在健康个体中，经皮脊髓刺激过程中扭矩产生速率和皮质脊髓兴奋性的实时变化

《Journal of Electrocardiology》：Real-time changes in rate of torque development and corticospinal excitability during transcutaneous spinal cord stimulation in healthy individuals

经皮脊髓电刺激（tSCS）可实时增强健康人下肢爆发性扭矩发展和皮质脊髓兴奋性，为运动功能康复提供新机制。

　　
本研究聚焦于经皮脊髓电刺激（tSCS）对健康个体运动功能及神经生理机制的影响，通过两项独立实验系统探究了tSCS在实时动态调节运动表现和神经兴奋性方面的作用。研究团队来自日本东京大学医学院康复医学系，由Tomofumi Yamaguchi教授领衔，通过随机交叉设计结合生理学测量方法，揭示了tSCS对下肢爆发性运动的扭矩生成速率及皮质脊髓神经兴奋性的双重促进作用。

在实验设计方面，研究采用双盲随机交叉对照模式。健康受试者（男性为主）依次接受tSCS干预与对照条件，间隔10分钟。实验1重点评估下肢爆发性伸展运动的扭矩生成能力，受试者通过固定踏板进行快速发力测试，通过实时记录踏板压力变化计算峰值扭矩发展速率。实验2则采用经颅磁刺激（TMS）测量运动皮层对股四头肌的兴奋性，通过平均15次刺激后的肌电信号幅度变化评估神经传导效率。

研究首次系统观察到tSCS对运动性能的实时动态影响。在实验1中，受试者接受tSCS干预后，峰值扭矩发展速率较基线提升约3.8%（P=0.038），而对照条件无显著变化。这种提升可能与脊髓神经网络的同步激活有关：tSCS通过激活胸腰段（Th11-12）的传入神经纤维，触发脊髓内上行神经传导束的同步放电，进而增强前角运动神经元的募集效率。实验2数据显示，tSCS组皮质脊髓兴奋性（MEP幅度）提升约20.7%（P=0.047），显著高于对照组，表明tSCS能有效增强运动皮层与脊髓间的神经传导效率。

从神经机制角度分析，tSCS可能通过多级传导路径发挥作用。首先，刺激电流激活脊髓背角传入纤维，引发脊髓中间神经元和运动神经元的协同激活。这种局部网络激活可能通过上行脊髓束（如内侧丘脑投射）向运动皮层传递增强的神经信号。其次，脊髓水平的兴奋性提升可能通过脊髓小脑后束（dorsal spinocerebellar tract）形成正反馈，促进运动皮层神经元的同步放电。第三，tSCS刺激可能诱导神经可塑性变化，如运动皮层与脊髓之间的突触连接强化，这种机制在健康个体中的激活可能为临床康复提供理论依据。

临床应用价值体现在对运动功能障碍的干预潜力。研究证实tSCS能显著提升爆发性运动能力的关键指标——扭矩发展速率。这一指标与日常活动中的快速启动、变向能力密切相关。例如，在步行中跨越障碍物或上下楼梯时，需要短时间内生成高扭矩以维持平衡。对于中风患者，脊髓损伤常导致皮质脊髓束传导阻滞，进而影响运动皮层对远端肌群的调控能力。本研究发现tSCS可增强皮质脊髓兴奋性，提示其对改善中风后运动功能具有潜在价值。

值得注意的是，实验通过双盲设计和交叉对照有效排除了个体差异的影响。tSCS参数设定为双倍感觉阈值，确保有效激活感觉神经纤维而不引发不适。电极放置采用标准化定位：阴极置于Th11-12棘突上，阳极置于脐上区域，这种体位设计既符合解剖学定位，又能最大化刺激下肢运动神经元的传导路径。实时测量方法（如1000Hz采样率）和自动化数据处理（最大斜率分析）显著提升了研究结果的可靠性。

讨论部分指出，虽然实验证实tSCS能即时增强神经兴奋性和运动性能，但仍存在若干局限。首先，脊髓兴奋性评估未采用直接电刺激法，可能低估了脊髓水平的神经调节效果。未来研究可结合表面肌电信号与脊髓电刺激（SNS）的对比分析，明确不同节段的激活程度。其次，实验未追踪tSCS干预后的持续效应，现有临床数据显示单次刺激效果可维持2小时以上，但长期累积效应仍需验证。此外，样本量较小（n=20）可能影响统计效力，建议后续研究扩大样本并采用多中心试验设计。

机制层面仍存在若干未解之谜。例如，tSCS激活的传入纤维类型（如Aβ型触觉纤维与C纤维）可能对运动表现有不同的影响路径。有研究显示，高频刺激（>100Hz）更易激活脊髓运动神经元群，而本实验采用的100Hz参数可能需要进一步优化。另外，运动皮层与脊髓之间的双向调控机制尚未完全阐明，未来可结合脑机接口技术观察tSCS对运动皮层神经振荡的影响。

从康复医学角度，本研究为tSCS的临床应用提供了关键证据链。首先，证实tSCS对运动性能的即时提升作用，为实时神经调控技术奠定基础。其次，揭示神经兴奋性增强与运动表现改善的因果关系，提示可通过监测皮质脊髓传导速度评估治疗反应。再者，研究提出的"刺激-感觉输入-运动输出"三级调控模型，为设计精准康复方案提供了理论框架。例如，针对上肢运动障碍患者，可选择刺激颈髓（C6-C8）结合相应脑区TMS进行联合干预。

技术优化方面，研究建议采用多模态检测系统替代单一肌电信号采集。例如，结合惯性传感器实时监测关节角度变化，通过动力学模型反推扭矩生成效率。在刺激参数优化上，可引入自适应刺激技术，根据个体神经传导速度动态调整刺激强度和频率，既保证安全性又能提高疗效。

临床转化路径方面，建议分阶段推进：第一阶段建立tSCS参数与运动功能指标的量化关系，第二阶段开发基于生物反馈的闭环控制系统，第三阶段形成标准化治疗方案。例如，针对步行障碍患者，可设计阶梯式干预方案：初期每日2次tSCS联合步态训练，待神经适应后逐步延长单次刺激持续时间。

本研究对神经工程领域具有重要启示。通过建立运动表现与神经兴奋性之间的量化模型，为开发新型康复设备（如智能神经刺激器）提供理论支撑。同时，提出的"实时神经调控-运动学习-功能恢复"协同机制，可能推动康复医学从被动治疗向主动神经重塑转变。后续研究可探索tSCS与虚拟现实训练的融合应用，通过环境交互增强神经可塑性。

总之，该研究不仅揭示了tSCS促进运动功能的即时神经机制，更为神经调控技术的临床转化提供了科学依据。其价值在于首次将运动力学指标（扭矩发展速率）与神经生理学指标（皮质脊髓兴奋性）进行同步测量，建立从微观神经机制到宏观运动表现的完整证据链。这一突破性发现有望推动康复医学进入精准神经调控的新时代，为运动功能障碍患者开辟新的治疗途径。