Cell重磅：深度腦部刺激不再需要電極植入

葯明康德/報道

最近，麻省理工學院（MIT）的研究人員開發出一種深度激發大腦內部神經元的方法，而無需當前深度腦部刺激（deep brain stimulation）所需的植入裝置。在6月1 日發表於《細胞》雜誌的文章上，研究人員通過操控小鼠頭皮上的電極，讓它的耳朵、爪子和鬍鬚動起來。這種稱為時間干涉（temporal interference, TI）刺激的獨特技術為大腦研究開闢了新的道路。

目前的深度腦部刺激方法都需要將電極植入大腦。醫生通常會謹慎使用該手段，僅限於對帕金森病等嚴重疾病的侵入性治療。經顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation）和其他非侵入性技術刺激大腦表面區域的效果相當好，然而難以作用於大腦深層區域。

文章通訊作者Edward S. Boyden教授（圖片來源：MIT）

「真正的問題是，我們如何刺激大腦深部的目標，而不影響其周圍的區域，」Edward S. Boyden教授說道。

TI刺激利用了神經元的生物物理特性，後者使得它們只會響應低頻電信號而激發。由於這些特性，高頻電信號可以穿過大腦而不會激發很多的神經元。TI刺激就是通過將兩個或更多個高頻電信號發送到大腦深部的目標，這些信號會穿過大腦的外圍區域，直到它們相遇於目標部位，並發生相互干涉。使用時，人們可預先設定兩個頻率相差很小的信號及其相遇的位置，那裡的神經元將感受到低頻包絡電波（low-frequency envelope electrical wave）。

TI刺激讓小鼠大腦中的海馬體（亮綠）被激發（圖片來源：《細胞》）

例如，我們可以從小鼠頭部的一側發送一個4000Hz的電信號，從另一側發送一個4001Hz的信號，二者在大腦中特定部位的干涉將產生1Hz的包絡波，後者以其低頻恰可以激發神經元。

研究人員通過大腦物理模型計算機建模和活體小鼠試驗測試了TI刺激，並採用c-fos蛋白標記神經元的活動。他們最終證實，該電信號可激發大腦中的目標區域，而不是其外圍的區域。通過在3D空間內操控TI刺激的參數，研究人員還能讓小鼠的爪、鬍鬚和耳朵左右交替活動。

儘管取得了初步成功，研究人員不確定神經元在這裡如何運作的，也許神經元具有非線性和低通濾波器的性質。

「我們報告了一項生物物理學領域的新發現，神經元可以對高頻電場干涉形成的低頻包絡波進行響應，儘管我們其確切機制尚未確定，」Edward S. Boyden教授說道：「一種可能性是神經元會對多個電場進行非線性的響應，產生一個差異頻率的信號。然後，神經元的低通濾波特性使得神經元在那個低頻下被激發。當然，也可能有其他形式的神經元響應機制。」

TI刺激在腦內特定區域形成低頻包絡波（圖片來源：《細胞》）

此外，研究人員還在多次安全驗證試驗中證實了TI刺激不會損害腦組織、誘發癲癇或者導致熱腦細胞過熱。

相比之下，電刺激植入裝置可以比TI刺激更加集中地作用於特定腦部區域，且正是由於這一集中的特點可以治療某些病症。然而，其他一些疾病患者可能會受益於更加廣泛的深度腦部刺激，如中風、創傷性腦損傷和失憶症。

目前，研究者們計劃很快在人類志願者身上進行TI刺激研究。「人們使用非侵入性腦刺激來研究各種各樣的現象，從情緒、記憶到駕駛控制和信任，」 Edward S. Boyden教授說道：「現在，我們可以在大腦更深層的區域中進行這類研究。」

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！