类型a研究报告

作者与发表信息

本研究由Washington University in St. Louis的Rodolfo Keesey、Ismael Seáñez团队，与Medical University of Vienna的Ursula Hofstoetter、Karen Minassian团队，以及ETH Zurich的Zhaoshun Hu、Andreas Rowald团队联合完成。论文发表于《nature biomedical engineering》，于2026年4月14日被接收并在线发表。

学术背景与研究目的

脊髓损伤导致持续性运动功能障碍，目前尚无治愈瘫痪的方法。近年来的研究将脊髓电刺激与活动训练相结合，在改善运动功能方面取得了前所未有的进展。然而，这些技术所靶向的神经底物及其激活机制在很大程度上仍未被充分研究。

经皮脊髓刺激作为硬膜外脊髓刺激的无创替代方案，其传统波形通常使用0.5–2毫秒脉宽、30–50赫兹的双相脉冲来促进运动功能。然而，刺激电极下方强烈的皮肤感觉和神经肌肉共同激活导致研究者转而采用千赫兹频率波形，通常以5–10千赫兹的载波调制0.5–1毫秒脉冲，声称能够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底物及其去极化机制此前从未被描述，且千赫兹频率波形需要显著高于传统波形的刺激强度才能诱发肌肉反应。尽管如此，千赫兹频率波形已被应用于临床研究，以通过经皮脊髓刺激辅助康复改善脊髓损伤患者的运动功能。

本研究旨在通过人体电生理学和计算建模，探索传统波形与千赫兹频率波形在神经纤维募集机制上的根本差异，尤其关注本体感觉传入纤维与运动传出纤维的相对募集情况，为经皮脊髓刺激在神经康复中的合理应用提供机制性依据。

研究流程与方法

研究共包含四个主要实验/建模环节，涉及28名无损伤受试者。

第一环节：外周神经刺激实验与计算建模。 12名受试者参与外周神经刺激实验，接受胫神经混合神经刺激。实验系统包括：将圆形阴极置于腘窝、阳极置于髌骨下方，记录比目鱼肌的肌电活动，包括霍夫曼反射和M波。共测试七种波形：2毫秒传统波形、1毫秒传统波形，以及脉宽分别为1.0、0.8、0.5、0.2和0.1毫秒的10千赫兹频率波形。每种波形按从低到高共16个刺激电流步骤施加刺激脉冲，每步重复三次，脉冲间隔随机化于7±0.5秒以避免激活后抑制效应。数据分析离线进行，使用广义线性混合模型进行波形间统计比较，事后比较采用Bonferroni校正。

计算建模部分：基于高分辨率Jeduk人体模型构建了解剖精确的下肢三维有限元模型，包含胫神经。电场分布计算后耦联两个轴突模型群体：各75根本体感觉传入纤维和运动传出纤维轴突，直径分布于12–20微米。轴突模型采用Gaines等人发表的模型，该模型通过离子通道特性再现了两种纤维各自的强度–时间常数差异，本体感觉传入纤维具有较长的强度–时间常数。建模工作流程包括：三维体积导体建模、电位分布与电流方向计算、轴突群体初始化、基于电导的电缆模型仿真、以及募集曲线生成。模拟波形设计复刻实验条件。

第二环节：腰椎经皮脊髓刺激实验。 10名受试者参与。阴极置于T11/T12椎体上，阳极置于脐两侧。记录右侧下肢八块肌肉的肌电活动。采用2毫秒传统波形和1毫秒千赫兹频率波形，使用配对脉冲范式评估激活后抑制，两个脉冲间隔33毫秒，通过比较第二个反应相对于第一个反应的抑制程度来区分传入纤维介导的反射反应与传出纤维直接激活的反应。

第三环节：颈段经皮脊髓刺激实验。 测试两种常用电极配置：其一，阴极双侧置于C6/C7椎间隙、阳极双侧置于锁骨（10名受试者）；其二，阴极中央置于C3/C4与C6/C7之间、阳极双侧置于髂嵴（10名受试者）。记录八块上肢肌肉的肌电活动。同样采用配对脉冲范式及两种波形进行评估。此外，测量了外周传导时间：通过刺激正中神经或胫神经记录M波和F波，用以估算动作电位从脊髓前角传导至肌肉所需时间。将经皮脊髓刺激诱发的反应潜伏期与外周传导时间进行比较，以推断刺激的募集位点是位于后根（传入纤维）还是前根（传出纤维）。

第四环节：感知阈值与耐受性评估。 在各项经皮脊髓刺激设置中，逐步增加刺激幅度直至肌肉反应达到平台或受试者达到疼痛耐受极限，记录感觉感知阈值和最大耐受刺激幅度，并将其归一化至相应肌肉激活阈值，以比较不同波形和设置下的感知敏感性与耐受性。

主要研究结果

外周神经刺激与计算建模结果： 统计结果表明波形显著影响H反射和M波的阈值刺激电流。两种传统波形的H反射和M波阈值均显著低于所有千赫兹频率波形。随着千赫兹频率波形脉宽增加，诱发阈值反应所需刺激电流降低，但所需电荷增加，提示存在“中断的阈下总和过程”。H反射潜伏期随千赫兹频率波形脉宽增加而延长——1.0毫秒与0.1毫秒千赫兹频率波形在阈值处的潜伏期差异达1.0毫秒。而在阈上刺激强度下，两种波形潜伏期无显著差异，表明反应由千赫兹频率波形的首个0.1毫秒双相脉冲诱发，使其交流电样波形结构变得无关紧要。

在相对纤维募集方面，仅2毫秒传统波形的M/H阈值比显著大于1（均值1.31），表明H反射在低于M波的电流下被诱发。所有千赫兹频率波形的比值均显著低于1，即M波在低于H反射的电流下即被诱发，与运动传出纤维激活增强一致。Hmax/Mmax比值分析表明，传统2毫秒波形显著高于任何千赫兹频率波形，提示千赫兹频率波形下逆向碰撞增加导致可达到的最大反射激活肌肉比例降低。

计算建模验证了上述结果：传统波形的激活阈值显著低于千赫兹频率波形，且随着千赫兹频率波形脉宽增加，阈值幅度下降而阈值电荷增加。千赫兹频率波形下传入与传出纤维募集曲线重叠度显著大于传统波形，显示更大的共同激活。关键发现是，在群体水平上，增加千赫兹频率波形脉宽对减少共同激活的效果甚微。仿真揭示，在阈上刺激幅度下，大多数纤维在千赫兹频率波形的前三个0.1毫秒双相脉冲内即被激活，后续脉冲在神经元募集上无功能。因此，在群体水平上，千赫兹频率波形的交流电样结构对募集机制影响甚微，其募集特性主要由单个0.1毫秒双相脉冲主导，这不利于优先募集本体感觉传入纤维。

腰椎与颈段经皮脊髓刺激结果： 在腰椎刺激中，传统波形下测试反应幅度平均降低77.6%，千赫兹频率波形下降低61.3%，两者在全部八块肌肉中均达显著抑制，证实反应主要由本体感觉传入纤维介导。然而千赫兹频率波形在五块肌肉中的抑制程度显著低于传统波形。

在颈段刺激（锁骨阳极配置）中，传统波形下测试反应仅降低8.7%，千赫兹频率波形下仅降低4.6%；髂嵴阳极配置下，传统波形降低21.7%，千赫兹频率波形仅降低5.5%。这些抑制水平远弱于腰椎刺激，提示颈段经皮脊髓刺激的反应主要由运动传出纤维直接激活介导。

反应潜伏期与外周传导时间的比较进一步证实：在阈值处，腰椎刺激诱发的内侧腓肠肌反应潜伏期显著长于外周传导时间，与后根传入纤维激活一致。而颈段刺激诱发的拇短展肌反应潜伏期与外周传导时间无显著差异或显著更短，且随刺激电流增加进一步缩短，提示募集位点在前根并随电流增大向臂丛外周方向迁移。

感觉耐受性方面，归一化后传统波形的感觉感知阈值显著低于千赫兹频率波形，但最大耐受刺激幅度显著高于千赫兹频率波形，表明虽然传统波形下受试者感觉更敏感，但实际耐受性更好。

研究结论与价值

本研究系统揭示了千赫兹频率波形在传入纤维募集中的根本性局限。千赫兹频率波形通过“中断的阈下总和过程”激活轴突，其中负相主动抵消去极化，导致所需刺激电流和电荷显著增加。更重要的是，千赫兹频率波形的募集特性由初始的单个0.1毫秒短双相脉冲主导，这在根本上不利于利用强度–时间特性差异来优先募集本体感觉传入纤维，反而偏向共同激活运动传出纤维。

在腰椎经皮脊髓刺激中，传统波形能优先募集本体感觉传入纤维，而千赫兹频率波形降低了这种优先性。更为关键的是，在颈段经皮脊髓刺激中，无论使用何种波形，反应主要由运动传出纤维在前根的直接激活介导，这挑战了当前颈段经皮脊髓刺激应用的基本前提。

本研究的科学价值在于：首次通过人体电生理与计算建模相结合的方式，阐明了千赫兹频率波形在轴突募集中的生物物理机制，为理解不同刺激波形的神经作用提供了机制性框架。应用价值在于：强烈建议在将新型经皮脊髓刺激范式转化为临床应用前，必须对其募集神经结构的机制进行彻底分析；建议临床研究报告刺激电流时应同时报告肌肉激活阈值以进行归一化；并建议对已发表的临床研究按电极放置和刺激波形分组分析，以揭示各因素的独立贡献。研究提出，旨在恢复运动功能的经皮脊髓刺激范式应建立在其作用机制的坚实电生理学理解之上。

研究亮点

第一，首次直接检验了千赫兹频率波形对H反射和M波阈值的影响，纠正了以往因不平衡比较（将单个短脉冲与千赫兹频率脉冲串对比）而产生的关于千赫兹频率波形优势的误解。第二，提出并验证了“中断的阈下总和过程”这一概念，为理解千赫兹频率波形激活轴突的生物物理机制提供了新框架。第三，揭示了群体水平上千赫兹频率波形募集特性由初始短脉冲主导的关键发现，这从根本上解释了千赫兹频率波形无法有效利用脉宽差异选择性募集传入纤维的原因。第四，首次系统比较了腰椎与颈段经皮脊髓刺激的神经募集机制差异，揭示了颈段经皮脊髓刺激中运动传出纤维直接激活占主导的重要发现，这对当前颈段经皮脊髓刺激的临床应用提出了重要反思。