上肢感觉电刺激（SES）对脊髓兴奋性的性别特异性调节及其在康复中的潜在意义

本研究探讨了感觉电刺激（SES）对上肢拮抗肌群脊髓兴奋性及交互抑制（RI）通路的调节作用，并揭示了显著的性别差异。结果表明，SES可降低男性屈腕桡肌（FCR）的H反射兴奋性，但对交互抑制无显著影响；女性则表现出更高的基线RI水平且对SES无反应。这一发现为SES在帕金森震颤等上肢康复中的个性化应用提供了重要生理学依据。

　　

引言

脊髓运动神经元的兴奋性受到来自皮质或外周来源的多种输入影响。其中，涉及抑制性中间神经元的双突触Ia交互抑制（RI）通路尤为引人关注，该通路受拮抗肌群调节。交互抑制描述了拮抗肌对主动相互抑制的能力，是协调拮抗肌对收缩和放松的重要组成部分。对上肢拮抗肌对的脊髓兴奋性和RI影响的评估通常涉及诱发霍夫曼（H-）反射，并结合适时的拮抗神经条件刺激。H反射幅度的抑制反映了通过抑制性双突触Ia通路的RI作用。

Ia传入在产生使用依赖性脊髓可塑性中的作用已被提出作为促进各种康复应用中运动技能学习的手段。感觉电刺激（SES）在外周应用有可能影响RI的量。有趣的是，SES诱导抑制的功效已被证明取决于所使用的刺激模式类型、刺激参数、覆盖软组织的解剖结构以及性别相关差异。

在文献中，下肢一直是SES研究的重点，因为其解剖结构有利于刺激和记录，测试协议更可重复。尽管如此，在过去的十年中，SES已被用作减少帕金森病患者上肢震颤的一种手段。Perez等人证明，对腓总神经施加“模式化”SES（以100 Hz的频率提供10个脉冲，每1.5秒一次）可以增加对比目鱼肌的交互抑制效应，并且在刺激移除后持续存在。由于研究缺乏，目前尚不清楚上肢的底层脊髓回路是否能以相同的方式对SES作出反应，了解这种反应对于潜在的上肢康复应用（如帕金森震颤）至关重要。此外，性别之间存在重要的生理差异，这些差异会影响兴奋性测量和SES的施加。为了临床适用性，必须了解性别如何影响对SES的反应，并改善历史上将女性排除在生理学研究之外的情况。

本研究旨在检验模式化SES对上肢拮抗肌群兴奋性及其对RI通路的影响；第二个目的是检验任何效应是否与性别相关。假设施加在桡侧腕长伸肌（ECRL）上的SES会导致桡侧腕屈肌（FCR）的兴奋性降低，并通过条件性H反射测量到FCR的交互抑制增加，并且在SES移除后持续存在。其次，假设这些变化会受到性别的影响。

材料与方法

招募了来自大学社区的健康成年志愿者。纳入标准包括：年龄超过18岁；有提供同意的认知能力；精通英语；无神经系统疾病或损伤史。获得了每位参与者的知情书面和口头同意。该研究符合《赫尔辛基宣言》最新修正案确立的标准，并得到了机构伦理委员会的批准。

25名健康成年志愿者被招募参加本研究。在最初的H-M募集曲线测试中，七名参与者（五名女性和两名男性）未发现稳定的FCR H反射反应；他们被排除在进一步测试之外。在具有H反射的参与者中，11名男性和7名女性，年龄在19至36岁之间，参与了研究。

本研究采用前/后横断面比较设计，每位参与者作为自身对照。参与者参加单次测试会话。交互抑制在感觉电刺激（SES）之前（前）、立即之后（后）和20分钟后（后20）进行评估。

参与者仰卧在测试床上，右臂置于一个装置中，保持肩关节外展45度角和肘关节完全伸展的恒定角度。指示参与者在测试过程中保持手部完全放松。使用两个无线双极表面肌电图（EMG）电极，电极间距离为10毫米，放置在桡侧腕屈肌（FCR）和桡侧腕长伸肌（ECRL）的肌腹上。EMG信号使用Spike2 v.9.03软件通过Delsys Talker以2000 Hz记录。

使用Digitimer DS7A和Digitimer DS7AH分别对正中神经和桡神经进行电刺激，使用由两个不锈钢叉齿（直径约2毫米）组成的电极，间距2.5厘米，并平行于神经的预测路径定向。所有刺激部位均有图示。正中神经刺激电极沿肱二头肌肉内侧边界放置，大约在肱骨长度近肘关节三分之一处。桡神经刺激部位位于手臂外侧，大约在肱骨长度近肘关节一半处，介于肱三头肌外侧头和肱肌之间。通过使用相同刺激强度手动触发神经上的刺激器，直到找到M波幅度最高的位置，从而确认最佳刺激部位。

在会话开始时，获取了来自FCR肌肉的H反射和M波（H-M）的募集曲线。持续时间为1毫秒的单脉冲刺激每8秒传递到正中神经一次，强度从零开始增加，直到达到最大M波幅度。在整个H-M募集范围内至少给予10次刺激。在募集曲线期间，识别H-max和M-max，并记下相应的刺激强度。在FCR H-M募集曲线之后，使用200微秒单脉冲刺激获得ECRL M-max。使用超最大（120%）刺激强度确认FCR和ECRL的M-max值。

交互抑制的评估

可以通过结合适时的拮抗神经条件刺激来评估测试H反射的抑制，从而评估交互抑制。通过同时施加FCR测试刺激和ECRL条件刺激（条件性H反射）来评估交互抑制。同时施加刺激用于最大化RI，并通过试点测试确认。这与记录单独的FCR H反射以评估无条件兴奋性（无条件H反射）交替进行。引发十对无条件/条件性H反射，H反射之间至少间隔8秒。选择十对是为了增加测量的可靠性，同时减少总测试时间，以确保SES的效果在后期测试中不会消失。

桡神经的条件刺激强度保持在ECRL肌肉M-max的10%至15%之间。正中神经测试刺激在H反射募集曲线上升部分、刚好在H-max值之前的强度下传递。一旦确定，刺激强度不再改变。在每组10对无条件/条件性H反射之后引发FCR M-max，以评估测试过程中是否发生肌肉疲劳。

感觉刺激方案

使用Digitimer DS7A恒流刺激器通过一次性双极银/氯化银表面电极（直径1厘米，电极间距离2厘米）对ECRL肌肉施加感觉电刺激。该电极放置在ECRL EMG电极的远端，平行于肌肉纤维的方向。

选择刺激参数以最大化Ia传入募集，类似于震颤抑制文献中使用的参数。因此，SES包括4脉冲串（脉冲宽度1毫秒，频率100 Hz），以4.6 Hz传递（即，每217毫秒传递一次持续31毫秒的脉冲串）。SES会话的持续时间设定为15分钟，总共传递16,560次刺激。为了其在康复中的适用性，SES的脉冲幅度设定为所有参与者的相同主观舒适水平。通过实现运动反应（视觉观察到的肌肉抽搐），然后逐步减少1 mA，直到参与者口头将刺激期间的感覚强度评定为10分数值评分量表中的3分来确定该水平。

数据与统计分析

ECRL和FCR肌肉的最大M波以及FCR的H反射测量为峰峰值幅度。最大M波分析并报告为绝对值（单位mV），而H反射则归一化到相应的最大M波，并报告为M-max的比值。通过从每个刺激对的无条件（测试）H反射幅度中减去条件性H反射的幅度来评估RI。

使用SPSS v.29和R进行统计分析。为了检查刺激顺序（从1到10次无条件或条件刺激）、条件类型（无条件与条件）、性别（女性和男性）和时间（前、后、后20）对FCR H反射和M-max的影响，分别构建了线性混合效应模型。选择线性混合效应建模方法是为了考虑参与者因变量之间的变异性。统计检验的alpha水平设定为p=0.05。

模型拟合从最大的随机效应结构开始，结合了按参与者和按项目的随机截距和斜率。然后迭代优化该结构以实现基于数据的最佳支持模型，并使用似然比检验（LRTs）进行模型比较。最终模型保留了按参与者的随机截距以及刺激顺序和时间的随机斜率，因为包括条件或性别的随机斜率会导致由于共线性而出现奇异拟合问题。通过检查残差诊断图评估模型的正态性和同方差性假设，并确认所有因变量满足这些假设。使用两个独立的线性混合效应模型分析主要结果M-max和H反射。在M-max模型中，仅包括性别和时间作为自变量，因为刺激顺序和条件与该结果无关。

使用III型Wald F检验与Kenward-Roger自由度评估固定效应的统计显著性，通过R的car包中的ANOVA函数实现。使用Bonferroni校正的配对对比通过emmeans包中可用的估计均值方法在条件类型（无条件和条件）、性别（女性和男性）和时间（前、后、后20）的水平之间进行事后比较，并平均刺激顺序的水平。使用5000次迭代的参数自举法推导参数估计的置信区间。事后发现以平均估计差异（MD）、95%置信区间（CI）和调整后的p值呈现。

最后，进行相关分析以确定RI的变化是否与初始脊髓兴奋性相关。由于RI和SES后RI变化的分布不正态，执行Spearman等级相关分析以评估基线RI与SES后RI变化之间的关系。

结果

FCR M-max的分析显示SES前后没有差异。FCR M-max值的估计均值可在表中找到。性别（F=1.87, p=0.08, df=16）或时间（F=0.9, p=0.64, df=1035）对FCR M-max值没有统计学显著影响，表明方案没有引起疲劳。刺激顺序对H反射没有影响，表明测试刺激本身在前、后和后20测试会话中没有影响兴奋性。

条件刺激在引发交互抑制方面是有效的。图描述了条件刺激对H反射峰峰值幅度的影响。H反射幅度的估计均值以及个体数据可在图a中找到。基线时的交互抑制量在参与者之间变化（占无条件H反射的4.2%至75.9%）。相关分析显示RI变化与基线抑制值之间存在统计学显著的中度负相关（p=-0.52, p<0.001）（图b）。也就是说，基线RI水平越高，SES后RI的变化越小。

H反射幅度取决于条件（F=15.97, p<0.0001, df=1035），并且存在基于性别条件×性别交互作用的效应（F=5.64, p<0.0001, df=1035）。事后分析确定两组在所有时间点的条件方案期间均有显著下降（女性：MD=0.058, p<0.0001, df=1035，男性：MD=0.032, p<0.0001, df=1035）。然而，女性在无条件和条件方案之间的减少更大，与男性相比（MD=0.026, p=0.048, df=16），表明在所有时间点都有更大的交互抑制。

SES对交互抑制的量没有影响。H反射幅度取决于性别和时间之间的交互作用（F=4.536, p<0.001, df=1035）。事后分析确定，男性的无条件和条件H反射在SES后立即显著抑制（后：MD=0.023, p<0.0001, df=1035），并且在SES后20分钟仍显著低于测试前值（后20：MD=0.015, p<0.0026, df=1035），表明脊髓抑制减少而RI没有变化。在女性中，条件性H反射抑制随时间相对恒定，未达到统计学显著性（p=0.81, df=1035），表明SES后脊髓兴奋性或RI均无变化。

讨论

评估了FCR肌群的脊髓兴奋性和通过条件刺激产生的RI量在一轮模式化SES之前和之后的变化。研究的主要发现是，SES对脊髓兴奋性的影响（由无条件H反射幅度确定）在男性中大于女性；而SES对交互抑制量的影响（由条件性H反射确定）在任一性别中SES后均未改变。女性在所有时间点都表现出比男性更多的交互抑制。

SES降低男性的脊髓兴奋性

男性在SES后经历了条件性和无条件H反射响应的比例下降，而女性没有。有趣的是，在男性中，无条件H反射在SES后显示显著下降，表明施加到拮抗肌群（ECRL）的SES影响了主动肌群（FCR）的运动神经元池的兴奋性，这与交互抑制不同。皮肤机械感受器（或其传入）的激活已被证明通过节段或脊髓固有通路产生短暂抑制。我们的发现与Milosevic等人不同，他们发现SES没有改变脊髓反射兴奋性。然而，作者推测他们研究中使用的刺激强度/持续时间可能不足以诱导可塑性。尽管我们的研究选择性地调查了感觉水平电刺激（即低于诱导运动反应的阈值），但我们的SES持续时间远长于可比文献。我们将在讨论女性缺乏效应时探讨刺激强度的影响。

交互抑制在SES后没有变化

与我们的假设相反，交互抑制在SES后没有变化。Pascual-Valdunciel等人最近证明了在上肢利用SES与自愿手臂运动同相或异相时可以产生RI水平的增加或减少。在他们的研究中，启动刺激在自愿运动同相时给予，这些运动与运动方向协同作用，因此会在Ia传入的沉默期被接收。我们的研究中没有纳入自愿运动，这可能解释了为什么没有发现RI的变化。ECRL中Ia组纤维的敏化可能只有在自愿收缩沉默生理神经信号并最小化逆向碰撞时才能实现。这一观点得到了以下事实的支持：异相刺激被认为由于同时刺激和生理Ia活动引起的逆向碰撞而导致RI减少。这种效应的稳健性在下肢得到了更好的证明。Perez等人表明，SES可以诱导下肢更大的RI，但仅当以模仿步态周期的模式施加时。综上所述，两项研究都强调SES可能对运动模式或自愿共激活非常特异。

性别相关差异

我们的结果显示性别和时间之间存在显著的交互作用，表明H反射兴奋性的降低仅在男性中看到，女性中没有。已知性别之间存在肌肉大小和纤维类型组成、耐力和氧化能力以及Hmax:Mmax比率的差异。

鉴于我们的研究将SES强度设定在主观疼痛水平，女性可能完全没有接收到足够的总刺激来诱导可塑性。SES耐受性的差异可能受到本研究收集的因素之外的许多因素的影响，包括参与者水合作用、皮下脂肪含量和使用的电极类型。任何SES方案的目标都是选择性激活初级感觉传入；然而，电流会激活皮肤表面的疼痛感受器。随着刺激强度的增加，疼痛感受器的激活会产生不适，最终限制SES方案的有效性。由于女性在刺激部位通常有更大的脂肪含量，更大比例的刺激电流可能被疼痛感受器接收，而不是初级感觉传入；这是一种常见的效应，称为分散。因此，我们参与者在SES会话期间的主观疼痛评分（因其在康复干预中的适用性而被选择）可能受到这种分散效应的影响。此外，我们发现初始RI与SES后RI变化之间存在负相关，这意味着初始RI的量减少了RI变化的幅度。鉴于女性具有更高的基线RI，这表明平均而言变化的整体潜力较小。这些性别相关差异可能是在上肢震颤中标准化SES方案时的重要考虑因素。

我们发现女性具有更大RI的发现似乎与以前的文献形成对比。在下肢，女性参与者已被证明在亚最大和最大力量水平下产生更大水平的拮抗剂共激活。造成这种差异的机制之一被认为是抑制的交互抑制水平降低，从而允许更大的拮抗剂力量产生。因为我们的研究是在静息状态下进行的，这可能解释了我们在女性中发现更大交互抑制的发现。然而，鉴于比较上肢RI性别差异的文献稀缺，不能从我们的发现 alone 得出强有力的结论。

局限性

我们研究的局限性包括这是一个样本量相对较小的研究，对象是年轻健康个体。我们的结果显示对SES的反应存在相当大的变异性。这种变异性可能源于刺激的强度（相对于每位参与者的舒适水平）。选择该强度水平是为了近似临床医生在临床应用中如何调整SES的强度。此外，男性参与者在SES后无条件H反射的幅度显著下降；因此，我们不能排除男性H反射通路兴奋性降低可能影响了RI的计算。然而，我们不认为这是一个主要限制，因为RI是作为H反射幅度的相对变化计算的，该变化在SES后没有改变。

结论

我们的结果表明，SES有潜力影响同侧肢体拮抗肌群脊髓运动神经元的兴奋性。在男性中，可塑性是通过脊髓兴奋性降低实现的，而不是交互抑制。这些发现可能对进一步研究SES在康复环境中的应用具有重要意义。