tDCS周围神经刺激：一种被忽视的作用模式？
摘要
经颅直流电刺激（tDCS）是一种无创的神经调节方法，广泛应用于神经科学家和临床医生的研究和治疗目的。目前正在调查tDCS作为一系列精神疾病的治疗方法。尽管tDCS很受欢迎，但对其潜在的神经生理机制的全面了解仍然缺乏。tDCS在大脑皮层中产生一个弱电场，通常被认为是导致观察到的效应。有趣的是，由于tDCS直接应用于皮肤上，局部周围神经末梢暴露在比底层皮质强度高得多的电场强度下。然而，外周机制在引起tDCS效应中的潜在作用从未被系统地研究过。我们假设tDCS通过外周机制诱导觉醒和警惕性。我们认为，这可能涉及到外周诱发的上升网状激活系统的激活，其中去甲肾上腺素通过蓝斑分布在整个大脑中。最后，我们提出了改进tDCS实验设计的建议重新考虑了tDCS的假定机制
经颅直流电刺激（tDCS）是一种非侵入性神经调节方法，通过在至少两个头皮电极之间传递弱直流电流。神经科学家们使用tDCS作为研究不同大脑区域功能的工具，并调查它们在行为和认知方面的相关性。在临床环境中，tDCS正在被研究作为一种治疗抑郁症、精神分裂症、强迫症、认知衰退和成瘾等广泛的精神病的方法。由于其广泛的潜力，加上其非侵入性和低成本，tDCS的使用正在迅速增长，这体现在其出版物的指数级增长数量上[6]和市场上越来越多的消费者tDCS设备上。虽然越来越多的研究资源被投入到tDCS的应用中，但对于该技术的基础神经生理机制的了解却非常有限。人们普遍认为，tDCS的效果仅由它在大脑中产生的电场引起。这种弱电场被认为通过改变神经元的膜电位来调节大脑的功能，从而改变它们的兴奋性[7]。在这一观点文章中，我们认为这种说法是对调节tDCS效果的机制的一种过度简化的描述。在接下来的段落中，我们将讨论支持这一替代假设的证据。目前，神经科学工具箱中有四种主要的非侵入性脑刺激（NIBS）方法：tDCS、经颅磁刺激（TMS）[8]、经颅交流电刺激（tACS）[9]和经颅聚焦超声波（tFUS）[10]。TMS使用变化的磁场在所需的大脑区域内产生电场。一般来说，人们认为这个电场会刺激皮层神经元，从而导致所有观察到的TMS效应。然而，最近的研究表明，一些TMS效应并非由皮层神经元的直接刺激引起，而是由头皮外周神经的激励引起[11, 12]。同样，我们的研究小组最近证明了tACS的运动系统效果可能是由头皮外周神经的刺激引起的[13]。有趣的是，tACS与tDCS高度相似，唯一的区别在于它使用的是交流电而不是直流电。最近，超声刺激领域的一项最新研究已经导致了一种新的非侵入性脑刺激（NIBS）方法的出现，被称为tFUS。该方法使用聚焦的超声波束来刺激大脑中更小、更深的目标[10]。由于头皮超声波场的特性未知，tFUS在最小化非目标外周神经刺激的同时具有可能刺激经颅神经传递的可能性。 一篇关于颅神经刺激的评论文章讨论了电和磁非侵入性脑刺激方法可能会无意中刺激外周神经[14]。然而，令人惊讶的是，对于tDCS来说，外周机制从未被系统地调查过，似乎被该领域忽略了（参见最近的tDCS机制评论[15]）。与此同时，学术界和公众对tDCS的兴趣不断增长。因此，现在提出这个问题‘外周神经刺激是否在调节tDCS效果中起一定作用？是适时的。
tDCS是如何工作的？
目前，观察的tDCS效果背后的神经生理学机制（或者更可能的机制范围）还不太明确。tDCS通常使用1至2 mA之间的电流。为了到达大脑皮层，这些电流需要通过头皮、头骨和脑脊液才能传递。因此，当它们到达电极下方的皮层时，电场的强度被减弱到小于0.5 V/m [16, 17]。虽然这个电场太弱，无法在皮层神经元中引发动作电位，但它可以极化它们的膜电位[7]。我们称之为tDCS经颅机制（图1）。重要的是，tDCS也可以通过外周途径产生效果。由于tDCS电极直接放置在皮肤上，外周神经暴露在更高的电场强度下，可以达到20 V/m [13, 18]。这个外周电场足够强，可以在外周神经中引发动作电位[19]。因此，刺激外周神经会激活躯体感觉系统（导致tDCS报告的刺痛感[20]），并刺激其他许多脑干和边缘结构，如蓝斑、杏仁核和海马[21, 22]。我们称之为tDCS经皮机制（图1）。这种机制对观察到的tDCS效果的可能贡献一直被忽视，因为标准的tDCS伪条件没有控制这种经皮途径。
经颅机制
经颅电刺激（tDCS）在施加时产生的典型的皮层电场强度约为0.2 V/m [16, 17]。由于这个电场强度太低，无法直接引发神经元的动作电位，因此有学者认为，tDCS的经颅机制是通过极化膜电位来起作用的。在脑切片的实验中显示，兴奋性皮层神经元的平均偏置长度常数为0.2 [23]，即外部电场强度为1 V/m时，膜电位需要偏移0.2 mV。当tDCS产生其典型的电场强度为0.2 V/m时，兴奋性神经元的膜电位将因此偏移0.04 mV。这种小的偏移如何能够解释人类tDCS实验中报道的显著的皮层兴奋性变化呢？切片实验提供了一个可能的答案：最近显示，突触处的膜电位转移可以比胞体处的大4倍 [25]。在tDCS过程中，典型兴奋性神经元的0.04 mV偏移可能在其突触分支上引起0.16 mV的膜电位偏移。有趣的是，该研究还表明，这种极化对于轴突终端足以极大地改变动作电位动力学。在海马切片的实验中，发现tDCS引起的极化可以直接修改内源性突触可塑性，通过增强LTP和减少LTD [26]。在电场强度为20 V/m时，他们观察到了10-20%的突触可塑性增加。然而，应当注意的是，这个电场强度是在人体头部通常达到的100倍。值得注意的是，该团队最近的研究表明，电场强度与突触可塑性变化之间存在线性关系，预测电场强度为1 V/m时，可塑性变化约为1%。据此推测，在通常达到的0.2 V/m的电场强度下，人类皮质的突触可塑性可能会增加0.2%。有两个重要的问题仍待解答：首先，这些体外突触可塑性效应是否会外推到清醒的人类大脑皮层？其次，如果会的话，这种微小的变化是否足以引起可检测的行为变化？还需要更多的实验来阐明这一机制。虽然电场可以通过增加突触可塑性来提高任务表现，但也有可能它们通过调节大脑的网络动力学来起作用。刘等学者提出了几种机制，认为微弱的电场可以诱导神经元的发放和改变网络模式 [17]。一个核心机制可能是随机反应性（stochastic resonance），即低电场可以偏向接近阈值的神经元的发放时机和概率。这可能会影响神经网络编码，从而最终导致认知和行为变化。有证据支持这一理论，因为已经证明，即使电场强度低至0.2 V/m，也能周期性地调节放电速率并影响网络动力学 [28]。这将意味着tDCS对大脑状态发挥调节作用。大脑状态或神经状态可以描述为涉及多个大型脑网络的激活和/或连接的可靠脑活动模式 [29]。神经状态具有动态特性，这种状态的改变会影响大脑响应环境需求时的机能 [29]。如果tDCS的效果确实是通过调节大脑的神经状态来起作用的，那么受试者之间的基线神经状态差异可以解释（部分）tDCS学习实验中观察到的个体差异。同样，这也能够解释tDCS对不同类型学习任务的不同效果，因为不同的任务可能需要特定的神经状态。最后应当指出的是，经颅电场对胶质细胞 [30] 和免疫系统 [31] 的影响正在研究中，但本文不再进一步讨论。
经皮机制
在tDCS期间，头皮上的外周神经暴露于20 V/m及以上的电场中。这些电场足够强，可以在外周神经中引发动作电位，从而间接地修改脑活动。在传统的tDCS电极排列中可能受到刺激的神经是枕大神经和三叉神经（图2）。枕大神经从C2脊髓神经出发，分布于头骨后部直至颅顶[32]。更前面的tDCS电极排列可能会刺激三叉神经。这是最大的一条神经，其神经末梢遍布面部、下颚和前额[33]。有趣的是，使用脉冲刺激直接刺激枕大神经和三叉神经都被公认为具有悠久历史的神经调制技术[34]。枕大神经和三叉神经相互连接[35]，并在多个并行的大脑回路中处理信息。这些神经的传入纤维通向脑干，投射到孤束核和三叉神经核[36, 37]。然后，信息在网状结构中整合：这是一个在整个脑干中有神经元核集群的大神经网络。感觉信息然后通过丘脑和体感皮层进行处理，后者介导tDCS的刺痛反应。重要的是，网状结构参与了上升性网状激活系统（ARAS）：这是一个整合来自头颈和脊髓的大量外周感觉信息系统的网络。ARAS包含一组在皮层释放神经递质的神经元核，这些递质可以直接释放，也可以通过丘脑中继[38]。通过这些神经元核，ARAS对其许多基本的tDCS外周神经刺激施加影响：这是一种被忽视的行为过程模式吗？包括觉醒和警觉在内的行为过程[39]。ARAS中的一个关键核是蓝斑核（LC），它是大脑中去甲肾上腺素的主要来源[37, 40]。功能成像研究表明，LC去甲肾上腺素系统在需要注意力、知觉竞争和记忆检索的情况下被激活[41]。我们建议，由LC激活引起的去甲肾上腺素释放的增加可能是tDCS学习效果的关键[37]。更具体地说，去甲肾上腺素已知可以增加皮层的兴奋性[42]，驱动突触可塑性并调节学习和认知[43]。此外，蓝斑直接输入海马已被证明通过其去甲肾上腺素能[44]和多巴胺能[45]投射促进新记忆的形成。重要的是，已有报道指出去甲肾上腺素是tDCS效果的中介[46, 47]。在这些实验中，尚不清楚tDCS如何在外皮层中驱动去甲肾上腺素的释放。经皮机制提供了一个可能的答案，将LC作为缺失的环节。一些tDCS研究报告了极性特异性效应，这意味着对于特定电极排列的某些学习任务，阳极和阴极的刺激可能会有不同的影响[48–50]。有趣的是，阈下刺激外周神经也具有极性特异性，阴极刺激的阈值较低[51, 52]。虽然我们知道tDCS刺激了颅神经（如体感反应所证明的那样），但我们目前还不清楚这些效果是否类似于来自脉冲式外周神经刺激器的效果。然而，最近的研究表明直流电流以极性特异性的方式调制外周神经[53]。因此，阴极和阳极刺激可能会以不同的程度刺激枕大神经和/或三叉神经，为tDCS的极性特异性提供了一种可能。
tDCS领域中的歧义
tDCS对人类和动物学习和记忆的影响非常多样。似乎不可能只有一个机制可以解释所有这些影响。tDCS的影响可能通过一系列不同的经颅和潜在的经皮机制来介导，但目前还不清楚这一点。此外，该领域的最近分子研究开始揭示这些效应的分子机制[54-56]。然而，目前还不清楚细胞的分子特征是否会因经颅和经皮途径的tDCS而有所不同及以何种方式不同。tDCS领域当前的主要问题是，无法控制或研究经皮途径的潜在贡献。在几乎所有tDCS实验设计中，都使用伪条件作为对照，其中只需关闭tDCS。这种对照终止了经颅和潜在的经皮tDCS途径，使得无法确定哪个途径驱动了观察到的tDCS效果。
改进实验设计
DCS研究将从改进实验设计中受益，该设计允许区分经颅和经皮效应。为此，我们强烈建议在未来的tDCS实验中添加新的控制组。其中一种控制可以是“仅经颅”控制组，在此组中阻断经皮途径的tDCS。这意味着在该组中观察到的所有效果都可以归因于经颅tDCS机制（即大脑中的电场）。在人类实验中，可以通过在头皮、皮下和电极周围涂抹局部麻醉药膏来阻断经皮途径。这些麻醉药膏通过阻断钠通道并稳定膜电位来增加外周神经动作电位的阈值[57]。因此，在外周神经输入被阻断（或至少减少）的同时，大脑中的电场不会发生变化[13]。这种控制方法具有最小的侵入性，并且易于给予，同时不影响实验的其他部分。然而，外周输入可能不能完全阻断，并且可能存在一些个体间差异，影响外周阻断的程度。此外，应注意正确给予局部麻醉药膏的剂量，并排除对麻醉药膏过敏的受试者[58]。在动物体内tDCS实验中，还可以考虑更侵入性的规避经皮途径的方法，例如直接将电极植入头骨或甚至切除外周神经。另一种（或补充）方法是在距离大脑较远的身体部位（例如颈部、手臂和腹部）实施“仅经皮”的tDCS刺激，以实现大脑中缺乏电场的目标。这将保证没有任何经颅效果，但应注意到刺激距离大脑更远的部位也可能产生不同的经皮效果。在动物体内，也可以通过直接在神经周围植入袖带电极来实现仅经皮刺激。最后，为了确定tDCS效果是否涉及特定的大脑区域，可以在头皮上的其他位置应用主动控制组（注意，这将仅修改经颅和经皮途径，而不会阻塞它们）。在使用这种方法时，重要的是利用聚焦或高清tDCS蒙版来限制电流传播到非目标大脑区域[59, 60]。如前所述，外周神经刺激的问题不仅仅限于tDCS，还与其他NIBS技术共享。因此，我们建议的这些控制方法也可以方便地用于区分相关形式的经颅电刺激（如tACS和经颅随机噪声刺激）的外周影响。同样，在TMS领域中使用麻醉药膏和/或主动控制组也可以更好地表征这种技术对外周的影响。标准使用这些控制方法将有助于阐明tDCS效应是在经颅还是经皮机制的基础上介导的。此外，我们要引起注意的是，需要开展更多研究来探究tDCS和其他相关NIBS方法的底层机制。这些研究可以描述分子和神经生理变化如何具有经颅或经皮基础。对tDCS机制的更清晰、更好的理解将使我们能够指导研究和资源走向创新的tDCS方法；提高有效性和可重复性；推动该领域的进步。最后，我们强烈鼓励所有tDCS研究人员考虑在其下次实验中实施其中一些建议的控制措施。
