头皮电极疗法可以帮助脑部疾病患者

来源：麻省理工学院

概要：

研究人员开发出了一种利用放置在头皮上的电极刺激大脑深处的新手段。这种方法可用于对脑部疾病患者进行无创深部脑刺激。

用电流刺激参与运动控制的大脑部分已被证明成功地治疗了许多帕金森病患者。这种被称为深部脑刺激的方法需要将电极植入大脑中，这是一个对患者有一定风险的复杂手术。

现在，麻省理工学院的研究人员与Beth Israel Deaconess医疗中心（BIDMC）和IT'IS基金会的调查人员合作，提出了一种可以利用置于头皮上的电极刺激大脑深层区域的方法。这种方法可以无创刺激大脑深层区域，风险更低，成本更低，并且更易于患者使用。

麻省理工生物工程脑、大脑与认知科学副教授，6月1日在《细胞》杂志上发表了文章的高级作者Ed Boyden说：“传统的深部脑刺激需要打开颅骨并植入电极，这可能会引发并发症;其次只有少数医生可以做这种神经外科手术。”

医生也利用深层脑刺激治疗一部分强迫症、癫痫和抑郁症患者，并正在探索使用它来治疗其他疾病如自闭症的可能性。研究人员说，新的非侵入性方法使运用深层脑刺激治疗其他疾病变得更加容易。

曾在麻省理工学院和BIDMC工作的前惠康信托麻省理工学院博士后，现伦敦帝国学院的研究员Nir Grossman表示：“凭借非侵入性刺激大脑结构的技术，希望可以有助于我们发现治疗脑部疾病的新靶点。”

深层定位

用于治疗帕金森病的电极通常放置在下丘脑核内，这是一个深入脑内的位于丘脑下方的晶状体结构。对于许多帕金森病患者，在这个脑区域发射电脉冲可以改善症状，但植入电极的手术会带来风险，包括脑出血和感染。

其他研究人员试图用诸如经批准用于治疗抑郁症的经颅磁刺激（TMS）等技术无创刺激大脑。由于TMS是非侵入性的，它也被用于正常的人类受试者以研究认知、情感、感觉和运动的基本科学。然而，使用TMS刺激深部脑结构也可能导致表面区域被强烈刺激，导致多个脑网络的调制。

麻省理工学院的小组设计了一种利用被称为时间干扰的现象，通过放置在头皮上的电极，在大脑深处传递电刺激的方式。

这一策略需要利用置于大脑外的电极产生两种高频电流。这些电场速度太快，无法驱动神经元。然而，这些电流会相互干扰，使它们在大脑深处相互交叉，在神经元内部产生了一个低频电流的小区域。这种低频电流可以用来驱动神经元的电活动，而高频电流通过周围的组织却没有效果。

通过调整这些电流的频率并改变电极的数量和位置，研究人员可以控制接收低频刺激的脑组织的范围和位置。他们可以瞄准大脑深处的位置，而不影响任何周围的脑结构。他们也可以通过改变电流来引导刺激的位置而不移动电极。通过这种方式可以刺激深层次的目标，既可用于治疗用途，又可用于基础科学研究。

麻省理工学院媒体实验室和McGovern脑研究所的成员Boyden说：“你可以去寻找深层目标，并避免多余的神经元，尽管空间分辨率还不如深脑刺激那么好。”

目标刺激

麻省理工学院Picower学习与记忆研究所所长Li-Huei Tsai的实验室研究人员在小鼠中测试了这种技术，发现他们可以刺激大脑深处包括海马在内的小区域。他们也能够转移刺激部位，使它们激活运动皮质的不同部位并控制小鼠移动其四肢，耳朵或胡须。

“我们发现，我们可以精确地定位一个大脑区域，不仅能引起神经元的激活，还能引起行为反应，”论文作者Tsai表示，“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起源于大脑的某个特定区域，如果你能把它作为目标，那么你就有可能逆转它。”

值得注意的是，在海马体实验中，这项技术并没有激活位于颅骨上的电极和大脑深处的目标之间的大脑皮层神经元。研究人员还发现，大脑的任何部位都没有产生有害的影响。

去年，Tsai表示，使用光线可视地诱导特定频率的脑电波可以大大减少老鼠脑中出现在阿尔茨海默病中发现的β淀粉样斑块。她现在正计划探讨这种类型的电刺激是否可以提供一种新的方式来产生相同类型的有益脑电波。