去年年底，麻省理工學院(MIT)的神經科學家蔡立慧(Li-Huei Tsai)領導的研究小組在Nature上發(fā)表的一項研究引起廣泛關注，他們利用特定頻率閃爍的LED燈，大大減少了阿爾茨海默病模型小鼠大腦中的β-淀粉樣蛋白斑，這種無創(chuàng)、容易開展的方法為阿爾茨海默病的治療開辟了一個新方向。近日，該研究小組與MIT的同事和貝斯以色列女執(zhí)事醫(yī)療中心(BIDMC)的研究人員合作，在Cell上又發(fā)表了一項可能用于治療帕金森病等神經疾病的無創(chuàng)治療方法，不過，這一次他們不是用“光”，而是用“電”。
深部腦刺激(Deep brain stimulation，DBS)是一種在腦內特定靶點植入電極進行電刺激，從而達到治療目的一種新方法。比如，對下丘腦核的刺激，可以用來治療帕金森病。但是，這種方法需要打開顱骨并植入電極，這可能引起一些并發(fā)癥，對患者而言是一項存在風險的復雜手術。
深部腦刺激需在大腦內植入電極
有沒有什么方法能夠非侵入式地進行深部腦刺激呢?
MIT和BIDMC的研究人員合作，提出了一種新方法——通過放在頭皮上的電極就能刺激大腦深處的區(qū)域。這種方法可以降低深部腦刺激的風險和成本，更易于患者使用。此外，除了帕金森病，醫(yī)生也用深部腦刺激治療一些強迫癥，癲癇和抑郁癥等腦部疾病。研究人員表示，新的無創(chuàng)方法可以使深部腦刺激更適用于治療其他疾病。
深部腦刺激用于治療帕金森病時，電極通常放置在大腦深部的下丘腦核內，這是一個位于丘腦下方的晶狀體結構。對許多帕金森病患者而言，在該腦區(qū)傳遞電脈沖可以改善癥狀，但植入電極的手術會帶來腦出血和感染等風險。
一些研究人員試圖使用經顱磁刺激(TMS，該技術被FDA批準用于治療抑郁癥)等技術無創(chuàng)刺激大腦。由于TMS是非侵入性的，它也被用于正常的人類受試者以研究認知、情感、感覺和運動的基礎科學。然而，使用TMS刺激深部腦結構也可能導致表面區(qū)域被強烈刺激，多個大腦網絡的被調整。
兩種頻率略有差異的高頻電流在大腦深部相互抵消，產生一段低頻電流 圖片來源：Cell
高頻電流在大腦深部相互作用驅動神經元
研究人員利用一種名為temporal interference的現象，通過放置在頭皮上的電極，向大腦深處傳遞電刺激。這種方法讓置于腦外的電極產生兩個高頻電流。這些電流頻率太高以至于無法驅動神經元。但是，這些電流能夠相互干擾，當它們在腦部深處相交時，就能在神經元內部產生一小段低頻電流。這種低頻電流可以驅動神經元的電活動，而高頻電流沒有影響經過的周圍組織。
通過調整這些電流的頻率并改變電極的數量和位置，研究人員可以控制接收低頻刺激的腦組織的大小和位置。他們可以瞄準大腦深處的位置，而不影響任何周圍的腦結構。他們也可以通過改變電流來引導刺激的位置而無需移動電極。通過這種方式刺激大腦深部的靶點，既能夠用于治療，又能幫助基礎科學研究。
本研究的通訊作者，MIT媒體實驗室和McGovern腦研究所的成員 Edward S. Boyden說：“你可以繞過上層神經元直達深層靶點，不過目前空間分辨率還比不上深部腦刺激。”
刺激大腦深部激發(fā)動物行為
MIT皮考爾學習與記憶研究所所長蔡立慧以及她實驗室的研究人員在小鼠中測試了這種技術，發(fā)現他們能夠刺激大腦深處的小區(qū)域，包括海馬。他們也能夠轉移刺激部位，激活運動皮層的不同區(qū)域，并誘發(fā)小鼠運動其四肢，耳朵或胡須。
“我們可以非常精確地瞄準一個大腦區(qū)域，不僅僅是引發(fā)神經元激活，而且是行為反應，” 蔡立慧表示，“我認為這是非常令人興奮的，因為帕金森病和其他運動障礙似乎源自一個非常特定的大腦區(qū)域，如果你能夠瞄準靶點，就有可能扭轉它。”
在海馬實驗中，這種刺激方法能夠成功繞開位于顱骨表面的電極和腦內的靶點之間的皮層區(qū)域。并且，大腦的其他部位也沒有受到任何有害影響。
去年，蔡立慧的研究小組使用LED光誘導特定頻率的腦電波從而大大減少小鼠腦中β淀粉樣斑塊。她現在計劃探索這種類型的電刺激是否也能夠產生一種類似的有益腦電波。
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