《細胞》：拍案叫絕！MIT大牛團隊用高中物理知識實現無創深腦電刺激，將對帕金森等神經疾病治療產生非凡影響

科幻電影中的黑科技，腦洞之大和狂拽炫酷的程度都讓人印象深刻。作為一種想像，這些未來科技在滿足吃瓜群眾們視覺享受的同時，也引領者著人類未來科技的發展方向。

2014年初，麻省理工學院McGovern研究所的大腦認知科學和生物工程教授Edward Boyden博士，和眾多大神一起開了一場瘋狂的頭腦風暴。頭腦風暴的主題就是探討「人為刺激大腦神經元一切可能的方法」。

麻省理工媒體實驗室、麥戈文研究所的生物工程與大腦認知科學教授Ed Boyden

這群頂尖的科學家可能也是科幻電影看多了，一時間各種腦洞大開，討論結果幾乎涵蓋了自然界各種形式的能量，比如電場、磁場、超聲波、光波等，並且列了一個長長的清單！

不要以為科學家的頭腦風暴，和你看爆米花電影一樣，完了就完了。這群科學家還真的按照自己開的腦洞去嘗試了！

2016年12月，Edward Boyden博士和麻省理工神經學家Li-Huei Tsai領導的研究小組在《Nature》上發表了一項超級顛覆的研究[1]，並引起廣泛關注。文章指出，利用特殊頻率的LED燈，能夠大大減少阿爾茲海默症小鼠大腦中的β澱粉樣蛋白！當時奇點糕幾乎是顫抖著雙手對此做了報道：MIT神經學大牛關於阿爾茨海默病的超級顛覆研究，簡直簡直簡直逆天了丨奇點猛科技

時隔半年之後，MIT的Edward S. Boyden博士、Li-Huei Tsai博士與貝斯以色列女執事醫療中心的科學家合作，再次將科幻級醫療黑科技帶入現實。就在本月初，《Cell》雜誌刊登了他們團隊的又一項重大技術成果[2]，通過兩個外置電極發出的高頻電流，在大腦深部特定位置產生的「干涉」，實現無創深腦電刺激，有效地激活神經元活動，甚至可以干預小鼠的行為反應！

關鍵是該技術完全無創！並且精準！而且有效！成本和便捷性更不用說！

麻省理工學院神經學家Li-Huei Tsai博士

其實近幾十年來，通過物理手段刺激大腦神經元來修復神經功能障礙，已經吸引了眾多科學家的廣泛興趣。也一直有研究人員嘗試使用電流刺激大腦，進行治療各種疾病、恢復和提升機體功能等。

我們知道神經元之間的通信其實就是一個個的電信號，並且該活動可以被外部電脈衝人工激發或中斷[3]。電刺激療法的理念就是人為地干預腦部的神經電路，從而恢復或改善由這些特定神經元控制的機體功能或行為，然而，想要做到這一點並非易事。

目前最先進和最精確的深腦電刺激（Deep Brain Stimulation）療法，於1987年建立起來，是通過手術在大腦特定區域植入電極，從而達到治療的目的。1997年FDA核准在帕金森病患者身上使用深腦電刺激治療，並有證據證明該技術可以改善強迫症的癥狀[4]，也有研究人員嘗試使用來治療其他疾病如抑鬱症和癲癇[5]。但是，在非致命疾病的情況下為了放入電極而進行開顱手術，怎麼看都不是一個明智的選擇[6]。

需要植入電極的深部腦刺激療法

當然也有非侵入性的技術，比如經顱磁刺激（TMS）[7]和經顱直流電刺激（tDCS）[8]。經顱磁刺激已經被FDA批准用於治療抑鬱症，但該技術難以作用於大腦深層區域。而經顱直流電刺激就是將電極置於頭皮上，微弱的直流電會通過大腦。有一些研究人員、公司甚至個人愛好者也在嘗試使用這種方法來治療疾病和提高創造力、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迴路。

一節9伏電池、幾根電線和一對電極構成的tDCS裝置

麻省理工的研究團隊想要尋找一種既不需要做手術，又能干預大腦深部特定神經元的方法。萬萬沒想到，這次他們利用高中生都知道的物理知識做到了！（並不比LED燈複雜多少啊）

由於神經元通常不響應高頻電信號，但是會對低頻電信號產生響應[3]。因此研究人員假設，如果他們向大腦深部靶向發射兩個不同頻率的高頻電信號，那麼這兩個信號將能夠順利穿過大腦表層組織，當信號在目標處發生「干涉」時，高頻信號被抵消，就會產生想要的低頻電信號。

兩個高頻電信號在大腦深部相互干擾，產生低頻電信號

研究人員將這個現象稱之為Temporal Interference（TI）。舉例來看，加入放置於頭皮之上的電極朝著大腦深部發射兩個高頻信號（一個2000Hz，另一個2010 Hz），當這兩個高頻信號在目標區域相互干擾時，就發生了類似於光波干涉的現象，產生一個10Hz的電流信號，而這個低頻電流便可以驅動神經元的電活動。

重要的是，計算機模型和組織模型測試結果顯示，通過調整電極的位置和發射電流的頻率，研究人員可以輕鬆控制作用靶點的範圍大小和位置。

理論上看起來沒毛病，實驗室的研究人員便開始在小鼠身上進行活體測試。在小鼠實驗中，研究人員使用稱為c-fos標記的檢測技術記錄神經元活動，結果顯示，該技術可以精確刺激小區域內的大腦深部結構，比如海馬體，並且不會對大腦皮層造成任何影響。

顯示由新技術激活的海馬體細胞的腦切片（底部圖像，左側較淺的綠色區域）

而當研究人員將刺激目標移動到大腦運動皮層時，電極發出的電信號引起了小鼠四肢、耳朵和鬍鬚的抖動！

「結果表明，我們可以非常精確地瞄準大腦區域，不僅激活神經元電活動，而且能夠引發行為反應。」論文的主要作者Tsai博士表示[9]，「我認為這是非常令人興奮的，因為帕金森病和其他運動障礙似乎源自一個非常特定的大腦區域，如果我們瞄準了這個區域，那麼就有希望扭轉它。」

研究人員最後還驗證了該技術的安全性，TI刺激清醒的小鼠大腦並沒有引起溫度的增加、神經元或DNA的損傷，也沒有引發機體的免疫反應。

Boyden坦言，與植入電極相比，目前該技術靶向的大腦區域還不夠精確。「但是我想我們可以利用數學和工程學知識來進一步改進。」 Boyden和他的團隊計劃改進電極配置，包括電極數量和電流頻率，而且他們已經開始規劃在人類志願者身上進行測試。

沒有參與該研究的牛津大學神經外科教授Tipu Aziz表示，「我看到了在未來，這種技術可能作為非侵入性深部腦刺激的一種攜帶型療法，治療更多的病症。」

論文第一作者Nir Grossman博士說，「這只是一個開始，還有更多的工作要做，但這項成果是一個里程碑。」

可以想像，隨著醫療技術的不斷發展和成熟，也許會有更多像《星際迷航》醫療官Bones手中的各種黑科技會出現在現實生活中。

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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