Cell重磅：深度脑部刺激不再需要电极植入

药明康德/报道

最近，麻省理工学院（MIT）的研究人员开发出一种深度激发大脑内部神经元的方法，而无需当前 深度脑部刺激（deep brain stimulation） 所需的植入装置。在6月1 日发表于《细胞》杂志的文章上，研究人员通过操控小鼠头皮上的电极，让它的耳朵、爪子和胡须动起来。这种称为 时间干涉（temporal interference, TI） 刺激的独特技术为大脑研究开辟了新的道路。

目前的深度脑部刺激方法都需要将电极植入大脑。医生通常会谨慎使用该手段，仅限于对帕金森病等严重疾病的侵入性治疗。经颅磁刺激（transcranial magnetic stimulation）和其他非侵入性技术刺激大脑表面区域的效果相当好，然而难以作用于大脑深层区域。

▲ 文章通讯作者 Edward S. Boyden教授 （图片来源：MIT）

“真正的问题是，我们 如何刺激大脑深部的目标，而不影响其周围的区域 ，”Edward S. Boyden教授说道。

TI刺激利用了神经元的生物物理特性，后者使得它们只会响应低频电信号而激发。由于这些特性，高频电信号可以穿过大脑而不会激发很多的神经元。TI刺激就是通过 将两个或更多个高频电信号发送到大脑深部的目标，这些信号会穿过大脑的外围区域，直到它们相遇于目标部位，并发生相互干涉。 使用时，人们可预先设定两个频率相差很小的信号及其相遇的位置， 那里的神经元将感受到低频包络电波（low-frequency envelope electrical wave） 。

▲ TI刺激让小鼠大脑中的海马体（亮绿）被激发（图片来源：《细胞》）

例如，我们可以从小鼠头部的一侧发送一个4000Hz的电信号，从另一侧发送一个4001Hz的信号，二者在大脑中特定部位的干涉将产生1Hz的包络波，后者以其低频恰可以激发神经元。

研究人员通过大脑物理模型计算机建模和活体小鼠试验测试了TI刺激，并采用c-fos蛋白标记神经元的活动。他们最终证实，该电信号可激发大脑中的目标区域，而不是其外围的区域。通过在3D空间内操控TI刺激的参数，研究人员还能让小鼠的爪、胡须和耳朵左右交替活动。

尽管取得了初步成功，研究人员不确定神经元在这里如何运作的，也许神经元具有非线性和低通滤波器的性质。

“我们报告了一项生物物理学领域的新发现，神经元可以对高频电场干涉形成的低频包络波进行响应，尽管我们其确切机制尚未确定，”Edward S. Boyden教授说道：“一种可能性是神经元会对多个电场进行非线性的响应，产生一个差异频率的信号。然后，神经元的低通滤波特性使得神经元在那个低频下被激发。当然，也可能有其他形式的神经元响应机制。”

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