《细胞》：拍案叫绝！MIT大牛团队用高中物理知识实现无创深脑电刺激，将对帕金森等神经疾病治疗产生非凡影响

科幻电影中的黑科技，脑洞之大和狂拽炫酷的程度都让人印象深刻。作为一种想象，这些未来科技在满足吃瓜群众们视觉享受的同时，也引领者着人类未来科技的发展方向。

2014年初，麻省理工学院McGovern研究所的大脑认知科学和生物工程教授Edward Boyden博士，和众多大神一起开了一场疯狂的头脑风暴。头脑风暴的主题就是探讨“人为刺激大脑神经元一切可能的方法”。

这群顶尖的科学家可能也是科幻电影看多了，一时间各种脑洞大开，讨论结果几乎涵盖了自然界各种形式的能量，比如电场、磁场、超声波、光波等，并且列了一个长长的清单！

不要以为科学家的头脑风暴，和你看爆米花电影一样，完了就完了。这群科学家还真的按照自己开的脑洞去尝试了！

2016年12月，Edward Boyden博士和麻省理工神经学家Li-Huei Tsai领导的研究小组在《Nature》上发表了一项超级颠覆的研究[1]，并引起广泛关注。文章指出，利用特殊频率的LED灯，能够大大减少阿尔兹海默症小鼠大脑中的β淀粉样蛋白！

时隔半年之后，MIT的Edward S. Boyden博士、Li-Huei Tsai博士与贝斯以色列女执事医疗中心的科学家合作，再次将科幻级医疗黑科技带入现实。就在本月初，《Cell》杂志刊登了他们团队的又一项重大技术成果[2]，通过两个外置电极发出的高频电流，在大脑深部特定位置产生的“干涉”，实现无创深脑电刺激，有效地激活神经元活动，甚至可以干预小鼠的行为反应！

关键是该技术完全无创！并且精准！而且有效！成本和便捷性更不用说！

其实近几十年来，通过物理手段刺激大脑神经元来修复神经功能障碍，已经吸引了众多科学家的广泛兴趣。也一直有研究人员尝试使用电流刺激大脑，进行治疗各种疾病、恢复和提升机体功能等。

我们知道神经元之间的通信其实就是一个个的电信号，并且该活动可以被外部电脉冲人工激发或中断[3]。电刺激疗法的理念就是人为地干预脑部的神经电路，从而恢复或改善由这些特定神经元控制的机体功能或行为，然而，想要做到这一点并非易事。

目前最先进和最精确的深脑电刺激（Deep Brain Stimulation）疗法，于1987年建立起来，是通过手术在大脑特定区域植入电极，从而达到治疗的目的。1997年FDA核准在帕金森病患者身上使用深脑电刺激治疗，并有证据证明该技术可以改善强迫症的症状[4]，也有研究人员尝试使用来治疗其他疾病如抑郁症和癫痫[5]。但是，在非致命疾病的情况下为了放入电极而进行开颅手术，怎么看都不是一个明智的选择[6]。

需要植入电极的深部脑刺激疗法

当然也有非侵入性的技术，比如经颅磁刺激（TMS）[7]和经颅直流电刺激（tDCS）[8]。经颅磁刺激已经被FDA批准用于治疗抑郁症，但该技术难以作用于大脑深层区域。而经颅直流电刺激就是将电极置于头皮上，微弱的直流电会通过大脑。有一些研究人员、公司甚至个人爱好者也在尝试使用这种方法来治疗疾病和提高创造力、记忆力。但这种非侵入性方法缺乏特异性，效果同样仅仅是刺激了一些大脑表层的神经回路。

麻省理工的研究团队想要寻找一种既不需要做手术，又能干预大脑深部特定神经元的方法。万万没想到，这次他们利用高中生都知道的物理知识做到了！（并不比LED灯复杂多少啊）

由于神经元通常不响应高频电信号，但是会对低频电信号产生响应[3]。因此研究人员假设，如果他们向大脑深部靶向发射两个不同频率的高频电信号，那么这两个信号将能够顺利穿过大脑表层组织，当信号在目标处发生“干涉”时，高频信号被抵消，就会产生想要的低频电信号。

研究人员将这个现象称之为Temporal Interference（TI）。举例来看，加入放置于头皮之上的电极朝着大脑深部发射两个高频信号（一个2000Hz，另一个2010 Hz），当这两个高频信号在目标区域相互干扰时，就发生了类似于光波干涉的现象，产生一个10Hz的电流信号，而这个低频电流便可以驱动神经元的电活动。

重要的是，计算机模型和组织模型测试结果显示，通过调整电极的位置和发射电流的频率，研究人员可以轻松控制作用靶点的范围大小和位置。

理论上看起来没毛病，实验室的研究人员便开始在小鼠身上进行活体测试。在小鼠实验中，研究人员使用称为c-fos标记的检测技术记录神经元活动，结果显示，该技术可以精确刺激小区域内的大脑深部结构，比如海马体，并且不会对大脑皮层造成任何影响。

而当研究人员将刺激目标移动到大脑运动皮层时，电极发出的电信号引起了小鼠四肢、耳朵和胡须的抖动！

“结果表明，我们可以非常精确地瞄准大脑区域，不仅激活神经元电活动，而且能够引发行为反应。”论文的主要作者Tsai博士表示[9]，“我认为这是非常令人兴奋的，因为帕金森病和其他运动障碍似乎源自一个非常特定的大脑区域，如果我们瞄准了这个区域，那么就有希望扭转它。”

研究人员最后还验证了该技术的安全性，TI刺激清醒的小鼠大脑并没有引起温度的增加、神经元或DNA的损伤，也没有引发机体的免疫反应。

Boyden坦言，与植入电极相比，目前该技术靶向的大脑区域还不够精确。“但是我想我们可以利用数学和工程学知识来进一步改进。” Boyden和他的团队计划改进电极配置，包括电极数量和电流频率，而且他们已经开始规划在人类志愿者身上进行测试。

没有参与该研究的牛津大学神经外科教授Tipu Aziz表示，“我看到了在未来，这种技术可能作为非侵入性深部脑刺激的一种便携式疗法，治疗更多的病症。”

论文第一作者Nir Grossman博士说， “这只是一个开始，还有更多的工作要做，但这项成果是一个里程碑。”

可以想象，随着医疗技术的不断发展和成熟，也许会有更多像《星际迷航》医疗官Bones手中的各种黑科技会出现在现实生活中。

参考资料：

[1]Iaccarino HF， Singer AC， Martorell AJ， Rudenko A， Gao F， et al. 2016. Gamma frequency entrainment attenuates amyloid load and modifies microglia. Nature 540：230-5

[2] Grossman N, Bono D, Dedic N, et al. Noninvasive Deep Brain Stimulation via Temporally Interfering Electric Fields[J]. Cell, 2017, 169（6）： 1029-1041. e16.

[3]Hutcheon B, Yarom Y. Resonance, oscillation and the intrinsic frequency preferences of neurons[J]. Trends in neurosciences, 2000, 23（5）： 216-222.

[4] De Hemptinne C, Swann N C, Ostrem J L, et al. Therapeutic deep brain stimulation reduces cortical phase-amplitude coupling in Parkinson's disease[J]. Nature neuroscience, 2015, 18（5）： 779-786.

[5] Riva-Posse P, Choi K S, Holtzheimer P E, et al. A connectomic approach for subcallosal cingulate deep brain stimulation surgery: prospective targeting in treatment-resistant depression[J]. Molecular Psychiatry, 2017.

[6] Ezzyat Y, Kragel J E, Burke J F, et al. Direct brain stimulation modulates encoding states and memory performance in humans[J]. Current Biology, 2017, 27（9）： 1251-1258.

[7] Merrill D R, Bikson M, Jefferys J G R. Electrical stimulation of excitable tissue: design of efficacious and safe protocols[J]. Journal of neuroscience methods, 2005, 141（2）： 171-198.

[8] Allman C, Amadi U, Winkler A M, et al. Ipsilesional anodal tDCS enhances the functional benefits of rehabilitation in patients after stroke[J]. Science translational medicine, 2016, 8（330）： 330re1-330re1.

[9] https://www.media.mit.edu/posts/a-noninvasive-method-for-deep-brain-stimulation/

来源：奇点网   作者：王新凯