本文作者：石林，李秉心，杨舟，韩春雷，张建国，首都医科大学附属北京天坛医院神经外科；本文发表在[J].中国微侵袭神经外科杂志,2024,28(06):321-330.本文转载自医脉通网站，神外前沿转载已经获得医脉通授权
1. 电刺激介绍
神经科学领域研究不断揭示电刺激对神经系统影响。电刺激作为一种重要神经调节手段，广泛应用于神经科学研究、临床治疗以及神经工程学领域。然而，电刺激影响大脑生理活动的机制目前尚不清楚。随着电刺激技术在神经外科领域的应用和发展，经颅直流电刺激（transcranial direct current stimulation,tDCS）、经颅交流电刺激（transcranial alternating current stimulation,tACS）、脑深部电刺激（deep brain stimulation,DBS）以及最新的光遗传学、磁遗传学等临床电刺激治疗手段亦相继走入大众视野。
无论是在人体还是体外研究中，电刺激手段产生的低强度外源电场均被认为是可影响正在进行的神经活动。电刺激产生的电场对神经元、神经纤维和突触的影响是电刺激治疗神经系统疾病的基础和关键。然而，电刺激对神经系统的影响机制尚未完全明确，需要进一步研究。本文综述了现阶段有关电刺激影响神经元、神经纤维和突触的可能机制，以更全面了解电刺激在神经系统的作用机制和影响方式，为神经科学研究和相关临床应用提供参考依据。
2. 电刺激与神经元
大脑是人体核心中枢，包括脑干、间脑、小脑和端脑等部分，主要由灰质和白质组成。灰质是神经元胞体聚集而成的区域，主要分布于脑表面，而白质则主要由神经纤维组成，存在于脑内部。脑内部还存在着许多由神经元胞体聚集而成的神经核团，它们通过局限性或广泛性神经纤维投射发挥相应功能。
这些神经组织由神经细胞、神经纤维、胶质细胞、血管、基质等组成，外部刺激可通过影响这些结构功能，实现对脑功能调节。其中电刺激对于神经元、神经核团与神经纤维的作用是电生理学研究的热点。经过电生理学研究发现，当电刺激达到神经元所处的微观结构后，由于基质中存在大量正负离子，刺激能够诱导离子定向移动在神经元膜表面形成电势，进而产生电场诱导神经元膜电位改变，进而改变神经元、神经核团和神经纤维的生理状态。
2.1 电刺激改变神经元物理性质
电场能对神经元物理性质产生影响，研究发现外部施加脉冲电场能够增加神经组织的剪切模量，具体表现为在电场中，神经组织弹性和黏性增加，其中低频脉冲电场影响最显著，而脉冲电场的爆发对其影响较小；在微观结构尺度上，施加电场会导致神经元髓鞘浓缩、远离表层区域，其表面蛋白聚糖的有序结构变为无序，经透射电子显微镜观察发现在髓鞘内层之间出现层状分离，证明电场确实能改变神经元结构。对于上述现象，研究者推测外加电场产生的电场力改变神经元核心蛋白结构，进而使部分蛋白聚糖丢失，导致神经元结构改变。
2.2 电刺激影响神经元自主放电
电刺激可直接作用于神经元胞体，促进或抑制其产生电信号。研究表明外加电场将会改变神经元细胞膜上的电位，当电位变化达到阈值水平，将发生动作电位。随着研究手段进步，进一步研究发现当神经元位于电场内时，电场将通过叠加电诱导跨膜电位（induced transmembrane potential,ITP）来诱导静息跨膜电位变化。
当电流穿透膜时，神经元膜可能从其静息值去极化和（或）超极化，从而引起细胞激发或抑制，意味着电场不仅能够引起神经元极化放电，还能够通过类似机制引起神经元超极化，抑制神经元放电活动。值得注意的是，电场与神经元之间作用的选择是相互的，即电场不同性质可特异性改变神经元放电活性，神经元本身生理结构也可反过来对电场产生选择性。
2.2.1 电场参数影响神经元放电：
虽然电刺激能够引起神经元放电已经被大量研究证实，但是，其机制却仍未明确。适当电刺激可在脑部产生相应电场，而改变电场参数则会特异性影响神经元电生理性质。因此，了解电场不同参数对神经元的影响，对探寻电刺激技术的机理有重大意义。
研究表明：电场方向会对神经元极化产生影响，通过构建计算模型等方法证明轴突兴奋性与刺激电场方向的角度依赖性。实验检测表明在体感皮质中，当电场与皮质柱平行时，神经元局部场电位（local field potential,LFP）响应最大；在相同场强度下，当电场与皮质柱垂直时，LFP响应消失即神经元不发生放电，进一步证实电场方向是决定神经刺激效应的重要因素之一。
电场强度也能够影响神经元放电，研究表明体细胞膜电位将随施加电场强度线性增加，意味着随着电场强度增加，神经元更易极化放电或超极化。但亦有研究结果表明：只有适当电场强度能促进神经元极化放电，常见有效刺激强度约为1mV/mm。其他研究发现神经同步也随着电场强度增加而增加。
电场频率改变对神经元放电的影响至关重要，甚至特定频率电刺激才能引起特定神经元放电。研究表明：神经元放电频率与外加电场频率在一定范围内呈正比，提高外加电流幅值后范围扩大；神经元放电频率与外加电流幅值呈S形曲线关系。
2.2.2 神经元自身特性对电场的选择：
神经元本身也会决定能否受到外部电场影响及影响程度。很早就有研究者提出，神经元内外电场均会受到神经元形状影响。后续研究发现神经元树突、轴突越长，细胞膜在电场作用下极化程度越高，即神经元有效长度越长、越容易被外加电场夹带。近期也有人体内实验和电流模拟表明，经颅直流电诱导电场的空间分布和强度，在很大程度上取决于个体大脑解剖结构和组织电导率特性，也能证明神经元结构等物理因素，会影响电场对神经元的作用。
2.3 电刺激调节神经元活性
除影响神经元放电，也有学者提出电刺激可直接调节神经元活性来对抗疾病损伤作用。PEI等研究表明：利用电针带来的电刺激可促进海马体脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor,BDNF）的产生。BDNF是海马神经元结构和功能的有效调节剂，可直接营养海马神经元，从而起到调节神经元活性的作用；DBS作为现有精度更高、可刺激更深层核团的电刺激工具，也被证实具有类似作用。
除了BDNF，胶质细胞源性神经营养因子（glia cell linederived neurotrophic factor,GDNF）释放也受到电刺激调控。GDNF是中脑多巴胺能神经元的有效活性因子，可有效营养并维持多巴胺能神经元活性和正常功能。FAUSER等通过实验证明：通过电刺激丘脑底核（subthalamic nucleus,STN）可减少帕金森病（Parkinson’s disease,PD）晚期患者由于神经毒素造成的多巴胺能神经元损伤，从而保护STN多巴胺能神经元。
也有研究提出，通过STN-DBS可有效抑制神经炎症，从而保护PD患者多巴胺能神经元，减少损害。而在近期一次实验中，研究人员首次证明双侧STN-DBS对大鼠黑质纹状体和中脑边缘多巴胺能神经元具有持续神经恢复作用，可拮抗及恢复PD造成的神经退行。此外，丘脑前核（anterior nucleus of thalamus,ANT）电刺激对额叶癫痫有显著治疗效果，但其机制尚不清楚。现有动物实验通过对猴癫痫模型给予ANT-DBS并监测海马神经元活性，发现电刺激可通过抑制BDNF/TrkB信号通路，诱导激活海马神经元自噬，而自噬在额叶癫痫治疗中往往起重要作用，这也为验证电刺激保护神经元这一猜想提供新思路。
2.4 电刺激与神经核团
神经核团是由结构和功能相似的神经元胞体聚集形成的具有特定功能的神经元群体，是大脑中负责调节运动、情绪、认知等功能的关键结构之一，近十年研究已经证实对某些核团使用特定电刺激可产生相应治疗效果，例如使用高频电刺激STN和苍白球内侧部（globus pallidus internus,GPi）可有效改善PD患者运动症状，而刺激丘脑腹侧中间核（ventral intermediate nucleus of thalamus,Vim）和桥脚核（pedunculopontine nucleus,PPN）则可治疗PD引起的步态和姿势不稳。
另外，也有研究表明，电刺激穹隆对阿尔兹海默症（Alzheimer's disease,AD）有良好治疗效果。虽然现阶段已有很多研究基本证实刺激特定核团可达到预期效果，但对于其内在机理仍存在疑问。研究电刺激对神经元群体的影响，有助于更好阐释其对神经核团乃至神经环路的深层机理。虽然现阶段临床出现多种电刺激技术，但拥有良好精度与深度，并且已被广泛研究、应用，逐渐趋于成熟的DBS技术是临床研究神经核团，尤其是深层核团的首选。
神经核团由大量结构和功能相近的神经元胞体组成。正如前文所述，电刺激可调节神经元放电活性，临床上表现为神经核团电生理变化。细胞外电极产生的电场无差别作用于电极周围的所有神经元，因此很难实现真正选择性刺激特定神经元。当电极深入脑组织并进行放电时，无法指定刺激某一神经元，而是在一定范围内激活电极所在区域周围的一群神经元，并通过广泛神经连接等进一步激活其他神经核团。更有研究表明：电刺激作用范围约为几十微米（μm），在施加电刺激的电极约30μm范围内能够直接激活周围神经元。
在一定程度上，使用适当参数电刺激可改变甚至反转神经核团的生理或病理功能，从而阻断其所参与的电信号通路。例如STN-DBS可有效抑制STN电信号传导，以改善PD患者震颤症状。对海马体和ANT施加高频电刺激也可通过抑制这些核团异常放电活动而有效降低耐药癫痫患者的发病频率。在临床研究中发现，通过电刺激治疗各类神经系统疾病的效果，与直接手术切除或药物损伤的疗效相对一致，因此电刺激抑制神经核团功能这一假说得到普遍认可。
在一些实验中，研究人员观察到通过电刺激特定核团，其产生抑制信号逆向激活周边其他基底神经节，阻断其参与神经通路，产生广泛效应。STN在基底神经节中具有极其重要的作用，STN可广泛投射到纹状体、苍白球、黑质等神经核团，参与多种神经环路组成。黑质包括黑质致密部（substantia nigra compacta,SNpc）与黑质网状部（substantia nigra reticulate,SNr）。SNr是治疗癫痫的重要靶点之一。
STN中多巴胺能神经元轴突广泛连接SNr组成STN-SNr环路，通过该环路，STN-DBS产生的电信号可直接传导到SNr，并对其活动产生抑制作用，从而改善癫痫患者运动性症状。此外，电刺激STN产生的电信号也可沿特定神经环路传导到纹状体、苍白球等上游/下游神经核团，作为激动或抑制性信号产生广泛电生理效应。
除静止性震颤，步态异常和认知功能障碍也是PD患者常见临床症状。PD主要病因常被认为是黑质多巴胺能神经元退行性病变。近年来，随着电刺激技术不断进步，黑质作为治疗PD的新靶点逐渐走入大众视野。已有实验证明在应用DBS刺激STN同时施加黑质电刺激，相较于STN-DBS能够更有效改善PD患者步态异常、注意力分散等症状。
近期有学者发现，黑质与内嗅皮质之间存在神经环路，黑质多巴胺能神经元可特异性连接内嗅皮质内的特定细胞，从而通过释放多巴胺影响内嗅皮质活动并参与情景记忆功能。PD患者步态异常的症状，现阶段已被证实与情景记忆功能异常具有直接关系，因此我们推测，电刺激黑质可通过黑质-内嗅皮质环路改变内嗅皮质多巴胺水平从而对PD患者步态异常及认知功能障碍产生治疗效果。
3. 电刺激与神经纤维
电刺激作为当前临床治疗神经系统疾病的主要手段，其显著优势之一在于其能够有效刺激各类神经元件，包括神经元、突触、神经纤维以及胶质细胞等。近年来，许多研究已经揭示电刺激对神经纤维的调控作用。例如，电刺激可影响神经纤维膜电位，从而影响神经元兴奋性和抑制性。电场还可调控神经纤维离子通道开放，影响神经信号传导速度和强度。此外，电刺激还可通过影响神经纤维轴突生长和突触形成，影响神经网络发育和功能。这一部分内容旨在通过分析多种电刺激方法对神经纤维的影响，以揭示电刺激对神经信号传递的作用机理。
3.1 电刺激影响电信号传导
3.1.1 轴突与树突双向激活：
电刺激可激活被刺激区轴突和树突，增加神经元体细胞动作电位的输出频率。MCINTYRE和GRILL通过计算模型分析得知，轴突和树突刺激阈值低于胞体。这也意味着，相比于神经元胞体，电刺激更容易对电极附近的轴突和树突造成影响。因此，电刺激的大多数细胞效应很有可能都是由于轴突和树突受到刺激产生。现有研究表明：电刺激神经元轴突产生动作电位，不但顺轴突方向传递给下游神经元，还可逆神经轴突方向将电信号传递到神经元胞体及上游神经元，从而起到抑制作用。
通过DBS等技术对轴突或树突进行电刺激，既可在轴突远端及该神经元下游传导通路产生生理效应，激活原有通路生理功能，也可在该神经元其他树突上检测到同样电信号，甚至在其末端释放神经递质，对上游广泛连接的神经元群体起到特异性抑制作用。电刺激产生的动作电位不但可传递信息，还可与神经纤维传播的原有动作电位发生碰撞，从而抑制电信号在轴突上的进一步传导。这样的机制使得局部的电刺激可以有效激活或抑制一定范围内的大量神经纤维，并覆盖整个局部神经纤维网络。
前文提到，电刺激可影响神经元胞体的放电活性，使神经元自发产生特定电信号。也有一部分理论认为，外加电刺激之所以能够促使神经元产生电信号，是由于电刺激神经纤维导致其被动产生新的电流。这两种假说均经过大量实验证明其正确性，因此，一种结合二者的新机制——解偶联假说，走进大众视野。解偶联假说是基于电刺激的一种猜想，即神经元轴突和胞体在电刺激产生出的特定电场下存在解偶联现象。表明电刺激产生的外生电场既可影响神经元胞体电信号产生，又可作用于神经元突起改变电信号传导，二者之间相互独立，互不影响。
该假说认为电刺激抑制电极片周围神经元胞体电信号产生，而激活局部神经元输出轴突。在该假说中，电刺激对神经元胞体和神经纤维的作用是独立的。在早期研究中就有学者验证通过电场刺激神经纤维产生的电信号强度和特性一定程度上受到电场方向、频率等电场特性影响。这一假说结合学界对电刺激影响神经元放电活性的主要猜想，但由于缺少更多动物和临床试验加以验证，其正确性目前尚无法得到确切定论。
3.1.2 钾离子（K+）堆积：
电刺激既可直接作用于神经元胞体促进或抑制其产生电信号，也可作用于神经元膜，改变其极化状态，从而影响神经元兴奋性，即电刺激可引起神经元膜内外离子浓度变化，改变膜电位，影响动作电位产生和传播。其中，K+是现阶段研究最深入，已被证实与电刺激原理关系最密切的离子之一。
K+是参与维持静息电位和动作电位的重要离子之一，K+浓度改变可直接影响神经纤维阈电位，影响动作电位产生和传导。早期动物实验证明，持续给予大鼠一段时间电刺激，可观察到细胞外液K+浓度明显升高。随着DBS技术发展和检验技术更新，更多精确实验证实，对局部施加电刺激，该范围内K+浓度可检测到明显升高。在另外一项研究中，在PD模型大鼠STN局部注入K+，可观察到与STN-DBS相似效果，即STN局部神经纤维电信号传导受到明显抑制，以此证实电刺激对神经纤维的效应与细胞外K+之间的联系。
3.2 神经纤维修复与再生
电刺激除前文所述可修复并重新建立突触连接，对于已经损伤的神经纤维，电刺激也存在一定恢复效果。电刺激作为一种神经损伤部位轴突修复的有效工具已被广泛研究。电刺激可加速兔和大鼠模型神经纤维修复。不同于神经元坏死，神经纤维损伤本就可通过机体自然修复。相比于神经纤维自然修复，通过电刺激可有效加快神经纤维恢复速度，缩短神经纤维投射到正确通路所需时间。然而，关于电刺激如何加快神经纤维修复再生，学界有着不同看法。有学者通过实验证实，电刺激可增加参与神经纤维再支配的轴突数量，因而神经纤维修复是再生轴突募集增强的结果。
另有动物实验研究观察到在电刺激作用下，相比于未给予电刺激的对照组，电刺激组参与神经修复的施旺细胞大量被招募到损伤神经纤维周边，因而推断电刺激加速神经纤维修复可能与施旺细胞募集有关。关于电刺激促进神经修复机理，学界还有许多猜想。其真正机制大概率是多种理论的共同结果。目前，许多临床实验正在进行，相信未来随着更多猜想问世，电刺激将会更加广泛应用于临床神经修复。
小纤维神经病（small fiber neuropathy,SFN）是一种常见周围神经病变，主要累及直径较小的有髓神经纤维和无髓神经纤维的感觉性与自主性周围神经病。其典型症状包括异常疼痛、痛温觉缺失和（或）自主神经功能障碍。BURAKGAZI在进行动物实验时发现通过神经电刺激可促进SFN模型大鼠神经纤维生长和再生，甚至建立新的神经纤维网络。但该发现尚未在临床研究中取得相关进展，仍需继续研究。
3.3 齿状-红核-丘脑束（dentato-rubro-thalamic tract,DRTT）
DRTT通过连接小脑核后投射到红核，到达丘脑腹外侧，形成小脑主要输出通路。DRTT是一条长而多突触的神经纤维束，主要终止于对侧半球，参与机体运动控制。随着临床对神经环路研究逐步深入，DRTT作为DBS可能新靶点受到广泛关注。大量研究表明：电刺激DRTT对特发性震颤有明显治疗作用，且震颤缓解程度差异取决于术中刺激部位相对于DRTT的位置。现阶段临床应用DBS治疗特发性震颤的靶点主要集中于STN和Vim。
WIŚNIEWSKI等通过在临床试验中调整STN-DBS植入位置，发现DBS刺激位置与DRTT相对距离越近，其缓解特发性震颤的效果越好；同样在KÜBLER团队对Vim-DBS临床试验也发现类似现象，即DBS刺激最有效位置位于丘脑底区Vim下方（Vim与DRTT相对距离最近）。上述实验提示电刺激STN、Vim等核团产生的缓解特发性震颤等治疗效果均与DRTT有关。
目前，DRTT作为DBS新靶点受到广泛关注，越来越多临床应用被相继证实，1例临床病例报告针对由肌阵挛、肌张力障碍引起的头部震颤患者使用双侧DBS刺激DRTT，在术后3个月患者头部震颤症状得到明显改善，提示电刺激DRTT可一定程度改善肌张力障碍症状；也有研究认为，DRTT可能与改善患者平衡功能有关，在未来有望成为治疗多种神经系统疾病的新方案。
4. 电刺激与突触
突触作为神经元之间信息传递的关键连接点，承担着将神经元产生的电信号（动作电位）转化为化学信号（神经递质释放）的重要功能。在大量动物和临床实验中，突触连接的修复与重新建立以及神经递质释放的调节与电刺激之间已被证实存在密切关系，这为研究电刺激治疗神经系统疾病的机制提供新的研究方向。本部分内容将分别从电刺激影响突触可塑性和突触神经递质释放能力两方面展开对电刺激机制的探讨。
4.1 突触的可塑性
电刺激可影响神经核团中突触可塑性，尤其电刺激可有效影响长期突触可塑性，包括长时程增强作用（long-term potentiation,LTP）和长时程抑制作用（long-term depression,LTD）。这种调节可改变神经核团内部神经元之间的连接强度和稳定性，影响神经网络功能状态。
近年一些研究证明tDCS对突触可塑性的影响。实验证明：在小鼠运动皮质中，阳极tDCS刺激可有效增加LTP，而阴极tDCS刺激减少LTP。而在大鼠海马切片中使用阳极tDCS也获得类似结果。此外，也有研究表明tDCS对突触可塑性的极性依赖效应取决于轴突方向以及树突种类和位置。
ROHAN等通过阳极tDCS和阴极tDCS分别刺激海马，证明tDCS极性和刺激区域在tDCS对海马神经元神经可塑性的影响中起关键作用，并表明tDCS通过改变LTP和LTD来调节海马突触可塑性。
电刺激产生的外部电场也能够影响神经元之间的突触可塑性，表现为在交替电场中会使平均突触曲率半径随频率增加而有规律地减少，而平均突触间隙距离变窄，还有相关研究发现弱电场能够改变突触强度。除此之外，定向电场也能够降低脑组织弹性，降低细胞膜完整性、增加内质网扩张程度。因此得出结论：在离体大脑组织中，突触可塑性可通过不同频率交替电场来调节，其机制或许与交流电刺激促使细胞内吞活动有关。
另外，电刺激除直接作用于突触，也可通过改变大脑内分子环境来调节突触可塑性。电刺激促进产生的BDNF，除直接营养海马神经元，还可通过激活丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）/细胞外信号调节激酶（Erk）在海马中诱导持久的突触可塑性增强。这也可解释电刺激海马对记忆和认知障碍恢复的有效性。
4.2 神经递质释放
电刺激还可影响神经核团中神经元递质释放过程，进而调控神经信号在神经元之间的传递过程。这种调节可改变神经核团内部神经元之间的信息传递方式和强度。在一项动物实验中，研究者通过对6-羟多巴胺（6-OHDA）诱导的PD大鼠模型施加STN-DBS后，对大鼠进行纹状体微透析，可观察到兴奋性毒素——谷氨酸水平明显下降，而具有拮抗神经兴奋毒性的γ-氨基丁酸（GABA）水平升高，提示STN-DBS可通过改变PD模型大鼠的神经递质释放发挥治疗作用。
除动物实验，临床研究中也发现类似现象。在KRINGELBACH等研究中，使用STN-DBS，测得STN及周边GPi内细胞外谷氨酸水平明显升高。在另一项研究中，使用STN-DBS可观察到整个纹状体多巴胺浓度均明显增加，并且在一定电刺激频率范围内（10～100Hz），随着刺激频率增大，纹状体神经元产生多巴胺也逐渐增加。血清素是一种重要神经递质，在中枢神经系统中起着调节情绪、认知、睡眠、食欲等生理功能的重要作用。现有临床实验通过STN-DBS证实电刺激可动态调节PD患者血清素系统，且STN-DBS对血清素能神经元功能保存有着极高意义。
5. 结语
综上所述，电场对神经元作用受到多方面影响，不仅与电场自身性质有关，还依赖于神经元自身物理性质，电场对神经元极化或超极化的影响是由电场与神经元相互作用最终形成。现阶段对于电刺激影响神经核团的作用机理存在诸多猜想，而其真正电生理机制极有可能更加复杂多元。神经核团作为中枢神经系统中具有独特生理结构和功能的组成部分，时常作为电刺激靶点用于多种神经系统疾病治疗。研究电刺激对神经核团作用的机制，有助于临床更好探索电刺激的新靶点、新治疗方案甚至是新功能，对电刺激临床应用发展的意义不言而喻。
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