千赫兹频率载波在经皮脊髓电刺激中募集传入纤维的根本局限性

《Nature Biomedical Engineering》：Fundamental limitations of kilohertz-frequency carriers in afferent fibre recruitment with transcutaneous spinal cord stimulation

　　

千赫兹频率波形在用于瘫痪后运动功能恢复的经皮脊髓电刺激中正日益受到关注。然而，这些快速交变电流使本体感觉传入和运动传出纤维去极化的机制仍不明确。为填补这一空白，研究人员通过对28名参与者进行研究，通过周围神经刺激实验和计算建模表明，千赫兹频率波形对电诱发动作电位所需的进程产生负面影响，从而增加了反应阈值并偏向于募集运动传出纤维。虽然这些结果适用于经皮脊髓电刺激，但研究人员也证明了，无论使用何种波形，腰段经皮脊髓电刺激仍然优先募集本体感觉传入纤维，而颈段经皮脊髓电刺激则偏向于募集运动传出纤维。考虑到本体感觉传入刺激在运动功能恢复中被公认的重要性，我们的工作表明，在神经康复应用背景下，特别是在颈段经皮脊髓电刺激中，使用千赫兹频率波形需谨慎考虑。研究人员认为，对新型经皮脊髓电刺激方法所引发反应的机制进行透彻分析，对于理解其恢复瘫痪后运动功能的潜力至关重要。

脊髓损伤导致持续的、目前无法治愈的运动功能障碍。结合脊髓刺激与活动依赖性训练的最新工作已显示出前所未有的运动功能改善。这推动了对新方法的探索，包括创新的电极配置和刺激模式，旨在最大化脊髓损伤个体的恢复。然而，这些技术所靶向的神经基质及其激活机制在很大程度上仍未得到充分研究。在经皮脊髓电刺激领域，常规波形因在刺激电极下方产生强烈的皮肤和神经肌肉共激活，导致千赫兹频率波形的应用，通常用5-10千赫兹载波调制0.5-1毫秒脉冲，声称可无痛地神经调控脊髓回路。然而，千赫兹频率波形靶向的神经基质及其去极化机制此前尚未被描述。此外，与常规波形相比，千赫兹频率波形需要相当高的刺激强度才能诱发肌肉反应。鉴于激活传入纤维以与脊髓回路相互作用被认为是促进功能恢复的关键，而直接激活运动传出纤维则会绕过这些回路，阐明不同波形对传入和传出纤维的相对募集特性至关重要。

本研究旨在探究千赫兹频率波形在经皮脊髓电刺激中募集神经纤维的机制，特别是其对本体感觉传入纤维和运动传出纤维的相对募集效率的影响，并与常规波形进行比较。通过结合人类电生理学实验和计算建模，研究揭示了千赫兹频率波形在神经募集方面的基本局限，为优化脊髓刺激参数以促进瘫痪后运动功能恢复提供了关键见解。该论文发表在《自然-生物医学工程》上。

为开展研究，研究人员运用了多项关键技术方法。研究招募了28名参与者，包括健康个体。核心方法包括：1) 人类电生理学实验，对混合胫神经进行经皮电刺激，通过记录H反射和M波区分本体感觉传入和运动传出纤维的募集；2) 计算建模，结合有限元法模型和模拟传入与传出轴突群的轴突模型，模拟周围神经刺激设置，以研究波形对轴突激活阈值和募集曲线的影响；3) 经皮脊髓电刺激实验，在腰段和颈段水平进行，通过成对脉冲刺激范式评估后激活抑制现象，以判断诱发反应是源于传入纤维的突触传递还是传出纤维的直接激活；4) 反应潜伏期与周围传导时间比较，通过测量M波和F波计算周围传导时间，并与经皮脊髓电刺激诱发的反应潜伏期对比，推断动作电位起始位置是在后根（传入）还是前根（传出）。

结果

KHF波形需要比常规波形更高的刺激强度才能诱发反应，并显示出中断的阈下总和过程迹象

研究人员首先研究了刺激波形对诱发H反射和M波的影响。统计分析表明，刺激波形对诱发H反射和M波的阈值刺激电流有显著影响。两种常规波形的H反射和M波阈值均显著低于任何千赫兹频率波形。随着千赫兹频率波形持续时间的增加，诱发阈值反应所需的刺激电流减少，而所需电荷增加，表明存在中断的阈下总和过程，即波形的交流样结构中快速交替的去极化和超极化必须通过正相期间去极化的累积来克服以达到阈值。此外，随着千赫兹频率波形持续时间的增加，阈值处H反射的反应潜伏期也增加，在阈上刺激时潜伏期缩短，进一步支持了该机制。

KHF波形增加了本体感觉传入纤维和运动传出纤维的共激活

研究人员通过评估阈值刺激电流和最大反应幅度，检验了千赫兹频率波形对本体感觉传入纤维与运动传出纤维相对募集的影响。波形对M/H阈值比有显著影响，常规波形的比值大于任何千赫兹频率波形。这表明在阈值电流下，常规波形比千赫兹频率波形募集了更大比例的本体感觉传入纤维相对于运动传出纤维。所有千赫兹频率波形的M/H阈值比均显著小于1，表明其导致在较低电流下诱发非突触传递的M波，与运动传出激活增加一致。波形对H_max/M_max比也有显著影响，常规2毫秒波形的比值大于任何千赫兹频率波形，表明千赫兹频率波形由于增加了对运动传出纤维的激活，可能通过逆向碰撞减少了可达到的最大H反射幅度。

计算建模揭示KHF波形增加了运动传出纤维与本体感觉传入纤维的共激活，且在高于激活阈值的振幅下，募集由其初始0.1毫秒双相脉冲主导

计算模型验证了电生理学结果，并深入揭示了募集机制。模拟显示，千赫兹频率波形对轴突的激活涉及中断的阈下总和过程。在阈值振幅下，动作电位在波形的最后一个双相脉冲处诱发。随着刺激振幅增加，达到激活阈值所需的双相脉冲数量减少，膜电位在更早的脉冲处达到阈值。在足够高的刺激振幅下，反应由第一个双相脉冲诱发。在募集范围内，大部分纤维在千赫兹频率波形的前三个0.1毫秒双相脉冲内被激活，表明在高于阈值振幅时，轴突群的募集由初始脉冲主导，波形交流样结构的功能性降低。

经皮脊髓电刺激中本体感觉传入的募集取决于波形，并且在颈段刺激中受损

将研究结果拓展到腰段和颈段经皮脊髓电刺激，研究人员通过成对脉冲刺激评估后激活抑制。在腰段经皮脊髓电刺激中，所有肌肉和两种波形的测试反应幅度均被显著抑制，表明反应主要由本体感觉传入纤维启动。然而，千赫兹频率波形的抑制程度显著低于常规波形。在颈段经皮脊髓电刺激中，无论是采用锁骨上还是髂嵴上阳极配置，测试反应的抑制程度都显著低于腰段刺激，且千赫兹频率波形的抑制程度低于或等于常规波形。这些发现表明，颈段与腰段经皮脊髓电刺激的募集机制存在显著差异，运动传出纤维的募集在颈段刺激中扮演重要角色。

反应主要由腰段经皮脊髓电刺激中的后根和颈段经皮脊髓电刺激中的前根介导。KHF波形使后根的募集可能性降低

通过比较经皮脊髓电刺激反应潜伏期与周围传导时间，研究人员进一步确定了募集部位。在腰段经皮脊髓电刺激阈值处，两种波形的反应潜伏期均长于周围传导时间，支持后根（传入）募集。在颈段经皮脊髓电刺激中，无论是哪种阳极配置，反应潜伏期在阈值及更高刺激电流下等于或短于周围传导时间，特别是在髂嵴阳极配置下，两种波形的潜伏期在所有刺激电流下均显著短于周围传导时间，强烈支持前根（传出）的直接激活。结合传导速度估算表明，颈段刺激的募集部位沿传出通路向远端移动，而腰段刺激的募集部位更靠近后根。

KHF波形在经皮脊髓电刺激中需要更高的刺激电流来诱发反应

与周围神经刺激实验一致，在腰段和颈段经皮脊髓电刺激中，千赫兹频率波形诱发反应所需的电流和电荷均显著高于常规波形。

当标准化为肌肉激活阈值时，参与者对常规波形的刺激振幅耐受性高于KHF波形

在逐渐增加刺激振幅直到肌肉反应达到平台或达到痛阈的评估中，当标准化为各自的肌肉激活阈值时，所有刺激设置下，常规波形的感觉感知阈值均显著低于千赫兹频率波形，而最大耐受刺激振幅则显著高于千赫兹频率波形。这表明参与者对常规波形的刺激更敏感但耐受性更高。

讨论

本研究结合电生理学和计算建模，系统比较了千赫兹频率波形与常规波形在周围神经和脊髓刺激中对传入和传出纤维的募集特性。研究发现，千赫兹频率波形通过一个中断的阈下总和过程激活纤维，其中超极化相位主动抵消了产生动作电位所需的去极化。这导致其激活阈值显著高于常规波形，并增加了运动传出纤维相对于本体感觉传入纤维的共激活。在经皮脊髓电刺激应用中，腰段刺激主要募集后根传入纤维，但千赫兹频率波形减少了这种募集的效能；而颈段刺激则主要直接激活前根运动传出纤维，千赫兹频率波形进一步加剧了这种偏向。鉴于本体感觉传入激活对于通过脊髓回路进行神经调控和促进功能恢复至关重要，本研究表明，在神经康复应用，特别是颈段经皮脊髓电刺激中，需审慎考虑千赫兹频率波形的使用。研究人员强调，在临床转化之前，需要对新型经皮脊髓电刺激范式募集神经结构的机制进行仔细分析，因为这对其促进功能恢复的潜力具有重要影响。