香港理工大学:实时fNIRS揭示低频/高频rTMS在卒中康复中的“差异化神经重塑机制”

香港理工大学:实时fNIRS揭示低频/高频rTMS在卒中康复中的“差异化神经重塑机制”

重复经颅磁刺激（rTMS）作为基于大脑可塑性调控的技术，已广泛应用于卒中康复。然而，在临床实践中刺激参数依然高度依赖经验，尤其是关于低频抑制与高频兴奋的选择，迄今仍缺乏直接的机制证据支持。香港理工大学联合临床研究团队开展的一项创新研究，将功能近红外光谱（fNIRS）应用于rTMS干预的实时监测中，通过连续观察脑血氧与网络动态反应，系统揭示了不同频率刺激在神经调控机制上的差异化模式，并建立了刺激效应与功能改善之间的生理学关联。这一研究成果发表于国际TOP期刊 IEEE TNSRE，对于推动卒中康复由经验决策走向精准调控具有重要科学意义。

01 研究背景

卒中导致的运动功能障碍具有高患病率和高致残率，传统的康复训练主要依赖功能代偿与行为驱动，对神经网络层面的结构性重塑作用有限。因此，加速神经功能重建、缩短康复周期，是当代康复医学的核心目标。rTMS通过周期性磁刺激调控皮层神经元兴奋性，但其机制复杂：低频rTMS通常用于降低健侧皮层兴奋性，从而减轻对患侧的抑制，而高频rTMS旨在增强患侧受损网络的兴奋性。然而，大脑作为复杂的动态网络系统，其真实可塑性变化并非单一的兴奋或抑制，而是包含跨侧调节、网络同步性增强、任务相关区域重联等多层级机制。因此，仅基于刺激参数而非神经状态来决策技术应用，无法保证刺激策略的最优性，更无法实现个体化治疗。本研究因此提出关键问题：不同频率rTMS是否通过不同的脑网络机制促进恢复？若答案为肯定，则如何客观评价这种差异？这些问题亟需实时神经影像学手段来回答。

02研究概述

该研究招募了超过百例亚急性期卒中患者，通过随机对照方式分别接受低频与高频rTMS治疗，并使用fNIRS记录双侧运动皮层的血氧动力学信号，以刻画干预过程中的真实脑功能响应轨迹。研究构建了rTMS-fNIRS耦合联用系统（图1a），fNIRS由18个光源探头和16个探测探头组成38个通道（图1b），系统产生的磁场可有效在大脑皮层产生神经可塑性诱导作用（图1c）。通过比较真实1Hz、10Hz和假刺激下的fNIRS信号，没有观察到显著差异，因此排除了rTMS磁场对fNIRS测量的影响（图2d）。在干预期间及结束后，研究团队同时使用临床运动评估量表分析患者功能变化，从而建立刺激引发的神经效应与卒中运动恢复之间的因果关联。

图1. rTMS-fNIRS耦合联用系统及参数测试

（图片来自原文）

研究结果显示，低频rTMS可迅速影响皮层间的兴奋性平衡，促进异常皮层抑制的修正，使大脑网络向更高效的侧化模式转变。其重塑效应出现较早，表明其作用机制主要是调节整体网络的抑制与兴奋动态，从而为后续功能恢复提供神经环境基础。相比之下，高频rTMS的神经响应呈现逐渐累积特征，其作用机制更偏向于局部受损网络的直接激活，并在持续干预中逐步扩大参与区域，相关结果如图2所示。最终，两者均能够显著改善患者运动能力，但其神经改善路径完全不同。这说明rTMS的有效性不仅取决于“是否刺激”，更取决于“采用何种方式刺激”。

图2. 低频与高频rTMS效果对比

（图片来自原文）

值得强调的是，研究进一步证实神经网络状态的调节变化与最终运动改善之间具有显著相关性，提示可以使用功能影像学指标作为预测刺激响应与评估长期疗效的生物标志物，为rTMS由传统“离线疗效评估”向“在线疗效调控”转变奠定技术基础。

03研究意义

本研究具有显著的方法学创新意义。不仅克服了磁场环境下进行高质量脑功能成像的技术难题，更首次实现了卒中康复中神经调控机制的实时可视化，使经典脑刺激理论的关键环节具备了直接的影像学证据支持。研究明确揭示了低频与高频rTMS在神经网络水平上存在差异化的介导路径，为临床提供了基于神经机制的参数选择依据，有助于医生根据患者具体脑网络损伤状态制定更具针对性的精准康复干预策略。

更深层意义在于，本研究建立了刺激强度、网络重塑程度与运动改善之间的因果联系，标志着rTMS干预研究已从“行为归因”迈入“机制验证”阶段。未来，借助这一技术框架，可望实现基于fNIRS的闭环刺激系统，即在实时监测脑功能变迁的前提下动态调整刺激策略，使神经调控更进一步向个体化、自适应与智能化方向发展。

参考文献：

Xie H, Xin L, Dou ZL, Zhang M, et al. Differential Functional Network Remodeling Induced by Low- and High-Frequency rTMS: Evidence from Concurrent fNIRS Monitoring [J]. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering, 2025, 33: 3827-3836.