经颅磁场刺激安全性的动物实验研究

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1、经颅磁场刺激安全性的动物实验研究 文章来源：中华物理与康复杂志 1998年第3期第0卷 实验研究作者：黄福南曹起龙沈定国苏凤霞单位：100853解放军总医院神经内科关键词：/治疗；磁力学；脑电描记术摘要目的探讨经颅磁场刺激对正常及实验性脑梗塞大鼠脑电图及形态学影响。方法对接受不同刺激量组经颅磁场刺激的正常及实验性脑梗塞大鼠进行行为、皮层脑电图及组织病理形态学观察,特别是有无出血。结果常规刺激量组(刺激30次)和超常规量组(刺激500次)在刺激过程中大鼠均未出现异常活动，无肢体强直、阵挛等。超常规量组一只鼠皮层脑电图出现一过性慢波以节律为主。常规刺激量组一只鼠波幅降低，脑电频谱分析所见更清楚。两

2、种刺激量下的正常鼠脑组织形态学改变不明显，包括大体观察、普通光镜及电镜检查。实验性梗塞组刺激后未观察到出血。结论经颅磁刺激比较安全，大刺激量时偶尔出现皮层脑电图一过性功能损害，并无组织形态学改变。临床常规应用条件下，安全可靠。中图号R454.9Experiment on Safety Considerations in Normal and Infarct Rats transcranially Stimulated with Magnetic FieldsHuang Funan,Cao Qilong,Shen Dingguo,et al.General Hospital of Chinese

3、 pLA,100853AbstractObjectiveEffects of transcranial magnetic stimulation on performances,cortical electroencephalography(EEG) and histological changes in normal and experimentally infarcted Wistar rats were observed.Methods Cortical EEGs and performances of rats treated with two doses of magnetic st

4、imulation (30 times and 500 times continuously stimulated) were recorded immediately after stimulation,while histological samples of whole rats brain were taken for light and electrical microscopy at the time of 24 hours and 72 hours after stimulation.Results Neither group of rats received 30 times

5、or 500 times had abnormal activities especially no clonus and rigidity. Cortical EEGs showed that slow wave activity,mainly rhythms appeared in one rat stimulated 500 times,while another rat stimulated 30 times had decreased wave amplitudes with normal rhythms.These changes were much more clearly in

6、 EEG wave frequency analysis.Histological examination of the two groups under light and electrical microscopy disclosed no specific changes like cerebral edema,neuron loss and hemorrhage.Conclusion Transcranial magnetic stimulation is safe,it will not induce epileptic activity and brain hemorrhage u

7、nder routine conditions of clinical examination.Key wordscerebral infarction/ther;magnetics;electroencephalography自磁刺激运动诱发电位(MEP)临床应用以来，其安全性受到广泛关注1。虽然尚未发现其明确的即时副作用和并发症2,3,但是否绝对安全尚需要进一步研究。已报道的副作用有头痛、记忆减退、听力及视觉障碍等14,6,与磁刺激之间的关系不十分明确。而较常出现的降低发作阈及颅内出血也无定论7。本研究从临床角度出发，拟用现有条件对经颅磁刺激的安全性进行研究,重点观察经颅磁刺激对正常脑组织

8、的形态和脑电活动影响,以及对梗塞脑组织的影响，尤其是否有继发性出血。材 料 与 方 法一、材料1.成年Wistar大鼠40只,雌雄各半,体重250300克，随机分为四组。2.磁刺激器为MAG2磁刺激仪(丹迪公司),其最大输出脉冲场强2.0T。脉冲时限50s,最高刺激频率每3秒1次。RM-6200型八导生理记录仪,7213型脑电记录仪以及MAF5频率分析仪。二、方法1.磁刺激:每两组(共四组)分别进行常规量(30次)及超常规量(500次)以刺激器100%输出量进行刺激。于刺激前及刺激后分别进行脑电记录。常规量组及超常规量组各两组鼠于24小时及72小时后分别快速断头取脑。标本置于10%福尔马林及3

9、%戊二醛溶液中固定直到进行光镜及电镜检查。2.脑皮层电图记录方法:电极埋置:20%乌拉坦(10g/Kg)腹腔麻醉，自大鼠眼眶间至人字缝处充分暴露颅骨,于冠状缝后4 mm,矢状缝旁开2 mm处埋置不锈钢针电极。无关电极埋在冠状缝前2 mm矢状窦旁2 mm处，牙托粉固定。24小时后在清醒状态下记录大脑皮层自发脑电活动。联机、描记:各导联接RM-6200型多导生理记录仪记录脑电图。部分大鼠还进行了脑电频率分析。方法是：EEG-7213脑电仪与MAF5频率分析仪联用，作频率分析。频段分为：(23.8 hz)、(47.8 Hz)、(812.8 Hz)、1(1319.8 Hz)、2(2030 hz)，时间

10、常数为0.3 ms。该仪器因可行脑电图频谱分析而更加直观。3.大脑中动脉梗塞模型:10%水合氯醛(400 mg/Kg)腹腔麻醉，剪开皮肤并游离出颈动脉、颈内动脉。在离颈动脉分叉约0.5 cm处将动脉剪一小口，将直径0.12 mm长4 cm的尼龙线插入颈内动脉约1.52.0 cm到大脑中动脉口处，固定余线，近心端结扎。逐层缝合即完成造模。4.四组中每两组分别于术后3小时进行常规量(30次)和超常规量(500次)磁刺激,刺激强度为2.0 t,脉冲时限为100 s。每组又于刺激后24小时和72小时快速断头取脑，每组随机取3只动物进行经左心行2%氯-2,3,5-三苯基四氮唑(TTC,上海试剂公司)灌注

11、、断头取脑。10%福尔马林固定至光镜检查。TTC用于染色观察大体梗塞灶范围的大小。结果电极埋植顺利，术后大鼠安静，饮食及活动未见异常。术后24小时内进行磁刺激，刺激过程中，除个别大鼠由于刺激器电容充放电过程产生的噪音而受惊吓跳动不安外，所有大鼠都未见到有抽搐、强直、阵挛发作。一、脑电图清醒状态下大鼠脑电活动表现为不规则快慢波交替活动，刺激前后对比研究未见异常，无阵挛、强直电位等。其中超常规量刺激组有一只鼠出现一段连续慢波以节律为主，随后连续观察未再出现(图1)。常规量刺激组有一只鼠刺激后脑电波幅出现较明显降低(图2)。观察该鼠见其警觉性差，给予声音刺激后波幅回升。这两只鼠24小时后再次进行脑电

12、描记未见异常。图1磁刺激前后脑电图(大剂量组500次)频谱分析刺激前正常脑电图刺激后10分钟脑电图(慢波增多)刺后30分钟脑电图刺激后24小时脑电图(恢复正常)(刺激后10分钟以节律为主)图2磁刺前后脑电图(常规量组30次)频谱分析刺激前正常脑电图(快慢节律交替)刺激后10分钟脑电图(可见波幅下降)刺激后30分钟脑电图(波幅回升)刺激后24小时脑电图(波幅恢复正常)二、病理所见大体所见脑沟、脑回清楚，脑表面无出血。剖开脑组织切面亦未见点片状出血，无明显水肿。HE染色常规量及超常规量组刺激后24及72小时光镜下细胞形态正常，胞核、核仁清楚，无出血及水肿。电镜超微结构亦未见异常，胞浆电子密度正常，

13、线粒体、内质网无肿胀，核仁清楚（图3）。动物模型的制作顺利。造模成功的动物出现梗塞对侧肢体无力，动物向患肢侧转圈，爬行时患肢拖曳，重者完全瘫痪。刺激时动物安静，无抽搐，意识清醒。各组鼠TTC染色见梗塞侧半球明显水肿，色苍白脑沟脑回变浅。而健侧色粉红，脑沟脑回清楚。剖开脑组织切面未见有点片状出血。HE染色光镜下见病灶区神经组织水肿，胞核固缩，神经元缺失。磁刺激后所见相同，但未见点片状出血（图4）。讨论经颅电、磁刺激运动诱发电位已成为无创性检测中枢运动通路的有效手段3,79。不同厂家的磁刺激器性能及仪器参数以及不同实验室的操作均不尽相同。而经颅电刺激由于需要高电压直接作用于体表引起疼痛及可能的损伤

14、成为其推广应用的主要障碍9,10。磁刺激主要依赖于脉冲磁场在神经组织内产生感应电而使组织兴奋，提高了安全性。物理电致损伤的机理主要有1,9,10：电化学作用即电荷在组织界面的转移可以产生电化学作用产物，使PH值变化,氯、有机物等氧化和电极电解产生可溶性金属盐。这方面的效应在经颅磁刺激时是微弱的。生物电改变即电流流经组织时导致膜电位的变化，神经细胞兴奋性异常。组织为高电阻物体，电流流经会产生热量。上述三方面的因素是经颅电或磁刺激时可能的主要损伤因素。2.0 t磁场每3秒刺激1次时，脑组织产生的热量不足2 mW，不到成人脑组织基础代谢产热的万分之一，远低于国际允许标准值三百分之一。剩下的可能损伤因

15、素就是膜生物电变化。电流经过神经组织将导致生物电的变化，如癫痫“点燃”（kindling）作用所致的动物模型就是通过反复电刺激动物皮层。经颅刺激由于电荷经过皮肤、颅骨及脑脊液等屏障而削弱了其效应。而磁刺激是靠感应电兴奋组织。本实验证实低频率刺激即每3秒1次，强度小于2 t时，刺激30次和500次实验大鼠在刺激过程中和刺激后均无癫痫样发作，脑电记录及频谱分析未见阵挛、强直等特征性电位。个别动物出现节律及波幅降低，可能和麻醉、动物觉醒程度等有关。高强度连续电刺激后神经组织损伤的形态改变有1,9,10：光镜下胶质增生、分子层糖原沉积及胞浆空泡变，重者染色体溶解及神经元丧失。损伤深度达电极下23 mm

16、处。电镜下超微结构改变包括细胞内钙蓄积、脂质包涵体的出现、膜破坏、吞噬细胞活动及神经元丧失。磁刺激后的组织学研究报道较少见。国内汤氏等8曾报道19例梗塞病人磁刺激后2例出现梗塞灶区出血，但这2例病人均为大块脑梗塞，因而所发生的出血到底是由磁刺激所致还是继发于大块梗塞病灶本身作者也难于定论。本实验在2 t磁场强度、小于0.3 Hz频率时刺激30次或500次都未出现组织学改变。实验性局灶脑梗塞在刺激前后都未发生出血。在低刺激频率和强度时，刺激总次数与是否引起组织损害无关，这一点和电刺激相似1。本实验室曾报道过的皮层高强度连续电刺激引起实验性脑梗塞继发，而本研究说明在磁刺激强度小于2 t、刺激频率小

17、于0.3 Hz时安全性高10。磁刺激MEP可用于常规临床检查，安全可靠且比电刺激方便。图3A 磁刺激500次后72小时大鼠皮层光镜HE染色所见：细胞形态结构正常，无出血水肿200图3B 磁刺激500次后72小时大鼠皮层电镜所见：各细胞器无异常10000图4A 磁刺激500次后24小时脑梗塞大鼠海马区光镜所见：梗塞灶区神经细胞缺失，无出血灶200图4B 磁刺激500次后72小时大鼠脑梗塞灶TTC染色大体所见：梗塞灶区呈乳白色，无出血发生参考文献1Agnew wF,McCreeny DB.Consideration for safety in the use of extracranial sti

18、mulation for motor evoked potentials.Neurosurg,1987,20:143-147.2Chiappa KH.Transcranial motor evoked potentials.Electromyog Clin Neurophysiol,1994,34:15-20.3Mills KR,Murray NMF,Hess CW.Magnetic and electrical transcranial brain stimulation:physiological mechanisms and clinical applications.Neurosurg

19、,1987,20:164-168.4Amassian VE,Cracco R,Maccabee PJ,et al.Suppression of visual perception by magnetic coil stimulation of human occipital cortex. Electroencephalogr Clin Neurophysiol,1989,74:458-462.5Bridges SL,Delaney RC.Transcranial magnetic stimulation:an assessment of cognitive and other cerebra

20、l effects. neurology,1989,39:417-419.6Counter SA,Borg E,Lenard LBE,et al.Hearing loss from the acoustic artifact of the coil used in extracranial magnetic stimulation. Neurology,1990,40:1159-1162.7Hufnagel A,Elger CE,Durwen HF,et al,Activation of the epileptic focus by transcranial magnetic stimulation of the human brain. Ann Neurol,1990,27:49-60.8汤晓芙,高秀贤,杜华,等.经颅磁刺激能否引发脑梗塞后出血的研究.中华神经精神科杂志,1992,25:354.9黄福南，曹起龙.磁、电刺激运动诱发电位的对比.临床脑电学杂志，1996，2：120-122.10于国平，曹起龙，刘洁晓，等.经颅电刺激运动诱发电位对实验性脑梗塞的影响.中华物理医学杂志，1996，18(2)：125.