翻译/总结：席绍松
摘要
卒中对人类健康构成严重威胁，给社会和医疗系统带来负担。标准的康复疗法可能不能有效地改善卒中后的功能，因此需要替代策略。FDA已经批准迷走神经刺激(VNS)用于治疗癫痫、偏头痛和抑郁症。最近的研究表明，VNS可以增加康复干预的获益。VNS结合上肢康复可促进慢性脑卒中患者上肢功能的恢复。然而，其侵袭性限制了其临床应用。研究人员已经开发出一种非侵入性的方法来刺激迷走神经(non-invasive vagus nerve stimulation, nVNS)。已有研究表明，nVNS结合康复治疗可能是改善慢性脑卒中患者肌肉功能的一种有前景的选择。本文就其临床前、临床研究现状及在脑卒中中的应用前景作一综述。我们总结了当前nVNS应用的参数、优势、潜在机制和不良影响，以及未来nVNS在脑卒中治疗中的挑战和方向。这些研究表明，nVNS在缺血性脑卒中模型中具有降低梗死容积和缓解神经功能缺损的潜力。虽然还需要更多的基础和临床研究来充分了解它的疗效机制，特别是在大量患者中进行的III期临床试验，但这些数据表明，nVNS不仅可以作为一种可能的慢性脑卒中二级预防治疗，而且在不久的将来也会成为一种有希望的辅助治疗急性脑卒中的方法。
正文：
前言
据估计，到2050年，全球约有2亿脑卒中患者(Brainin et al.， 2020)。尽管近年来在治疗方面取得了广泛的进展，但缺血性和出血性卒中(约87%和13%)(Kuriakose and Xiao, 2020)仍然是残疾的主要原因，也是全球范围内的一个重大健康问题。大约60%的卒中患者在6个月内只能部分恢复或无法恢复(Lee et al.，2015)。因此，开发新的补充治疗方法是至关重要的，该方法可以轻松应用，并且不干扰包括溶栓和取栓在内的既定方案。
在卒中康复过程中，开发有效的循证疗法以减少损伤、改善功能活动和增强活动参与度是重要目标。神经刺激技术在临床和基础神经科学中得到越来越多的应用。迷走神经刺激(VNS)是美国食品和药品管理局(FDA)批准的用于治疗部分癫痫、抑郁和原发性头痛疾病的药物之外的一种潜在疗法(Ben-Menachem, 2002; Yuan, Silberstein, 2016; Carreno and Frazer, 2017)。最近人们也认识到，VNS具有增强包括卒中在内的神经损伤恢复的潜力(Khodaparast et al., 2014, 2016; Capone et al., 2017; Dawson et al., 2021)。最近发表在《柳叶刀》杂志上的VNS-REHAB研究支持使用VNS作为缺血性卒中引起的肢体瘫痪的一种新的治疗选择e (Dawson et al., 2021)。在临床实践中常采用两种刺激方法:侵入性迷走神经刺激(iVNS)和非侵入性迷走神经刺激(nVNS)(Mertens et al., 2018; Wang et al., 2021c)。nVNS是一种经皮肤刺激迷走神经的无创装置，通过这种方法，与植入物相关的独特风险和不良事件，如医疗护理、感染、气管周血肿、声带损伤和呼吸困难被排除或减少(Ben-Menachem et al., 2015; Zhao X.-P. et al., 2019; Li et al., 2020b)。此外，nVNS系统可能更适合突发缺血性卒中的急诊患者。这些系统可能不需要外科手术，因此能提高患者的安全性。
迷走神经刺激的历史及临床应用
迷走神经刺激的历史可以追溯到19世纪，当时James Corning研究了癫痫病人用手刺激迷走神经的抗癫痫效果(Lanska, 2002)。临床上有两种刺激方法，侵入性迷走神经刺激(iVNS)和非侵入性迷走神经刺激(nVNS)。根据最近发表的一项国际共识，目前已被接受的VNS方式有四种: 颈椎植入VNS (iVNS)、经皮颈椎VNS (tcVNS)、经皮耳廓VNS (taVNS)、经皮穿刺耳廓VNS (paVNS) (Farmer et al., 2020)。在iVNS中，一个脉冲发生器被植入到上胸部的皮肤下，连同连接到左迷走神经的电极(Goodnick et al., 2001; Pruitt et al., 2016; Dawson et al., 2021)。输送nVNS的系统利用迷走神经传入通过皮肤的分布，在外耳(taVNS)或在颈部(tcVNS) (Straube et al., 2015; Gaul et al., 2016; Genheimer et al., 2017; Burger et al., 2019)。
在动物和人类身上进行了几十年的试验之后。1997年FDA批准iVNS用于治疗难治性部分癫痫(Morris et al.，2013)， 2005年FDA批准iVNS用于治疗复发性严重单相抑郁症和双相抑郁症(Young et al.，2020)。iVNS Therapy还获得了欧洲认证的CE (Conformite Europeenne)，用于治疗癫痫和治疗难治性或治疗难治性抑郁症(DeGiorgio and Krahl, 2013; Young et al., 2020)。有创手术和iVNS的副作用导致了一种全新的、完全无创的刺激方式的发展。由于nVNS与iVNS具有可比性、易用性、高可及性和更少的副作用，因此受到了基础、临床和转译研究的特别关注(Ben-Menachem et al., 2015; Frangos et al., 2015; Marin et al., 2018)。nVNS于1997年进入临床治疗，其临床疗效和生理作用相似，但耐受性更强，报告副作用的患者更少(Redgrave J. et al.， 2018)。FDA还批准了tcVNS治疗偏头痛(Martelletti et al.,2018)和丛集性头痛(Gaul et al., 2016; Marin et al., 2018)。
在漫长的临床实践中，已有数十万患者接受了各种神经系统疾病的治疗，丰富的经验为探索VNS在除癫痫、偏头痛、抑郁症外的其他神经精神疾病的新临床应用提供了许多机会。迷走神经系统最有趣的潜在方向是治疗卒中。最近的随机对照试验也表明，结合康复治疗，iVNS和nVNS可能有利于卒中后上肢恢复(Khodaparast et al., 2014; Capone et al., 2017; Dawson et al., 2021)。
无创迷走神经刺激的解剖学基础
迷走神经(VN)是由80%的感觉纤维(传入)和20%的运动纤维(传出)组成的混合颅神经。它位于身体的左右两侧，是中枢神经系统和自主神经系统(ANS)之间的双向通道，传递系统之间的感觉和运动信息。它的传入纤维将内脏和躯体的信息从身体传递到脑干，从而提供了一条通往大脑的独特路径(Groves and Brown, 2005; Kaniusas et al., 2019; Farmer et al., 2020)。而它的传出纤维发源于背侧运动核(供应心脏、肺、食道和胃)和疑核(支配咽部和喉部的肌肉)。VN的大部分传入纤维终止于下延髓的孤束核(NTS)(如内脏传入、心脏传入、味觉传入和主动脉传入)，而其他传入纤维终止于三叉神经的棘核，如一些喉和咽传入神经(Trevizol et al., 2015; Yuan and Silberstein, 2016)。迷走神经的右半部分与心房联系更紧密，支配着控制心率的窦房结;而左侧迷走神经通常与心室相关，并支配控制收缩力的房室结(Guiraud et al., 2016)。因此，迷走神经在维持内稳态和副交感神经系统功能、调节炎症、心血管功能和胃排空输出作用中至关重要。
根据Erlanger和Gasser的研究，VN由A-、B-和c -纤维组成，具有相应的传导速度(Yuan and Silberstein, 2016)。根据解剖学研究，VN尾部穿过其神经节时的分支有:耳支、脑膜支、交感支(与颈上交感神经节连接)、咽支和喉支(Ruffoli et al., 2011; Yuan and Silberstein, 2016; Kaniusas et al., 2019)。迷走神经耳支(ABVN)是唯一到达体表的迷走神经分支。ABVN在耳廓形成皮肤感受野，大致位于皮肤和耳软骨之间的1-1.5 mm间隙(Bermejo et al., 2017)。cymba和cavum conchae均有ABVN，但ABVN在cyba和conchae中占100%的优势(Peuker and Filler, 2002)。ABVN传入纤维经颈静脉神经节进入迷走神经干，并投射出自主神经元整合的NTS。耳蜗收集传入信息并激活尾部腹外侧延髓和背侧运动核来控制中枢自主活动(Butt et al., 2020; Wang et al., 2021b)。Yakunina et al.(2017)发现刺激耳道可以最大程度激活迷走神经通路，因此该位置可能是经皮刺激迷走神经的最佳解剖位置。
20世纪上半叶，研究人员开始研究迷走神经的NTS，即从迷走神经到中枢神经系统的主要传入传输，以及它对皮层的投射。在不同研究中，nVNS激活的具体大脑区域则是基于对所关注的焦点的假设。一些经验性检测，如功能磁共振成像、脑电图和脑磁图，是确认这些假设的关键(SchulzStübner and Kehl, 2011; Colzato et al., 2018; Jongkees et al., 2018)。Burger和Verkuil(2018)认为nVNS会影响边缘区域，如海马和杏仁核，而Yuan和Silberstein(2016)认为刺激迷走神经会影响丛集性头痛患者下丘脑泌素和食欲素的分布。另外Jacobs等人(2015)提出，nVNS通过增加蓝斑活动来增强记忆。借助功能磁共振成像，Kraus等人(2007)发现，非侵入性迷走神经刺激会导致大脑活动的显著变化，颞区和边缘区明显失活。fMRI研究表明，nVNS比虚假刺激更能增加左侧前额叶皮层、右侧尾状核、扣带中部和小脑的神经活动(Badran et al.， 2018)。它还会降低皮层扣带后回和舌回之间的功能连接(Zhao B. et al., 2019)，并抑制产生耳鸣的过程(Yakunina et al., 2018; Yakunina and Nam, 2021)。
刺激迷走神经也可能增加损伤后中枢网络的突触可塑性(Meyers et al., 2018; Collins et al., 2021)。当迷走神经被电刺激时，神经调节效应立即被触发。VNS脉冲迅速激活去甲肾上腺素能蓝斑和胆碱能基底核，这是大脑中的两种关键神经调节物质(Morrison et al., 2021)。当与康复相关的神经激活和这些促进可塑性的神经调节因子释放同步时，特定任务回路的突触可塑性得到加强。
通常来说，VN活动与幸福感、健康、放松，甚至与同理心等情绪相关，而与发病率、死亡率和压力等风险因素呈负相关(Thayer et al., 2010; Zulfiqar et al., 2010; Farmer et al., 2020)。因此，VN在脑-躯体相互作用中起着至关重要的作用。这些复杂的相互作用自然引起了人们对人工刺激治疗的兴趣。
无创迷走神经刺激在脑卒中动物模型中的应用
在9项动物研究综述中(Ay et al., 2016; Jiang et al., 2016; Ma et al., 2016; Yang et al., 2018; Zhao X.-P. et al., 2019; Li et al., 2020b,a; Lindemann et al., 2020; Zhao et al., 2022; Table 2)，大多数文章确定了20或25 Hz的频率，该频率在植入功能性神经成像和taVNS优化试验中显示出更强的生物活性(Raedt et al., 2011; Hays et al., 2014; Thompson et al., 2021)。FDA批准的刺激频率为20 – 30 Hz，因为研究表明50 Hz及以上的频率在VNS过程中会对迷走神经造成严重且不可逆的损伤(Groves and Brown, 2005)。表2显示，3项研究使用迷走神经颈支，6项研究使用ABVN作为刺激位置。在啮齿类动物模型中，虽然横向差异不明显，且可能因使用的参数不同而不同，但这些研究大多使用左侧迷走神经进行刺激。
在大鼠和小鼠脑缺血后不同时间(30 min ~ 24 h)启动tcVNS。c-Fos免疫组化检测tcVNS对NTS的激活能力。tcVNS激活迷走神经纤维，刺激其在脑干(NTS)的主要传入中继核(Ay et al.，2016)。目前在动物研究中阐明的nVNS的主要作用及机制总结如下。
减少梗死面积，改善神经预后
多项动物研究表明，nVNS可显著降低脑缺血大鼠的梗死灶体积，改善神经功能损伤(Ay et al., 2016; Zhao X.-P. et al., 2019; Li et al., 2020b; Lindemann et al., 2020; Zhao et al., 2022)。在这些研究中，nVNS实现了大约25-50%的梗死面积减少，这与之前报道的iVNS实现的效果类似(Ay et al., 2011; Sun et al., 2012)。Ay等人(2016)检测了大脑中动脉闭塞(MCAO)后不同启动时间下的tcVNS对组织和功能预后的影响，方法是每次上下改变治疗窗口1小时，直到刺激30分钟后达到相当的效果大小。他们发现，当MCAO后4小时开始刺激时，tcVNS对梗死面积的影响是一致的。此外，前肢功能的改善相当持久，甚至在刺激停止后仍能观察到，这与老年缺血性脑卒中大鼠iVNS治疗及康复训练结果一致(Hays et al., 2016)。
促血管生成
局灶性脑缺血后，新形成的侧支血管可改善周围组织灌注，促进神经系统功能恢复。最近的研究表明，血管新生几乎与神经新生平行参与缺血性卒中后的神经功能恢复(Song et al., 2019; Alrafiah et al., 2021; Wang et al., 2021a)。有研究提出，VNS可促进成年大鼠齿状回海马祖细胞增殖，从而促进缺血损伤神经元的修复(Lu et al.， 2017)。看来这种可塑性与VNS治疗缺血性卒中的疗效有关。在脑缺血大鼠中，taVNS增强血管生成因子的表达，包括BDNF、eNOS和VEGF，增加内皮细胞增殖，刺激血管生成，增加梗死区域周围微血管密度(Zhang et al.，2017)。另一项研究表明taVNS在脑缺血后7天促进内皮细胞增殖，taVNS增强内皮细胞中ALK5的表达(Ma et al.，2016)。taVNS对脑卒中后恢复的影响，以及上调脑内GDF11、下调脾内GDF11，提示脑-脾交互。卒中后，大脑释放出缺血信号，激活的脾脏释放其GDF11储备到血液循环中，使其沉积在受损的大脑中。这些结果表明，taVNS可能通过增加血管中GDF11的含量来促进卒中后的恢复(Ma et al., 2016)。
调节血脑屏障通透性
血脑屏障(BBB)的破坏和随后的脑水肿是脑卒中神经功能障碍的两个关键组成部分。它们与缺血性卒中期间和之后的不良临床结局相关(Cai et al., 2014)。卒中进展与血脑屏障破坏之间的显著关联已被证明。由于早期血脑屏障的通透性可以通过治疗逆转，因此VNS参与调节卒中后脑水肿是有意义的(Gaul et al.，2016)。
一项研究显示，在MCAO过程中使用taVNS可显著降低脑卒中后24 h DCE-MRI测得的缺血再灌注后血脑屏障的通透性。taVNS治疗半球缺血的大鼠，经MRI后免疫组化检测，血清IgG渗漏水平显著降低，与上述结果一致(Yang et al.，2018)。血脑屏障的完整性主要由封闭在紧密连接、星形细胞端足、周细胞和细胞外基质的内皮细胞来维持。在再灌注损伤中，蛋白酶参与了血脑屏障的双相开放。
已经提出了许多机制来解释紧密连接蛋白(tjp)的降解。基质金属蛋白酶(MMPs)是破坏tjp的降解酶，导致缺血性卒中期间血脑屏障中断。在缺血半球，taVNS抑制血脑屏障的破坏，这可以通过内皮细胞中TJP切割、ZO-1、occludin和claudin- 5的减少得到证明。此外，它还能保护微血管中的紧密连接蛋白不受破坏，并降低受损血管周围星形胶质细胞中MMP- 2/9的表达(Yang et al., 2018)。此外，taVNS可改善脑皮层微梗死后以及皮质发育不良和创伤性脑损伤大鼠血脑屏障的完整性，提示其可能对缺血性脑卒中后血脑屏障的影响。
抑制神经炎症
研究人员认为，VNS可能通过更广泛的迷走神经网络调节炎症(Yuan and Silberstein, 2016)。最近的研究表明，VNS可能作为一种神经调节剂，激活中枢神经系统(CNS)的某些固有的保护通路。VNS可通过传入纤维(激活HPA通路)和传出纤维(激活CAP通路)在多种疾病中发挥其抗炎特性。
抑制迷走神经系统可促炎细胞因子的释放。研究发现，VNS通过自主神经通路降低结肠炎大鼠血浆中TNFα、IL-1β、IL-6和MPO的水平(Sun et al.， 2013)。已有动物和临床研究探索nVNS治疗炎症的疗效。一项研究发现，taVNS减少了小鼠IL-6和TNF-α的释放，并预防了内毒素血症(Hong et al., 2019)。Lerman等人(2016)发现，tcVNS降低了健康人群血液中细胞因子和趋化因子的水平。同时，据Clancy et al.(2014)报道，taVNS降低了健康人的交感神经活动。
通过α -7烟碱乙酰胆碱受体(α7nAChRs)，中枢免疫激活(如巨噬细胞积聚和小胶质细胞激活)可以影响乙酰胆碱水平并产生抗炎作用(Kalkman and Feuerbach, 2016)。Wang et al.(2003)指出，α7nAChR亚基是CAP限制细胞因子产生所必需的。α7nAChR诱导胆碱能抗炎反应。当迷走神经受到刺激时，会释放乙酰胆碱，通过α7nAChR抑制活化的巨噬细胞和其他产生细胞因子的细胞的抗炎途径。最后，TNF和其他在炎症中发挥作用的促炎细胞因子被抑制(Kalkman and Feuerbach, 2016)。最近的研究也发现taVNS在外周和中枢神经系统都有抗炎作用，这是通过α7nAChRs介导的(Kalkman and Feuerbach, 2016)。taVNS也有报道通过抗炎机制对缺血性脑损伤具有神经保护作用(Li et al., 2020b)。
小胶质细胞是驻留在中枢神经系统的巨噬细胞，执行多种任务，如突触重塑、吞噬凋亡细胞和神经元兴奋性调节(Sasaki, 2017; Baig et al., 2022)。缺血触发静息小胶质细胞到M1表型，造成包括神经元和星形胶质细胞在内的功能神经细胞的损伤(Hu et al., 2012)。另一方面，激活M2表型的小胶质细胞可以通过产生IL-4和IL-10等抗炎细胞因子来阻断炎症过程(Hu et al., 2012; Liu et al., 2016; Zhao X.-P. et al., 2019)。因此，小胶质细胞M2极化可能成为脑I/R损伤后抗炎症的新靶点。Zhao X.-P. et al., (2019) 证明tcVNS通过促进小胶质细胞M2极化减轻脑缺血损伤。鼻内给药重组IL-17A可抑制tcVNS诱导的小胶质细胞M2极化及其神经保护作用，提示tcVNS的作用可能是通过抑制IL-17A信号通路实现的。tcVNS通过减少Iba-1、CD68和TNF-α阳性细胞数量和增加HMGB1阳性细胞数量，抑制小胶质细胞活化，并使MCAO后改变的细胞因子水平恢复正常 (Ay et al., 2016)。这些发现强调了抗炎机制在nVNS的缺血性神经保护中发挥重要作用。
促进卒中后轴突可塑性
轴突可塑性在脑卒中后神经功能恢复中起着重要作用。缺血性卒中后数天至数周内发生的神经功能恢复似乎与轴突可塑性有关，包括轴突再生和重组(Liu et al., 2015; Bu et al., 2021)。taVNS增强了缺血皮质中α7nAchR的表达。taVNS处理的缺血大鼠表现出轴突可塑性(轴突再生和重组)的改善，并与BDNF/cAMP/PKA/p-CREB通路相关成员水平的升高相一致。因此，taVNS可以有效地促进I/R损伤后的脑轴突可塑性，同时促进神经功能恢复(Li et al., 2020b)。
减少扩散性去极化
扩散去极化(SDs)是一种突然和持续的灰质去极化，可以发生在各种大脑状态，从健康的脑组织，如偏头痛先兆，到缺血的大脑的不同区域，例如严重消耗能量的梗死核心及其周围中度缺血的组织(Dreier and Reiffurth, 2015)。SDs是由缺血性卒中后半暗区钠泵衰竭引起的，它们产生细胞毒性水肿、破坏血流、导致存活组织梗死，并影响神经元的生存和结局(Dreier, 2011; Rakers and Petzold, 2017; Dreier et al., 2018; Baig et al., 2022)。此外，它们被认为在缺血后期的离子性和血管源性水肿的发展中发挥作用(Dreier et al., 2018; Mestre et al., 2020)。因此，在脑卒中和其他急性神经系统疾病的实验模型和临床病例中，SDs是梗死进展、细胞死亡和损伤扩大的最重要贡献者之一(Lauritzen et al., 2011; Dreier and Reiffurth, 2015)。Lindemann等人(2020)发现，与VNS假手术相比，在永久性MCAO过程中给予nVNS或iVNS可显著降低梗死周围皮层SDs的频率，而不影响相对血流变化、血压、心率或呼吸频率。他们推测，nVNS或iVNS都可能是一种安全有效的干预措施，以减轻脑卒中SD波的临床负担。
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