冲数和治疗时长等组成，根据循证医学证据给出相应的推荐级别（A为肯定有效，B为很可能有效，C为可能有效）。

国外对经颅磁刺激技术的研究起步较早，在经颅磁刺激器的研制和生产方面，已有很多公司拥有较为成熟和先进的技术。英国MagStim公司作为磁刺激器的发明者，是世界上最早、最大的磁刺激器生产厂家，全球市场占有率>70%，中国高端用户市场占有率>90%。目前的产品主要有200²、BiStim²和Rapid² 3种磁刺激器，其中Rapid² 系列刺激线圈为空心8字形线圈，最高输出电流为7 kA，频率范围1~100 Hz，100%能量时最高频率为30 Hz，50%能量时最高频率为50 Hz，30%能量时最高频率为100 Hz。在刺激线圈形式方面，MagStim公司的线圈种类较多，可根据不同的刺激类型选择相应的线圈，可治疗抑郁症、帕金森症、癫痫等多种疾病。

Rapid² 系列刺激线圈为空心8字形线圈

对于一个完整的脉冲电流发生电路，还需要控制电路、驱动电路、保护电路和测量电路作为辅助，若线圈为单个线圈，则只需要产生一路脉冲电流;当线圈为多通道阵列时，就需要能产生可控的一路或多路同步脉冲电流，设计上更加复杂。图2为一种多通道线圈阵列的脉冲电流发生电路的整体框图，其中刺激器就是多通道线圈阵列。目前单线圈的驱动电路比较成熟，而线圈阵列的驱动电路尚处于研发阶段。

图1 脉冲电流发生电路示意图

图2 多通道阵列的脉冲电流发生电路的整体框图

现有的研究中，对单个线圈的研究较为充分，其中为人熟知的圆形线圈和8字形线圈已经有了广泛的商业应用，大部分TMS仪器和临床治疗都基于这2种线圈。另外还有很多其他线圈形式，例如slinky线圈、四叶形线圈、H线圈等。随着科学的发展，研究人员对于TMS仪器的要求越来越高，例如高聚焦度、灵活的刺激方式、多点同步刺激、深部刺激、目标精确定位等，单线圈很难满足这样的需求。而多通道经颅磁刺激以其特有的优势，在近年来逐步进入人们的视野。多通道线圈阵列可以实现多点同步刺激，在改变刺激目标区域时不用移动线圈位置，可以实现快速变换刺激位置，增加治疗、实验的灵活性，应对某些单个线圈难以实现的新型实验，例如调整神经网络、神经海扁学习等。

圆形线圈（Magstim）

8字形线圈（Magstim）

双锥型线圈（Magstim）

H线圈设计原理

精神科：药物难治性抑郁症、焦虑症、躁狂症、强迫症、创伤后应激障碍、精神分裂症、幻听、耳鸣、睡眠障碍等。

神经科：癫痫病、阿尔茨海默病、帕金森病、肌张力障碍性疾病、运动神经元疾病、多发性硬化、偏头痛等。

康复科：脑卒中、脊髓损伤、肌纤维痛、外周神经损伤、运动功能障碍、吞咽障碍、失语等疾病。

儿科：孤独谱系障碍、脑瘫、多动症、癫痫等。

其他领域：TMS与情绪、疲劳、麻醉药物、认知研究、躯体感觉皮层、毒品、成瘾性等。

在运动障碍性疾病方面，肌张力障碍的病理基础是运动皮质呈高兴奋性或皮质内抑制作用的缺失，由于不同频率及幅值的rTMS刺激可以引起神经元的不同响应，而低频的rTMS具有抑制运动皮质高兴奋的作用，因此临床上适当的rTMS刺激对肌张力障碍具有特殊的治疗效果。同样对于癫痫等疾病，长时间的低频rTMS刺激可以有效抑制大脑运动皮质区域的兴奋性，改善癫痫患者的发病症状。

在治疗抑郁症方面，国内外学者对TMS应用于抑郁症的治疗所进行的研究是最多的，也取得了显著成果。研究结果表明，重复经颅磁刺激能改善人的情绪，并在一定程度上影响抑郁症患者的睡眠质量和生物周期，从而达到治疗抑郁症的效果。研究发现利用高频TMS刺激左背外侧前额叶皮质和利用低频TMS刺激右侧同一区域都会改善抑郁症状，其中左背外侧前额叶皮质是TMS刺激的最佳部位。对于早期的抑郁症病人，TMS治疗的疗效更快，费用也更低。

在神经功能康复领域，TMS能调节神经递质的传导、修复一些受损伤的神经元，使得TMS在脑卒中、失语症等方面得到了越来越广泛的应用。尤其是脑卒中方面，TMS加深了人们对脑卒中病理生理过程的理解，利用rTMS刺激脑卒中患者健康侧大脑的运动前皮质区，发现经刺激后的大脑皮质运动兴奋性明显提高，运动功能显著提高，脑卒中患者症状明显减轻。利用TMS治疗脑卒中患者，患者运动功能的恢复效果显著，同时TMS刺激对患者的认知功能与脑电图无明显影响。

另外，研究表明，TMS还可以用于帮助患者戒除毒瘾、烟瘾等成瘾问题。TMS在治疗神经性疼痛、帕金森病、耳鸣以及其他中枢和外周神经系统的疾病方面也有一定的应用，随着TMS研究的不断深入，TMS在医学治疗方面的应用将会越来越广泛。

在神经传导功能的检测方面，TMS可以改变大脑局部皮层的兴奋性，高频rTMS具有易化神经元兴奋的作用，可瞬间提高运动皮质兴奋性，而低频rTMS具有抑制神经元兴奋的作用。TMS可刺激大脑皮层的特定区域使其产生运动诱发电位（MEP）。MEP是刺激运动皮质在对侧靶肌记录到的肌肉运动复合电位，利用sTMS刺激异侧运动皮质后得到相应的MEP，记录下MEP就能探测到大脑运动皮质下行路径传导，这种测量可以得到中枢运动传导时间、TMS的运动阈值和MEP静止期等非常重要的生理参数。

运动阈值检测主要用来评价神经元的兴奋性，脊髓损伤患者的皮质脊髓束运动阈值明显比正常情况下的高，检测运动阈值的大小即可判断脊髓受损伤的程度。TMS刺激被试者诱发处MEP后，利用肌电图显示，此时肌肉的活性有所降低，TMS刺激后肌肉收缩相对于肌肉正常收缩所延长的时间称为MEP静止期，MEP静止期对评价脑卒中、癫痫等疾病具有重大意义。

在大脑皮层功能定位方面，TMS可以关闭大脑特定皮层区的活动，实现大脑局部功能的虚拟性损毁。TMS可以对特定的皮层区产生暂时的、可逆的损毁。近年来，利用TMS实现大脑局部功能虚拟性损毁这点已经成为国内外学者的研究热点。以前人们想了解大脑皮层某一特定区域的功能只能借助于对大脑损伤患者的研究，但是大脑皮质损伤往往不只是损伤某一特定区域，这对大脑皮层特定区域功能的定位带来很大的挑战。而TMS刺激所产生的虚拟性损毁这一特性可以帮助人们很好地解决这一难题，TMS刺激可以有选择性地关闭特定皮层区的功能，通过刺激大脑的这一特定皮层区，观察机体的生理反应，确定该区域皮层对于完成某一任务是否必要，从而准确确定特定大脑皮层的作用。

大脑认知功能研究方面，国内外学者利用TMS对大脑学习与记忆功能的影响做了大量研究，并取得了一定的成果。Kling J W等人通过实验研究发现rTMS可以暂时阻断小白鼠的记忆。Sandyk R等研究发现，长时间低强度的TMS刺激能改善多发性硬化症患者的感知能力。Ramirez等人利用海马神经元作为研究对象，发现TMS有助于神经元记忆功能的恢复。