无创深部干扰电刺激是未来无创神经调控研究的热度

发表在《Cell》期刊

本文章研究来源于：Noninvasive Deep Brain Stimulation via TemporallyInterfering Electric Fields,Graphical Abstract

脑功能障碍是造成许多疾病的主要原因。许多神经和精神疾病的临床表现常常是由于大脑中调节感觉、运动、认知和行为功能的回路出现问题而引起的。大脑中神经活动的失调或特定区域无法产生预期的和需要的输出导致了这些疾病症状的出现。

准确定位问题神经元素并调节其活动是一种日益重要的研究策略。尽管通过系统性给药的方法来改变神经活动是有效的，但是这样的方法会影响到大脑中所有的1000亿个神经元，这可能导致预期外的脱靶效应。因此，迫切需要新的方法来打破这种限制。Grossman等人最近描述了一种方法，用于来调节和重置异常或受干扰的神经活动。

刺激大脑的非药物策略已经得到了大量的研究支持。目前批准使用的方法包括迷走神经刺激研究癫痫、经颅磁刺激研究抑郁症、深部脑刺激研究帕金森病、特发性震颤、肌张力障碍和强迫症。这些干预措施的标准不同，包括要影响神经元位置、功效、副作用、成本、易用性和侵入性。颅外刺激的方法，如经颅直流电刺激和经颅磁刺激，具有非侵袭性的优势，但这些方法触及范围小，因此很难触及大脑深处的重要研究靶点。

Grossman等人采用了一种非侵入的实验方法，在不影响小鼠上皮层的前提下，对深部神经元进行干预。由于固有的生物物理特性，每个动作电位产生后都有一个不应期(约1 msec)限制神经元的活动，并导致它们无法放电。因此，神经元无法跟上非常高频率的电刺激(>1 kHz)。Grossman等人在啮齿动物大脑外的多个部位应用了高频振荡场。神经元不能产生如此高频率的动作电位。但是当研究人员应用两个高频字段不同,少数两个频率(例如,2.0 kHz和2.01 kHz)之间的干扰抵消了高频活动，出现一个对应两个频率差的干扰波，在这种情况下,生成一个低频率让神经元可以响应(图1)。通过控制的干扰波**振幅,研究人员激活了海马体深处的神经元，而不是位于刺激物和目标物之间路径上的细胞(如皮层)。

这项工作显示了对大脑深层目标进行无创性、空间精确刺激的可能性，同时适当覆盖需要的脑组织。因此，人们可以设想通过非侵入性手术达到深部目标(例如，丘脑下核或苍白球内段)，而无需打开颅骨。非侵入性方法与侵入性方法的风险降低和干预的相对简单可以极大地增加可能得到帮助的疾病者数量。该方法也可用于绘制大脑深部目标图，并进行测试刺激，以帮助预测损毁性手术(如丘脑切开术和大脑皮层切除术)和大脑深部刺激的结果。

同时，该技术也存在一些问题。首先，我们不知道电刺激的时间干扰是否可以扩展到人脑，人脑的体积大约是老鼠的1400倍。刺激路径中的神经元是否真的不受较大影响仍有待确定。此外，随着脑刺激技术的快速发展，替代方法也不远了。此外，就像经颅磁刺激需要持续几周每天到门诊才能达到效果一样，干扰电场的脑刺激需要专业人员持续使用专门的设备来进行。在某些情况下，如帕金森氏病，需要持续不断的刺激，但应用这种刺激往往具有挑战性。植入刺激电极和脉冲发生器的疾病者没有这些限制，可以一天24小时接受刺激，而且不需要坚持苛刻的方案。干扰电刺激的进一步发展有赖于建立该技术的常程耐用性和安全性指标，同时可行性和潜在研究价值的批判性评估也是有必要的。

图1.深部干扰电刺激

最近的实验证明，通过对两个频率略有不同的电场的外部应用，深部脑组织可以成为特定的目标。缩写f₀表示产生的**个振荡电场的频率(蓝色)。缩写f₀ +Δf表示第二个电场的频率(绿色),Δf表示的频率产生的电场是**和第二入射电场的叠加。大脑中的电场向量由彩色的曲线箭头表示。红色波表示两个场相互干扰的目标区域，该区域的频率为0.01 kHz。

内容来源于文献参考：

1. Noninvasive Deep Brain Stimulation via TemporallyInterfering Electric Fields,Graphical Abstract

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