2014年初，麻省理工學(xué)院McGovern研究所的大腦認(rèn)知科學(xué)和生物工程教授Edward Boyden博士，和眾多大神一起開了一場(chǎng)瘋狂的頭腦風(fēng)暴。頭腦風(fēng)暴的主題就是探討“人為刺激大腦神經(jīng)元一切可能的方法”。
麻省理工媒體實(shí)驗(yàn)室、麥戈文研究所的生物工程與大腦認(rèn)知科學(xué)教授Ed Boyden
這群頂尖的科學(xué)家可能也是科幻電影看多了，一時(shí)間各種腦洞大開，討論結(jié)果幾乎涵蓋了自然界各種形式的能量，比如電場(chǎng)、磁場(chǎng)、超聲波、光波等，并且列了一個(gè)長長的清單！
不要以為科學(xué)家的頭腦風(fēng)暴，和你看爆米花電影一樣，完了就完了。這群科學(xué)家還真的按照自己開的腦洞去嘗試了！
時(shí)隔半年之后，MIT的Edward S. Boyden博士、Li-Huei Tsai博士與貝斯以色列女執(zhí)事醫(yī)療中心的科學(xué)家合作，再次將科幻級(jí)醫(yī)療黑科技帶入現(xiàn)實(shí)。就在本月初，《Cell》雜志刊登了他們團(tuán)隊(duì)的又一項(xiàng)重大技術(shù)成果[2]，通過兩個(gè)外置電極發(fā)出的高頻電流，在大腦深部特定位置產(chǎn)生的“干涉”，實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)深腦電刺激，有效地激活神經(jīng)元活動(dòng)，甚至可以干預(yù)小鼠的行為反應(yīng)！
關(guān)鍵是該技術(shù)完全無創(chuàng)！并且精準(zhǔn)！而且有效！成本和便捷性更不用說！
麻省理工學(xué)院神經(jīng)學(xué)家Li-Huei Tsai博士
其實(shí)近幾十年來，通過物理手段刺激大腦神經(jīng)元來修復(fù)神經(jīng)功能障礙，已經(jīng)吸引了眾多科學(xué)家的廣泛興趣。也一直有研究人員嘗試使用電流刺激大腦，進(jìn)行治療各種疾病、恢復(fù)和提升機(jī)體功能等。
我們知道神經(jīng)元之間的通信其實(shí)就是一個(gè)個(gè)的電信號(hào)，并且該活動(dòng)可以被外部電脈沖人工激發(fā)或中斷[3]。電刺激療法的理念就是人為地干預(yù)腦部的神經(jīng)電路，從而恢復(fù)或改善由這些特定神經(jīng)元控制的機(jī)體功能或行為，然而，想要做到這一點(diǎn)并非易事。
目前最先進(jìn)和最精確的深腦電刺激（Deep Brain Stimulation）療法，于1987年建立起來，是通過手術(shù)在大腦特定區(qū)域植入電極，從而達(dá)到治療的目的。1997年FDA核準(zhǔn)在帕金森病患者身上使用深腦電刺激治療，并有證據(jù)證明該技術(shù)可以改善強(qiáng)迫癥的癥狀[4]，也有研究人員嘗試使用來治療其他疾病如抑郁癥和癲癇[5]。但是，在非致命疾病的情況下為了放入電極而進(jìn)行開顱手術(shù)，怎么看都不是一個(gè)明智的選擇[6]。
需要植入電極的深部腦刺激療法
當(dāng)然也有非侵入性的技術(shù)，比如經(jīng)顱磁刺激（TMS）[7]和經(jīng)顱直流電刺激（tDCS）[8]。經(jīng)顱磁刺激已經(jīng)被FDA批準(zhǔn)用于治療抑郁癥，但該技術(shù)難以作用于大腦深層區(qū)域。而經(jīng)顱直流電刺激就是將電極置于頭皮上，微弱的直流電會(huì)通過大腦。有一些研究人員、公司甚至個(gè)人愛好者也在嘗試使用這種方法來治療疾病和提高創(chuàng)造力、記憶力。但這種非侵入性方法缺乏特異性，效果同樣僅僅是刺激了一些大腦表層的神經(jīng)回路。
一節(jié)9伏電池、幾根電線和一對(duì)電極構(gòu)成的tDCS裝置
麻省理工的研究團(tuán)隊(duì)想要尋找一種既不需要做手術(shù)，又能干預(yù)大腦深部特定神經(jīng)元的方法。萬萬沒想到，這次他們利用高中生都知道的物理知識(shí)做到了?。ú⒉槐萀ED燈復(fù)雜多少啊）
由于神經(jīng)元通常不響應(yīng)高頻電信號(hào)，但是會(huì)對(duì)低頻電信號(hào)產(chǎn)生響應(yīng)[3]。因此研究人員假設(shè)，如果他們向大腦深部靶向發(fā)射兩個(gè)不同頻率的高頻電信號(hào)，那么這兩個(gè)信號(hào)將能夠順利穿過大腦表層組織，當(dāng)信號(hào)在目標(biāo)處發(fā)生“干涉”時(shí)，高頻信號(hào)被抵消，就會(huì)產(chǎn)生想要的低頻電信號(hào)。
兩個(gè)高頻電信號(hào)在大腦深部相互干擾，產(chǎn)生低頻電信號(hào)
研究人員將這個(gè)現(xiàn)象稱之為Temporal Interference（TI）。舉例來看，加入放置于頭皮之上的電極朝著大腦深部發(fā)射兩個(gè)高頻信號(hào)（一個(gè)2000Hz，另一個(gè)2010 Hz），當(dāng)這兩個(gè)高頻信號(hào)在目標(biāo)區(qū)域相互干擾時(shí)，就發(fā)生了類似于光波干涉的現(xiàn)象，產(chǎn)生一個(gè)10Hz的電流信號(hào)，而這個(gè)低頻電流便可以驅(qū)動(dòng)神經(jīng)元的電活動(dòng)。
重要的是，計(jì)算機(jī)模型和組織模型測(cè)試結(jié)果顯示，通過調(diào)整電極的位置和發(fā)射電流的頻率，研究人員可以輕松控制作用靶點(diǎn)的范圍大小和位置。
理論上看起來沒毛病，實(shí)驗(yàn)室的研究人員便開始在小鼠身上進(jìn)行活體測(cè)試。在小鼠實(shí)驗(yàn)中，研究人員使用稱為c-fos標(biāo)記的檢測(cè)技術(shù)記錄神經(jīng)元活動(dòng)，結(jié)果顯示，該技術(shù)可以精確刺激小區(qū)域內(nèi)的大腦深部結(jié)構(gòu)，比如海馬體，并且不會(huì)對(duì)大腦皮層造成任何影響。
顯示由新技術(shù)激活的海馬體細(xì)胞的腦切片（底部圖像，左側(cè)較淺的綠色區(qū)域）
而當(dāng)研究人員將刺激目標(biāo)移動(dòng)到大腦運(yùn)動(dòng)皮層時(shí)，電極發(fā)出的電信號(hào)引起了小鼠四肢、耳朵和胡須的抖動(dòng)！
“結(jié)果表明，我們可以非常精確地瞄準(zhǔn)大腦區(qū)域，不僅激活神經(jīng)元電活動(dòng)，而且能夠引發(fā)行為反應(yīng)?！?/strong>論文的主要作者Tsai博士表示[9]，“我認(rèn)為這是非常令人興奮的，因?yàn)榕两鹕『推渌\(yùn)動(dòng)障礙似乎源自一個(gè)非常特定的大腦區(qū)域，如果我們瞄準(zhǔn)了這個(gè)區(qū)域，那么就有希望扭轉(zhuǎn)它?！?/p> 研究人員最后還驗(yàn)證了該技術(shù)的安全性，TI刺激清醒的小鼠大腦并沒有引起溫度的增加、神經(jīng)元或DNA的損傷，也沒有引發(fā)機(jī)體的免疫反應(yīng)。 Boyden坦言，與植入電極相比，目前該技術(shù)靶向的大腦區(qū)域還不夠精確?！暗俏蚁胛覀兛梢岳脭?shù)學(xué)和工程學(xué)知識(shí)來進(jìn)一步改進(jìn)?！?Boyden和他的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃改進(jìn)電極配置，包括電極數(shù)量和電流頻率，而且他們已經(jīng)開始規(guī)劃在人類志愿者身上進(jìn)行測(cè)試。 沒有參與該研究的牛津大學(xué)神經(jīng)外科教授Tipu Aziz表示，“我看到了在未來，這種技術(shù)可能作為非侵入性深部腦刺激的一種便攜式療法，治療更多的病癥。” 論文第一作者Nir Grossman博士說， “這只是一個(gè)開始，還有更多的工作要做，但這項(xiàng)成果是一個(gè)里程碑?！?/strong> 可以想象，隨著醫(yī)療技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，也許會(huì)有更多像《星際迷航》醫(yī)療官Bones手中的各種黑科技會(huì)出現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)生活中。
參考資料：
[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/
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