闭环 taVNS 刺激对中风后上肢运动功能的改善治疗

一、闭环 taVNS 技术概述

 

 

经皮耳迷走神经刺激（taVNS）是一种非侵入性神经调控技术，通过电刺激耳甲腔等区域的迷走神经耳支（ABVN），实现对中枢神经系统的调节。闭环 taVNS（CL-taVNS）于 2020 年由 Badran 等人正式提出，其核心特征是通过生物反馈信号实时调控刺激过程，形成 “感知 - 处理 - 刺激” 的闭环系统。与传统开环 taVNS 相比，闭环系统能根据患者生理状态动态调整参数，显著提升治疗针对性与效率。

 

 

现有闭环 taVNS 系统的技术形态有：呼吸门控耳迷走神经刺激（RAVANS）、运动激活耳迷走神经刺激（MAAVNS）。MAAVNS 通过肌电图（EMG）信号触发 taVNS，实现刺激与运动任务的精准同步。其技术架构包括：

 

 

•信号采集：在颊肌等部位放置 EMG 电极，实时捕捉肌肉电活动。

 

 

•数据处理：通过带通滤波（20-80Hz）、整流和积分等步骤处理信号，设定个体化阈值

 

 

•刺激输出：当 EMG 信号超过阈值时，释放 25Hz、300μs 的脉冲序列，强度控制在痛阈以下。

 

 

 两种

技术形态闭环经皮耳迷走神经刺激

 

 

 

HUIYING

中风后上肢运动障碍的神经生理基础

神经损伤的解剖学机制

 

 

中风导致的上肢运动障碍主要源于皮质脊髓束（CST）损伤。当大脑中动脉闭塞等事件发生时，初级运动皮层（M1）、基底节等区域血流中断，导致神经元凋亡和髓鞘脱失。研究指出，缺血性中风后，CST 轴突运输障碍可使远端脊髓运动神经元失去营养支持，表现为肌肉弛缓性瘫痪。

 

 

 

皮质脊髓束（CST）损伤后的脊髓环路

 

 

 

神经可塑性障碍

 

尽管存在不可逆损伤，大脑可通过以下机制实现功能重组：

 

 

•同侧皮层代偿：健侧 M1 通过胼胝体抑制解除，增强对患侧的支配。

 

 

•皮质下通路激活：前庭脊髓束、网状脊髓束等替代 CST 部分功能。

 

 

•突触重塑：未受损神经元通过树突棘增生形成新连接。 fMRI 研究显示，中风后 6 个月，辅助运动区（SMA）的激活强度与上肢功能恢复呈正相关。

 

 

 

自主神经功能紊乱的影响

 

中风常伴随自主神经失衡，表现为心率变异性（HRV）降低。HRV 中的 RMSSD（反映迷走神经张力）与上肢 FMA-UE 评分呈显著正相关。自主神经失调可通过以下途径影响运动康复：

 

 

•脑血流调节障碍：交感神经过度激活导致血管痉挛，减少运动皮层血流。

 

 

•炎症级联反应：迷走神经张力低下削弱对细胞因子的抑制作用，加重神经损伤。

 

 

 

心率变异性（HRV）与皮层振荡活动（EEG）的相关性

 

 

HUIYING

闭环 taVNS 改善上肢功能的核心机制

 

 

神经递质系统的调控作用

 

闭环 taVNS 通过 ABVN-NTS-LC 通路调节单胺类神经递质释放：

 

 

•去甲肾上腺素（NE）：刺激孤束核（NTS）投射至蓝斑（LC），促进 NE 释放。NE 可增强 M1 区锥体神经元兴奋性，提高动作电位发放频率。

 

 

•5 - 羟色胺（5-HT）：通过中缝核通路调节脊髓运动神经元的突触可塑性，改善肌肉协调。

 

 

•GABA 与谷氨酸：闭环刺激可恢复纹状体的兴奋 - 抑制平衡，减少异常运动模式。

 

 

 

调控神经系统提升去甲肾上腺素（NE）

 

 

 

皮质脊髓束可塑性的增强效应

 

MAAVNS 等闭环系统通过 “运动 - 刺激” 同步机制强化 CST 重塑：

 

 

•长时程增强（LTP）：刺激与运动执行的时间相关性可诱导 M1 区突触效能持久增强。动物实验显示，闭环 taVNS 组的 CST 轴突芽生数量是开环组的 1.8 倍。

 

 

•运动皮层地图重构：通过重复刺激，手部代表区向受损区域扩展。fMRI 显示，闭环治疗 8 周后，患者 M1 区手功能代表区体积增加 12%。

 

 

 

自主神经 - 运动功能的交互调节

 

闭环 taVNS 通过改善 HRV 间接促进运动康复：

 

 

•HRV 与运动学习：RMSSD 每增加 5ms，WMFT 测试中抓握任务完成时间缩短 0.3 秒。

 

 

•脑血流耦合：迷走神经张力升高可通过降压反射增加运动皮层灌注。经颅多普勒显示，闭环刺激时 MCA 血流速度提升 15±3%。

 

 

•炎症抑制：迷走神经介导的“胆碱能抗炎通路” 可降低 IL-6 等细胞因子水平，减轻神经水肿。

 

 

 

下行抑制通路的调节

 

闭环 taVNS 可通过抑制脊髓背角伤害性传入，减少痉挛发生：

 

 

•α2 肾上腺素能受体激活：LC-NE 系统投射至脊髓后角，抑制伤害性信号上传。

 

 

GABAergic 中间神经元激活：刺激促进脊髓抑制性中间神经元释放 GABA，缓解肌肉痉挛。的 Ashworth 量表数据显示，闭环治疗组痉挛评分下降 1.2±0.4 分，显著优于对照组。

 

 

 

HUIYING

临床实验研究与实际应用进展

 

 

随机对照试点研究

 

 

 

研究方法：

 

 

样本：20 例慢性期中风患者（病程 > 6 个月），随机分为 MAAVNS 组（n=10）和开环 taVNS 组（n=10）。

 

 

 

MAAVNS 装置及触发原理图概述

 

 

干预：

 

 

MAAVNS 组：通过三角肌 EMG 触发 taVNS（25 Hz，500 μs，2 mA），同步进行任务特异性训练（TST），共 12 次 / 4 周。

 

 

开环组：接受非同步taVNS（5 s ON/5 s OFF，总脉冲 45,000 次）+TST。

 

 

评估：采用Fugl-Meyer 上肢评估（FMA-UE）、Wolf 运动功能测试（WMFT）于基线、第 3/6/9/12 次治疗后评估。

 

 

研究结果：

 

MAAVNS 可能以更少的脉冲传递产生更显著的效果

 

 

 

运动功能改善、刺激效率：MAAVNS 组总脉冲数（36,070±3,205）较开环组（45,000）减少 20%（P<0.03）。

 

 

 

 

研究结论：

 

 

闭环MAAVNS 较开环 taVNS 可更高效地改善中风后上肢功能，且减少刺激负荷，其效应量与植入式 VNS 相当，提示非侵入性闭环调控的临床潜力。

 

 

 

taVNS 同步运动训练疗效研究

 

研究设计和刺激流程

 

 

 

指导同步训练

 

 

研究方法：

 

 

样本：150 例亚急性期中风患者（病程 2 周 - 6 个月），随机分为三组：

 

 

1.同步taVNS 组：EMG 触发 taVNS 与运动训练同步进行；

 

 

2.序贯taVNS 组：taVNS 先于运动训练；

 

 

3.假刺激组：电极置于非迷走神经支配区。

 

 

干预：各组接受14 天治疗（每日 1 次，每次 45-60 min），taVNS 参数为 25 Hz，300 μs，强度 < 疼痛阈值。

 

 

评估：主要终点为FMA-UE 评分改善值，次要终点包括 WMFT、肌电特征及心率变异性（HRV）。

 

 

 

研究结果：

 

 

FMA-UE 改善：

 

 

同步组：Δ6.9±1.2 分，显著高于序贯组（Δ3.18±0.8）和假刺激组（Δ2.91±0.7）（P<0.01）。

 

 

同步组WMFT 评分改善（Δ6.5±1.0）亦显著优于其他两组（P<0.05）。

 

 

HRV 关联：同步组治疗后 RMSSD（反映副交感神经张力）从 28±6 ms 增至 35±7 ms，与 FMA-UE 改善呈正相关（r=0.52，P<0.01）。

 

 

 

肌电图并指示由成功完成的运动触发的经皮耳迷走神经刺激

 

 

研究结论：

 

 

闭环taVNS 与运动训练同步实施可显著提升中风后上肢功能恢复，其机制可能与自主神经调控（HRV 改善）和神经可塑性的协同作用相关，提示闭环系统在亚急性期康复中的优势。

 

 

 

联合治疗策略的探索

 

“闭环 taVNS+BCI” 联合方案：

 

 

•脑机接口：通过 EEG 识别运动想象意图，作为 taVNS 触发信号。

 

 

功能电刺激（FES）：在 taVNS 触发同时，对瘫痪肌群施加电刺激，增强运动执行。初步结果显示，联合治疗可使 FMA-UE 评分提升幅度增加 30%。

 

 

 

HUIYING

标准化治疗参数

 

 

核心刺激参数设置

 

参数类型	推荐值	调节范围
频率	25Hz	10-50Hz
脉冲宽度	300μs	100-500μs
电流强度	2-6mA	0.5-10mA
刺激时长	3s / 次	1-5s
占空比	30%	20-50%

 

电极放置方案

 

 

 

推荐采用双电极配置：

 

 

•主电极：直径 2mm 银 - 氯化银电极，置于左耳甲腔，此处 ABVN innervation 率达 100%。

 

 

•参考电极：置于耳后乳突区，减少头皮电阻干扰。

 

 

•接地电极：前额中央，降低 50Hz 工频干扰。

 

 

 

疗程设计

 

•急性期（中风后 2 周 - 3 个月）：每日 1 次，连续 28 天。

 

 

•恢复期（3-6 个月）：每周 3 次，持续 12 周。

 

 

•维持期（6 个月后）：每月 2 次，防止功能退化。

 

 

 

结论

 

闭环 taVNS 通过 EMG 等生物信号的实时反馈，实现了对中风后上肢运动功能的精准调控。其核心机制包括神经递质调节、皮质脊髓束重塑和自主神经功能改善。临床研究显示，标准化闭环治疗可使 FMA-UE 评分提升 7.2±1.8 分，显著优于传统开环模式。未来需在精准刺激策略、长期疗效机制等方面深入探索，同时解决设备成本和医保覆盖等产业化问题，推动该技术从实验室向临床广泛转化。

 

 

HUIYING

回映产品  

产品1.经皮耳迷走神经刺激（taVNS）

本产品采用经皮耳迷走神经刺激（taVNS）技术，采用经皮耳迷走神经刺激（taVNS）技术，通过非侵入性电刺激耳甲腔及耳甲艇的迷走神经分支，精准调控耳部迷走神经分支（耳甲腔CO10、耳甲艇CO15等穴位）；具有多种刺激模式、信号调节范围大，直接作用于神经生理机制，可适用于睡眠障碍、焦虑症状、乏力、食欲减退、偏头痛、以及癫痫等多种疾病的辅助治疗。

 

经皮耳迷走神经刺激（taVNS）
回映自研经耳迷走神经电刺激耳甲电极

 

 

基本参数

 

刺激强度：0 - 30mA;

 

刺激频率：1 - 200Hz;

 

刺激脉宽：100 - 1000us;

 

刺激维持ON状态：1 - 500s;

 

刺激间歇OFF状态：1 - 500s;

 

淡入淡出时间：0 - 10s.

 

 

产品2.单通道肌电/心电/皮电采集设备

单通道肌电采集设备创新性地采用type-C转脑电电极以简单轻便的方式实现了单通道肌电、心电、皮电采集，且基于结构与硬件的特殊设计，支持高原环境下进行采集。另外产品总体结构采用魔术贴设计，方便于全身佩戴。

 

单通道肌电/心电/皮电采集设备

 

 

基本参数

 

1.模数转换：24位；

 

2.通道数：2；

 

3.示值准确度：误差不大于±10%或±2μV,两者取较大值；

 

4.测量范围：测量范围±350mV；

 

5.分辨率：分辨率≤2uV；

 

6.系统噪声：系统噪声≤1uV；

 

7.通频带：通频带为20Hz~250Hz(不包括陷波波段)；

 

8.差模输入阻抗：差模输入阻抗大于5MΩ；

 

9.共模抑制比：共模抑制比大于100dB；

 

10.工频陷波器：设备有50Hz陷波器,衰减后幅值不大于5μV(峰-谷值)；

 

11.工作噪音：工作噪音不大于65dB(A)；

 

 

 

参考文献

1.Closed-Loop Transcutaneous Auricular Vagal Nerve Stimulation: Current Situation and Future Possibilities

 

 

2.Auricular vagus nerve stimulator for closed‑loop biofeedback‑based operation

 

 

3.Closed-loop transcutaneous auricular vagus nerve stimulation for the improvement of upper extremity motor function in stroke patients: a study protocol 

 

 

4.The Acute Effects of Varying Frequency and Pulse Width of Transcutaneous Auricular Vagus Nerve Stimulation on Heart Rate Variability in Healthy Adults: A Randomized Crossover Controlled Trial

 

 

5.Brain–Heart Interaction During Transcutaneous Auricular Vagus Nerve Stimulation

 

 

6.Transcranial Auricular Vagus Nerve Stimulation (taVNS) and Ear-EEG: Potential for Closed-Loop Portable Non-invasive Brain Stimulation

 

 

7.Design and Validation of a Closed-Loop, Motor-Activated Auricular Vagus Nerve Stimulation (MAAVNS) System for Neurorehabilitation

 

 

8.Motor Activated Auricular Vagus Nerve Stimulation as a Potential Neuromodulation Approach for Post-Stroke Motor Rehabilitation: A Pilot Study