阳极经颅直流电刺激（anodal tDCS）对慢性腰痛患者运动皮层及姿势控制的即时影响：一项初步研究

《Behavior Therapy》：The Immediate Effect of Anodal tDCS over the Motor Cortex on Postural Control and Cortical Activation in Patients with Chronic Low Back Pain: A Preliminary Study

慢性下背痛患者经单次左侧初级运动皮层经颅直流电刺激后，通过功能性近红外光谱和姿势控制评估发现，主动组前倾-后撤摆动速度和面积显著降低，左侧M1激活减弱，且与右侧DLPFC及前额叶皮层功能连接强度下降（p<0.05），提示tDCS通过优化运动相关脑区神经效率及功能连接改善平衡能力。

　　慢性低背痛（CLBP）是一种持续至少三个月的低背部疼痛，已成为全球公共健康的重要问题。CLBP不仅对日常生活造成严重影响，还可能导致残疾，加重心理压力，并增加经济负担。研究发现，CLBP的发病机制可能复杂，其中姿势控制障碍可能是其潜在原因之一。这些姿势控制问题可能解释了CLBP疼痛的反复性和持续性。在CLBP患者中，与健康个体相比，站立和坐姿任务中中心压力位移（COP）的位移速度和区域增加。此外，CLBP患者的姿势控制能力与疼痛特征和残疾程度密切相关。具体而言，CLBP患者若表现出更高的姿势不稳定性和改变的姿势肌肉激活策略，则通常报告更高的疼痛强度和残疾水平。

在中枢神经系统（CNS）中，传感器运动信息的整合对于维持姿势稳定至关重要。CNS的结构和功能改变可能影响CLBP患者的姿势控制。例如，Gilliam等人发现，CLBP患者在不稳定椅子上坐着时，COP位移面积与传感器运动相关区域的白质连接存在显著关联。Pijnenburg等人指出，CLBP患者在传感器运动网络中表现出的静息状态功能连接（FC）减少，与坐立任务的持续时间增加有关。此外，使用经颅磁刺激（TMS）的研究表明，CLBP患者在初级运动皮层（M1）中，腰椎和腹肌的皮层映射发生了变化。在我们之前的研究中，观察到CLBP患者在站立任务中，COP位移参数增加与补充运动区（SMA）和背外侧前额叶皮层（DLPFC）活动的变化有关。这些研究共同验证了CLBP患者中改变的皮层活动，尤其是运动皮层，是姿势控制障碍的基础。

经颅直流电刺激（tDCS）是一种低成本、非侵入式的脑刺激技术，通过在感兴趣区域施加低幅度直流电，调节皮层活动，改变神经元极化。由于M1在生成身体运动中的关键作用，它已成为tDCS干预以增强姿势稳定性的主要目标。一项包含11项研究的荟萃分析表明，M1上的tDCS（M1-tDCS）能够显著减少脑瘫患者的COP位移面积以及健康年轻人的COP位移面积。在CLBP的临床康复中，现有证据表明，与单独进行物理治疗相比，tDCS的加入可以进一步缓解临床症状，并改善姿势控制。Jafarzadeh等人的研究发现，将姿势训练与阳极M1-tDCS结合，可显著改善CLBP患者的疼痛缓解和站立姿势控制，评估指标包括Berg平衡量表和姿势稳定性指数。这种改善可能与tDCS对M1皮层功能的正常化有关，从而支持了TMS测量的腰肌皮层拓扑参数的改善。

此外，tDCS不仅调节电极下方脑区的活动，还影响功能上相关的脑网络功能，显示出广泛的空间效应。一项研究发现，单次M1-tDCS干预可显著减少前额叶皮层的活动，并增强帕金森病患者的姿势反应。Boari Coelho等人的研究显示，将主动tDCS应用于M1的腿部运动代表区域，并结合机器人步态训练，可提高M1和SMA的激活水平，这些变化与步态恢复改善呈正相关。另一项研究发现，连续五天进行20分钟的M1-tDCS干预可显著促进慢性中风患者的M1与前运动皮层之间的功能连接，这解释了上肢运动功能的改善。Nie等人的研究还表明，将M1-tDCS与针灸疗法结合，可显著降低膝关节骨关节炎患者的临床症状和前额叶皮层与M1之间的功能连接，与单独使用任何一种疗法相比效果更佳。尽管M1-tDCS对姿势控制的潜在优势已被认可，但其对CLBP患者运动相关皮层的激活和功能连接的影响仍不明确。

因此，本研究旨在探讨单次阳极M1-tDCS干预对CLBP患者姿势控制、皮层激活和功能连接的影响。我们假设，单次阳极M1-tDCS干预将调节姿势控制任务中的皮层活动，这些神经生理变化（无论是增加还是减少激活）将与CLBP患者的姿势控制改善相关。填补这一知识空白有助于更好地理解阳极M1-tDCS改善CLBP患者姿势稳定性的潜在神经机制，为未来优化CLBP的临床干预提供新的证据。

本研究采用随机双盲对照临床试验设计，参与者通过大学校园和当地社区中心的广告招募。纳入标准明确，所有参与者报告双侧或非局部化的低背痛，且无明显主导侧。此外，所有参与者均为右利手。使用Microsoft Excel生成随机序列，通过奇数分配到主动tDCS组，偶数分配到安慰剂组。参与者和负责评估和数据分析的研究人员均对分组过程不知情，以确保盲法的有效性。干预后立即进行评估，以减少时间因素对结果的影响。

样本量通过G*Power软件计算，基于重复测量方差分析（ANOVA）中的组×时间交互效应。根据我们之前的研究，选择效应量（f）为0.30，显著性水平（α）为0.05，统计功效为0.80，考虑两个组别、两个测量时间点以及中等的组内相关性（r=0.50）。计算结果表明，至少需要24名参与者。本研究符合赫尔辛基宣言，并获得了中山大学附属第一医院临床与动物试验独立伦理委员会的批准（IRB# [2021]886），同时在中华临床试验注册中心注册（ChiCTR# 2200064270）。数据收集在参与者签署知情同意书后开始。

实验协议包括参与者在基线评估中完成临床症状、姿势控制和fNIRS的测量。然后接受单次tDCS干预，干预后再次进行评估。整个实验过程大约需要2小时。评估人员接受标准化培训，以确保评估过程的准确性和一致性。此外，定期与资深研究人员进行校准，以保持评估的一致性。评估的具体流程如下：对于姿势控制，使用TecnoBody力平台系统（PK254P）记录COP信号，频率为100Hz。参与者需站立在支持表面上，双臂自然下垂，以调整脚的位置。力平台上设有不同标记，帮助参与者根据身高舒适放置双脚。每个参与者进行六次单脚站立任务，每次任务中，参与者需随机抬起左或右腿，膝关节弯曲至90度，不移动髋关节和踝关节。每次抬起腿保持30秒，重复三次，然后参与者需放下腿并返回双足站立状态。30秒后进行下一次单脚站立任务。参与者佩戴安全绳以确保安全，若感觉不安全或失去平衡，可随时扶住双侧扶手。

对于fNIRS数据，使用多通道功能性近红外光谱（fNIRS）系统（NirSmart-6000A）同步记录前额和顶叶皮层的血流动力学变化。波长设置为730和850纳米，采样频率为11Hz。共建立35个通道，根据标准国际10-20电极放置系统进行定位。电极间距为3厘米，具体位置包括D11在C3，S7在C4，D3在Fpz。在本研究中，我们选择了双侧DLPFC、前额极区（FpA）、M1和SMA作为感兴趣区域（ROIs）。每个任务块包括30秒的单脚站立和30秒的间隔。为确保fNIRS数据的高质量和完整性，进行了严格的电极放置调整，以确保头皮接触稳定和持续实时监测信号强度。

tDCS干预使用电池供电的微型电流脑刺激器（TC100），配备两个覆盖海绵的矩形电极（5×7厘米）。电极放置依据10-20脑电图模板，参考先前研究。阳极电极放置于C3（左M1），阴极电极放置于Fp2（右额上区）。在施加tDCS前，每个参与者的指定部位用酒精湿巾彻底清洁。电极浸入标准生理盐水溶液（0.9% NaCl）后，用弹性带固定。干预时间为20分钟，包括30秒的逐步增加电流（从0mA到2mA），随后维持19分钟，最后30秒逐步减少电流至0mA。为减少安慰剂效应，安慰剂tDCS条件仅包括初始的逐步增加和最后的逐步减少阶段，其余19分钟保持0mA电流。由经验丰富的物理治疗师对每位参与者进行tDCS干预，参与者在干预过程中如感到不适，可随时终止实验。

数据处理分为两个部分：姿势控制和fNIRS数据。COP信号使用TecnoBody系统处理，采用30阶低通FIR滤波器（零相位）过滤，然后降采样至20Hz。四个COP参数作为因变量：位移面积（SA，mm2）、位移长度（SL，mm）、前后位移速度（AP，mm/s）和内外侧位移速度（ML，mm/s）。速度计算为位移长度除以任务持续时间。每位参与者六次单脚站立任务的COP数据平均值作为最终结果用于统计分析。

对于fNIRS数据，使用Homer3 v1.58.0进行预处理，实施于MATLAB软件中。原始光强度信号转换为光密度信号，使用hmrR_Intensity2OD函数。运动伪影通过手动筛查每个通道进行排除。如果检测到运动伪影，应用hmrR_MotionArtifact协议进行校正。仪器噪声和生理成分通过带通滤波（hmrR_BandpassFilt）过滤，频率范围为0.01Hz到0.1Hz。光密度信号通过修改的Beer-Lambert定律转换为氧合血红蛋白（HbO）和脱氧血红蛋白（HbR）的相对浓度。使用hmrR_BlockAvg对任务时间范围从-2秒到30秒的数据进行分块平均。HbO浓度被识别为更可靠和敏感的皮层血氧参数。对于每个通道，计算分块平均的HbO浓度作为统计值。

功能连接（FC）基于获得的HbO浓度确定。首先，计算不同ROI之间的通道对的Pearson相关系数（r值）。然后，使用Fisher的r-z变换将这些r值转换为正态分布的z值。每个ROI对的z值平均，得到受试者层面的ROI-ROI z值，用于后续统计分析。最后，应用Fisher的z-r变换，获得受试者层面的ROI-ROI r值。所有受试者的ROI-ROI r值进一步平均，以确定组别层面的FC强度。此外，使用Brain Connectivity Toolbox进行分析，结合自定义的MATLAB脚本，进一步评估左右半球之间的FC和半球内FC。

统计分析使用R（v4.4.2）进行，显著性水平设为0.05。在本研究中，0.05到0.10之间的p值被解释为潜在的统计趋势，但未达到α水平。通过Levene测试和Shapiro-Wilk测试评估方差齐性及数据分布的正态性。对于人口学变量，如果满足正态性和方差齐性假设，使用独立样本t检验比较两组的基线差异。若数据偏离正态分布或存在方差不齐，采用非参数的Mann-Whitney U检验。二分类变量使用卡方检验。对于疼痛强度、平均COP参数、平均ROI的HbO浓度和FC z值，评估线性、同方差和残差正态性假设，使用诊断图，包括残差与拟合值的对比和正态Q-Q图。如果所有假设均满足，使用线性混合效应模型（LMEM）进行分析，时间（基线和干预后）和组别（主动tDCS和安慰剂tDCS）作为固定效应，参与者作为随机效应。对于显示显著主效应或交互效应的模型，使用估计边际均值进行事后成对比较，并通过FDR方法调整p值。若诊断图显示模型假设严重违反，采用广义线性混合效应模型（GLMM），并选择适当的分布族和链接函数。所有来自GLMM的事后成对比较同样通过FDR方法调整多重检验。此外，考虑到本研究样本量较小，使用Spearman相关分析探索干预前后COP参数、皮层激活和FC强度之间的关联。同时，使用部分eta平方（η2p）作为效应量，依据Cohen的指南，0.14视为大效应量，0.06为中等效应量，0.01为小效应量。

研究结果显示，26名符合条件的CLBP患者均完成了评估和干预。在基线时，两组在人口学特征和临床症状上无显著差异。同时，诊断图显示残差近似正态分布，无显著的方差不齐或正态性违反，因此采用LMEM分析。事后比较显示，主动tDCS组在干预后AP速度和SL显著减少，而安慰剂组未见显著变化。此外，ML速度和SA均无显著主效应或交互效应。对于HbO浓度，LMEM显示在L_M1中存在显著的组×时间交互效应。事后比较进一步表明，主动tDCS组在L_M1的HbO浓度显著降低，且与安慰剂组相比，其HbO浓度也显著降低。同时，L_SMA和L_DLPFC的HbO浓度在干预后也显著降低，但未达到统计显著性。对于FC z值，LMEM显示L_M1-R_DLPFC、L_M1-R_FpA、L_M1-L_FpA等ROI对之间存在显著的组×时间交互效应。事后比较表明，主动tDCS组在这些ROI对之间的FC z值显著降低。然而，L_M1-R_SMA和L_M1-L_DLPFC的FC z值仅显示出趋势性变化。

研究还发现，干预后SL的变化与L_M1-R_SMA和L_M1-R_DLPFC的FC z值变化呈显著正相关。这表明，tDCS可能通过改变功能连接，促进姿势控制的改善。然而，需要注意的是，相关性并不意味着因果关系。这些发现可能反映tDCS引起的平行变化，或受到未测量因素如注意力、任务熟悉度或补偿机制的影响。因此，虽然我们推测tDCS对功能连接的调节可能有助于形成更有效的传感器运动网络，但这一解释仍具有一定的推测性。

本研究的结果表明，阳极M1-tDCS可以有效改善CLBP患者的姿势控制障碍。fNIRS结果显示，tDCS干预可以降低运动相关区域的激活水平和功能连接强度。这可能表明，tDCS通过增强运动相关区域的神经效率，形成更有效的传感器运动网络，从而改善姿势稳定性。此外，tDCS可能减少CLBP患者对认知调节的依赖，使姿势控制更加自动化和持续。这些神经生理改善可能对CLBP患者的康复具有重要意义，尤其是在那些存在姿势不稳定性的患者中。

然而，本研究存在一些局限性。首先，样本量相对较小，尽管所有具有统计显著性的因变量效应量为中等到大，但可能限制了结果的广泛适用性。未来研究应招募更多CLBP患者以进一步验证本研究的发现。其次，本研究的参与者相对年轻，可能限制了结果在老年CLBP患者中的普遍性。未来应探讨阳极M1-tDCS在不同年龄组中的潜在差异效应。第三，本研究主要使用COP相关参数评估姿势控制，未来计划纳入肌肉活动和运动学测量，以更全面地理解皮层活动与运动表现之间的关系。第四，由于所有参与者报告的疼痛具有双侧或非局部化特征，未根据疼痛侧进行电极放置个性化调整，因此疼痛不对称性对姿势控制和tDCS反应的潜在影响尚不清楚。未来研究应探讨是否针对疼痛侧进行电极放置的刺激策略能产生更好的治疗效果。此外，本研究仅探讨了单次tDCS干预的即时效应，无法得出关于效果持续性的结论。未来研究应评估tDCS对CLBP患者神经可塑性和功能结果的长期影响。第五，尽管本研究实施了受控的安慰剂tDCS协议，但仍可能无法完全避免安慰剂和期望效应的影响。未来研究应纳入更先进的安慰剂协议（如多焦点tDCS）以更有效地减少这些效应。最后，fNIRS只能检测皮层表面的活动，无法测量皮层下区域的血流动力学变化。因此，本研究可能忽略了皮层下激活和功能连接对行为表现的贡献，限制了对这些发现的神经生理解释的全面性和深度。为克服这一局限，未来实验设计应结合其他神经影像技术，如功能性磁共振成像（fMRI），以提供更全面的脑-行为关系评估。

综上所述，本研究的结果表明，阳极M1-tDCS可以有效改善CLBP患者的姿势控制障碍。fNIRS的发现支持这一结论，显示tDCS干预能够减少运动相关区域的激活水平和功能连接强度。这可能意味着，tDCS通过提高运动相关区域的神经效率和形成更有效的传感器运动网络，从而改善姿势稳定性。这些发现不仅为CLBP患者的康复提供了新的思路，也为优化临床干预策略提供了重要的实证依据。