【独家深度】令人震撼的大脑修复技术
大多数精神病学家认为，精神疾病亟待新的疗法。现有药物对大脑疾病常常无效，或引发棘手的副作用，原因之一是，药物改变的不只是病变区域，而是整个大脑的化学过程，从而影响了其他健康神经元的行为。神经外科医生开始将先进的电极阵列植入患者大脑，藉以治疗最棘手的精神障碍。
强迫症患者通常淋浴要3个小时，清洁台面要8 个小时。即使知道约见时刻已到，他们仍会待在水盆边无休止地洗手，直到来人找到他们。约有250万美国成年人患有强迫症，治疗方法是服用药物（氟伏沙明，安那芬尼，百忧解等），或认知行为疗法。当所有这些疗法都无济于事，他们或许最终会来到马萨诸塞州总医院神经外科的手术台。该院教授，神经外科主任医生Emad Eskandar过去15年里掌握和完善了这种疾病又一种疗法 — —深部脑电刺激(DBS)。
手术开始，Eskandar在病人头颅骨顶部钻硬币大小的2个洞，将42 厘米长的电极插进大脑灰质7厘米。通常二三天后，他再在患者胸部或腹部的皮下做个袋囊，在里面植入装有电池和脉冲发生器的装置，与颅骨上的电线与电极连接。电极开通后，装置发出电流，刺激神经纤维，把与激励相关的信息从原脑区传到额叶。50%的情况下，Eskandar会创造奇迹：症状减弱，然后消失。
手术听起来很极端，但从某方面说他的强迫症患者却是幸运的。数以百万计的美国人患有其他精神疾病，如抑郁症、创伤后应激障碍、精神分裂症、边缘型人格障碍或创伤性脑损伤，他们还没有这种经FDA 最后批准的疗法。
但这一切行将改变。
主治外科医生Emad Eskandar在研究病人大脑CT扫描图，确定在何处放置电极
近二十年来，脑深部电刺激一直用于治疗重症帕金森患者(2009年以来也治疗了少数的强迫症患者)。多达12.5万人戴着植入大脑的电极生活。
作为奥巴马总统“大脑计划”的一部分，Eskandar参与带领一组医生、科学家、工程师，在为期五年中的第一年，3000万美元的项目用于以深部脑电刺激法治疗重症精神疾病，这些疾病大部分在当前医学界被认为太复杂而神秘。
精神分裂症、创伤后应激障碍和抑郁症的特点是，大脑不可预知的变化导致间歇性发作。驯服它们需要一种不仅能刺激大脑，而且能实时监测大脑活动，检测异常状态的新装置。这方面，在许多情况下，神经科学家尚力有未逮。
Eskandar与他在麻省总医院的合作者Darin Dougherty，必须查明这些病患者与健康人的大脑有何区别，弄清楚什么样的电刺激模式可治疗这些问题。“我们所设定的寻求目标是极具野心的，”他说。
在位于波士顿的查理斯河对岸的Draper实验室，工程师们正与Eskandar密切合作，开发所需的硬件。他们创立了一个深部脑电刺激系统模块，能够记录从大脑深处到表层的数百个位置的信号。该装置使用模式识别软件，来检测与精神病态相关的异常活动，然后刺激相应的大脑区域。Draper的工程师正在将该装置微型化。他们希望在2016年开始用于人类检测。
大多数精神病学家认为，精神疾病亟待新的疗法。现有药物对大脑疾病常常无效，或引发棘手的副作用，原因之一是，药物改变的不只是病变区域，而是整个大脑的化学过程，从而影响了其他健康神经元的行为。
而利用电刺激，医生可以针对各个独立的神经元，将治疗限定在出问题的单个小区域。“深部脑电刺激法让我们得以深入已知与某种病症相关的神经回路，施行刺激，以我们需要的方式放电或不放电。就精准性而言，深部脑电刺激与药物的区别是白昼与暗夜的区别。”精神病学家Dougherty说，他与Eskandar一起领导麻省总医院的神经病治疗部门，那是美国最繁忙的精神外科治疗中心。
以这种方式治疗大脑疾病，外科医生需要认准发病的神经回路——迄今在很多情况下还做不到这一步。虽然神经科学家对于神经回路如何组织和运转已了解甚多，却很少能观察这些回路的实时运作。但Eskandar和Dougherty说，他们正在设计和测试的技术将开启这种可能性。他们相信，持续地同时记录多个神经元片，将可以转变我们对不同类型精神疾病的定义和理解的方式——更重要的是，最终将得出更有效的治疗方法。
平息风浪
EmadEmad Eskandar和他的研究小组制备的金属装置，称为CRW定位头架，它有助于引导手术过程
自古以来医生就试验用电治疗脑障碍，有时甚至用鳐鱼电击人的颅骨。深部脑电刺激法始于1987年法国的一间手术室，神经外科医生Alim Louis Benabid给一个不可控制的震颤患者做手术时的一个意外发现。
几十年来，对这类重病患者命悬一线的疗法显得吓人，但往往有效：脑外科医生简单地在颅骨钻孔，摘去大脑中被认为致病的部分。这种疗法有时也用于其他运动障碍，包括重症癫痫和某些精神病。1987年的那一天，Benabi打算移除病人丘脑的一部分。丘脑是胡桃型结构，在大脑深处。通过破坏或“毁损”该组织的一部分，他想除去向身体神经末梢发送杂散电脉冲，导致病人震颤的根源。
任何形式的脑外科手术都有高风险。失误可以导致瘫痪、失明甚至死亡。为避免意外，Benabid采取了通常的手术安全措施：在手术台让病人保持清醒。这是可能的，只要不涉及神经疼痛受体。
他将电子探针插入要摘除的大脑区域，然后发送一个脉冲，密切观察病人，确保没有意外反应。半个多世纪来，神经外科医生都用这种技术验证，他们即将移除的区域不会影响正常功能。电极发出的小电流导致该区域周围的神经元放电，展露其在生理过程中扮演的角色——如果有的话。
到1987年为止，神经科学家们已约定俗成，以50赫兹的频率刺激病人的大脑。但这一次，Benabid幸运地决定不遵守这一规约。他把旋钮调到几乎100赫兹。当他把电极加诸目标，意外现象出现：病人的手停止震颤，这是多年来第一次。Benabid关闭电流，颤抖恢复。他再次接通，震颤又停止。他认识到，高频刺激以某种方式平息了肇事的信号。
1991年他发表了一篇论文，详述他用深部脑电刺激治疗身体两侧的震颤。其后他又发表一篇具有里程碑意义的论文，展示他可以缓解帕金森的其他很多衰弱症状，包括慢速动作和肌肉僵硬。1997年美国食品和药物管理局（FDA）批准深部脑电刺激用于震颤，2002年批准用于帕金森症。现在它已被用于成千上万的患者。
即便如此，多年后的今天，科学家仍在争论为什么深部脑电刺激会有效。科学家早就知道无法控制的震颤或许是大脑深处的组织发出错误信号刺激控制人体动作的运动皮层所致。到了1980年代，他们甚至知道引发帕金森症的这些信号是怎么来的——称为基底神经节的组织中缺少一种叫做多巴胺的化学信号物质。然而，几十年来，基底神经节的结构和大脑内层的其他特征在很大程度上仍处于猜想之中。
Benabid总结说，刺激神经元可抑制异常动作。在过去十年的动物实验中，神经科学家更精确地测量了神经输出，发现深部脑电刺激似乎相反，会激发动作。Philip Starr，旧金山加州大学神经外科医生，专攻运动障碍，提出一个重要理论：他认为深部脑电刺激是通过“同步破坏”回路的放电模式而奏效的。
就像能量穿越海洋，电信号以波的形式穿越大脑。如同海洋风暴，一个以适当速度移动的大浪可以吸收沿途的所有小浪。就帕金森氏症而言，异常活动构建了自身，产生致病的活动波，它控制着回路，淹没了其他所有活动。深部脑电刺激重新击碎这些波，使回路解锁，小信号得以通畅。
在研究人员开始考虑如何将此技术扩展到治疗其他大脑疾病——特别是棘手的精神疾病——之后，深部脑电刺激背后的机制迟早会研究明白。
抑郁症
那天，我访问Emad Eskandar在麻省总医院的手术室。他的病人正躺在手术台上。病人饱受强迫症折磨，所有其他治疗手段无效。麻醉后她躺在手术刀和剪刀的闪亮金属托盘之间，护士用白布盖着她。他们给她剃了光头，将她的前额和颅骨两侧用钳夹和螺丝稳固在箱形头架上。头架的支臂标尺上刻着细小数字，精确到毫米，让Eskandar能够精确地对准空心金属导管。他要将此导管穿过病人的大脑皮层插入到大脑中心，以此建立通向靶点的通道。
外科医生准备精细地将电极插入到大脑中的靶点位置
手术开始是在颅骨上钻个硬币大小的小孔，由此插入电极
首先，神经外科医生需要确定插入的路径。显示器上有四幅从不同角度拍摄的病人大脑图像，Eskandar 将鼠标指针移到其中一幅图像的中心点。“好 — — 就在这里，“他告诉一个年轻的外科医生。“这是你的入点”。
Eskandar已给几十个强迫症患者植入电极。他是第一批施行实验性干预手术的神经外科医生之一，在美国食品和药物管理局于2009 年批准广泛应用之前很久就开始了。这也是他从读医学院起就期盼的机会。
他高中时数学和物理优异，进入内布拉斯加大学想成为一名化学工程师。但他在一所精神病院当夜工监管急性精神病发作患者之后，改变了想法。他见过的病人令他难以释怀。其中有一个是来自西北大学的数学教授，有博士学位，无望地迷乱于自己的妄想。Eskandar还记得一个与自己同龄的衣冠不整的家伙，在一次户外活动时从范·海伦的歌声中幻听到呼唤，趁Eskandar不注意，跳过篱笆跑走了。警方二个小时后才找到他，他正站在高速公路中间用叉子指挥交通。
Eskandar为这些幻觉的悲惨程度震撼，且惊异医生对精神疾病了解如此之少。“这与在普通医院的感觉大不相同,”他回忆说。他申请医学院，希望解开大脑的奥秘。在国家卫生研究院做了一段大脑研究后，他获得了在麻省总医院实习的机会，当时FDA正在批准第一次使用脑深部电刺激治疗运动障碍。他关注并持续观察脑病患者已有经年, 现在他发现自己可以给他们做手术了。在这过程中，他有机会检测他们的神经活动和探索如此奇怪行为的原因。实习期满后他留在麻省总医院。
此刻，Eskandar对着强迫症病人的裸露头皮，用一枝无尘笔标记他的切口点，在固定病人头部的金属头架卡上一个附件，调整角度，对准数字，然后让旁边的护士、市民和其他观察者知道他准备就绪。几分钟内，他在病人颅骨钻了2个孔，依靠头架将两根长的空心金属管穿过大脑外层插入到灰质层中央，再在空心管里放入一对微细的电极，电极与他后面要植入的装置连接。然后他拔出导管，用丝线将导线缝在头皮上，又用速干水泥封闭颅骨上的钻孔。
该装置植入病人大脑对于治疗强迫症有效，但它用的是已有几十年的技术。这位经验丰富的神经外科医生知道他和其他临床医生只接触了可能出现的技术的表面。今天的技术一旦更新，深部脑电刺激系统用在手术室，潜力还在后面。“想想在过去的20年里发生的微型化和摩尔定律之类，”Eskandar说。“你用的这个装置是90年代出现的，而1980年代设计它时，手机还未问世。”
Eskandar的团队观察病人大脑中的单一神经元的活动记录。在手术过程中，病人接收测试，以帮助定位他的神经回路
新系统是在Draper研制的，Eskandar和他的麻省总医院同事帮助设计，它能够从多达320个电极— — 包括多组放在大脑外层的传感器— — 收集数据，并相应地提供刺激。
它不是一个埋入病人胸部或腹部的笨重的处理器，而是一个内置的微型化中央集线器，比手机小，带一个集成电池，整体精巧得足以隐蔽在颅骨后面。颅骨集线器附带五个陶瓷和钛电子卫星(electronic satellites)，微小得可以放进颅骨顶部钻出的硬币大小的小孔。微卫星将从与大脑深处的传感器或导管连接的电极收集和传递数据。团队还创建了一个远程基站，能与颅骨集线器通信，给集线器电池充电，并分析当天存储的数据。
Eskandar和他的同事打算将此技术推广应用到抑郁症和其他更复杂精神疾病，这个有多导管和传感器的新装置是成败关键。在2000 年代中期，他和Dougherty获准用深部脑电刺激治疗抑郁症的试验。结果，在某些情况下是显效的，预示它有团队正试图实现的潜力。但在其它许多情况下，治疗是令人沮丧的无效。更先进的设备必须能针对各个患者更精确的干预，或者，针对更大群体的有效治疗。
他们的第一位病人曾尝试过科学所能提供的所有药物，更不用说30轮的电休克治疗。她名叫Liss Murphy，2006 年她见到Dougherty时心如死灰。几年前，她还是一个活力充沛的30岁左右的公关经理，住在芝加哥。但抑郁症短短几周内就令她丧失了行为能力，她几乎不能说话。一天她离开岗位，再也没有回去。2004年被迫搬家到波士顿地区，最后住进了McLean医院。
Murphy接收Eskandar手术后，开始了惊人的康复。她恢复了与朋友和家人的关系。她有个儿子，几年来母子头一次又有了幸福、欢笑。治疗的效果鼓励她2012年出院回到家里。其间一次感染令医生要关闭她的设备几个月，几天内她的抑郁症就复发了。但是，当设备重新启用时，她身体随之转变。“一种温暖涌遍全身，我能感知它又接通了，”她说，“次日醒来，我眼前是一个全新的世界。外面的色彩明亮。儿子和我回到了童话的时光。我和儿子已是好几个月没这样子了。一切又都是新的，就像我。”
Dougherty和Eskandar受到鼓励，扩大试验，在其他病人(不是全部)病人身上看到了类似的效果。
当时，用深部脑电刺激治疗抑郁症的另一尝试也在加拿大进行。2003年3月，还在多伦多大学的神经学家Helen Mayberg给一个抑郁症患者植入了DBS设备，将它放入一个称为亚属扣带（subgenual cingulate）的大脑组织窄带里。2005年，在Murphy手术前一年，她在《神经元》杂志发表了一篇论文，报告了6个治疗对象（后来又扩大到20人，至今仍在追踪）的结果。同Murphy一样，其中一些人在手术前几乎处于昏厥呆滞状态，手术后康复了。
Mayberg的成功及Eskandar和Dougherty团队的成效，令人期待该装置能很快获得FDA批准，面向数百万美国人。两组都有50%左右的有效率，三分之一患者显效（据Dougherty表示）。
但获得批准之前，FDA授权的大规模试验治疗要求控制组做安慰剂效应试验。控制组给所有志愿者植入DBS装置，然后随机分配，一半实施标准方案的刺激，另一半的电极从不接通。分析初试结果后，FDA叫停了试验。“结果是有相当高的安慰剂效应,”Dougherty说。“但它肯定对一些人有效。”
Eskandar和Dougherty见过太多人显著康复，不会低估这种疗法。Mayberg对深部脑电刺激治疗抑郁症也毫不怀疑。但三人都相信Draper正在研制的更完善的深部脑电刺激系统可能更有效。原因很简单：发生在抑郁和其他心理障碍中的问题并不仅限于单一解剖位置。它们都是神经回路的疾病，通常呈现复杂的症状阵列，回路影响的是一个部位还是多个部位，都会有不同的反应。说明白就是，抑郁症各不相同，患者也各不相同；每个人对治疗的反应不同，取决于在何处、何时、如何刺激大脑。
手术团队的一个成员对植入了DBS电极的患者进行监测，观察治疗过程的效果和副作用
近年来，Mayberg已开始绘制从她的深部脑电刺激靶点（一个称为区域25的地方）辐射出去的复杂连接图。采取逆推的方法，她希望对回路进行反向工程，辨明所有的核心及组成部件。通过一种能够感知和刺激多个区域的更完善的设备，她相信更容易对不同病人按照其具体的症状模式和神经激活模式量身定制相应的治疗。
Eskandar和Dougherty则有更大的野心。他们希望能开发出一整套治疗其他精神病症的治疗方法。个中的复杂性，是采用现有的初步的单向装置所不可想像的。
颜色指喻
坐在Eskandar的实验室，我看着一个半透明颅骨及里面的大脑的三维旋转图像。在黑白两色的大脑内，截然不同的神经激活模式用绿、橙、红三种颜色突出显示。为了创建图像，Eskandar的同事使用了功能磁共振成像 (fMRI)，一种通过测量流向大脑不同区域的血流来跟踪神经活动变化的技术。绿色表示的是一个健康人执行一个特定任务时所记录到的大脑激活模式，橙色和红色表示的是两个精神病患者执行相同任务时分别记录到的大脑激活模式。三种模式明显不同。橙色和红色患者被诊断为重症抑郁，但两人各有另一种病: 一个有创伤后应激障碍（PTSD），另一个有广泛性焦虑障碍。
“这些精神障碍，严格定义，是系列症状，”Dougherty说。他认为，这就是为什么更准确的治疗、更好地针对病人个体，会有更明显的疗效。
Eskandar指着两个抑郁症患者的大脑模式图解释说， 现有的DBS系统治疗策略是打开电极，对两个患者刺激大脑同一区域。而Dougherty和Eskandar与Draper在一起研发的高级深部脑电刺激系统，能够实时检测异常的大脑活动模式，哪个区域受到影响就刺激哪个区域。新模式出现时，他们会予以调整，每次都在需要的位置放电。
Eskandar要我再看屏幕。他告诉我，我们看到的三个大脑扫描图都是在病人执行一项任务时录下的，目的是测量他们控制大脑情感区域和回答需要注意力集中和思维清晰度的能力。Eskandar指着一个抑郁症患者的脑激活模式说，有PTSD症状的病人都是这种模式：被称为杏仁体的大脑情感驱动部分因活动而发亮。它的放电远比常态患者执行相同任务时的杏仁体更兴奋，好像这个病人的大脑情感部分在尖叫，在淹没一切。
Eskandar提示说，想象一下，我们是否可以覆盖这个反应，手动激活或不激活相应的区域。事实上他刚才对此已尝试验证过了——给一个准备手术治疗癫痫的病人植入电极（神经外科医生经常使用这项技术来监测大脑活动和验证癫痫发作的精确位置）。Eskandar和他的团队将病人杏仁体受刺激的情绪反应描绘成一幅人脸图，可以通过刺激不同的区域，背侧前扣带皮层（ Dorsal Anterior Cingulate Cortex），来减弱病人的情绪反应。
团队希望设计一整套新的深部脑电刺激疗法：根据每个人的系列症状选择电极插入的位置，根据大脑回路的特异性决定在哪里放电。Eskandar对这些新工具治疗抑郁症的前景持乐观态度，对治疗创伤后应激障碍和广泛性焦虑障碍也抱高度期望。他甚至对治疗成瘾、精神分裂症和创伤性脑损伤的可能性也感觉良好。但他承认，对于他和Dougherty瞄准的某些疾病，如边缘型人格障碍，仍力不从心。尽管深部脑电刺激已被FDA批准治疗精神障碍之一的强迫症，其成功率仍然徘徊在50％左右——冷峻地提醒了挑战还在前方。
确实，Eskandar和Dougherty不会抱幻想。人类大脑仍然是已知最神秘而复杂的生物系统之一。在许多方面，我们为理解它所做的努力仍处于学步阶段。Eskandar说，到今年年底，他希望证明新系统可以设计得能够识别特定的大脑活动模式并作出应对。这是对此技术的一项相对简单的考验。即便如此，成功仍非确定。“我相信这不会是第一次或第三次有效，”他说，“但最终它会有效——我们会持续努力，直到目标达成。”
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