撰文  杨冠男

编辑  张梦茜 魏潇

许多学科的前沿进展都离不开新的科学技术。神经科学也不例外。脑部电刺激，是一类于近些年进一步发展完善的脑科学实验技术，对于许多患有重度抑郁症、阿兹海默或帕金森症的病人来说也是最后的救命稻草或治疗手段。但现有的技术还远不完美：脑深部电刺激（Deep Brain Stimulation，DBS）需要侵入性的开颅手术来植入电极，而其他在大脑表层运作的手段则因有限的空间准确性为人诟病。今年 6 月 Cell 杂志发表的一种非侵入性的深脑刺激技术可能给神经科学家们对大脑的精确调控和研究带来新的可能性。虽然目前该技术只在动物实验中进行了验证，完成该研究的科学家们——包括来自麻省理工学院的生物工程与神经科学家、“光遗传学(optogenetics)之父” Ed Boyden ——计划在人体中展开实验，希望将此技术早日投入到临床治疗。

从大脑皮层顶部向下，大约 10 厘米的地方，包裹着海马体（hippocampus）和丘脑（thalamus）等控制我们的认知和情绪的重要脑区。这个距离保护着它们不受外部创伤的损害，但也使脑部电刺激等治疗手段显得力不从心。

海马体和丘脑是参与认知和情绪加工的重要中枢。

抑郁症、帕金森等神经性疾病都与神经细胞的异常活动有关，而脑部电刺激可通过输送电流的方式直接激活或抑制相关脑区神经细胞的活动，对患者的病情进行治疗。

这听起来似乎很容易。然而，对于这些药物难以治愈的疾病，现有的脑部电刺激治疗也存在缺陷。几十年来，医生们只能在颅骨表面施加电流或磁场，大面积刺激浅层脑皮质。若是想通过电刺激影响深部脑区，只能应用脑深部电刺激（DBS）方法，通过开颅手术将电极埋置入目标脑区。

脑深部电刺激（DBS）

比如，在治疗帕金森症患者时，神经科医生会将电极埋入丘脑或纹状体（striatum）——人脑控制各种肌肉和日常运动的中心、帕金森症的病灶。但这些电极的植入并不是一劳永逸的。它们可能会磨损，或需要再次手术来进行替换。根据美国梅奥医院的说明，脑深部电刺激的手术本身就有风险：包括心脏问题、癫痫、头痛、细菌感染，植入区域暂时性的疼痛和肿胀，甚至中风。

脑深部电刺激的副作用，则可能包括语言障碍、平衡困难、局部发麻、情绪波动如狂躁或者抑郁——因为用于刺激的电流不会乖乖局限于目标脑区，至少目前是如此。

几年前，生物工程与神经科学家、“光遗传学之父” Ed Boyden 和麻省理工学院同事们为了研究出新型的非侵入性脑刺激技术，进行了一场头脑风暴。那时，Ed Boyden 已经以他在光遗传学（optogenetics）中的杰出贡献闻名。

光遗传学, 顾名思义，是用光控制基因表达进而像开关一样精确调控脑部活动的技术。Ed Boyden 的物理学背景，不仅在光遗传学研究中大展拳脚，也帮助他找到了一把新的钥匙：运用两个电极间波的干涉原理达到既不侵入大脑又能精确刺激深部脑区的目的。

攻克这一难关，或者说仅仅是为最终的解决方案添砖加瓦，都意义非凡。用非侵入性手段调控深部脑区，是神经科学家和神经精神科医生们长久以来的理想。尽管目前经颅磁刺激（Transcranial Magnetic Stimulation，TMS）等非侵入性电磁刺激在临床治疗中被广泛使用，试图改进这些方法的相关研究也层出不穷，它们都有着一个共同的缺点——无法精确刺激大脑的深部区域，如海马体和丘脑等与情绪、认知等功能高度相关的脑区。

经过层层实验验证，一个头脑风暴中诞生的想法终于变成了现实。今年 6 月，由 Ed Boyden 率领的麻省理工研究团队，在 Cell 上发表了一篇题为 “Noninvasive Deep Brain Stimulation via Temporally Interfering Electric Fields” 的研究论文，带我们向实现安全、精确刺激深部脑区的目标跨出了具有里程碑意义的一步。

他们利用高频电场相干产生的低频率电场振荡，精确刺激了目标深部脑区。实验数据表明，目标区域的神经细胞被选择性地激活了，周围的细胞并未生产出只有在激活时才生产的蛋白质。当观察小鼠的实时行为变化时，他们也发现被新技术激活的神经元能立刻改变动物的行为。Ed Boyden 和他的团队将这种“隔空”刺激脑区的新方法称为“时间干涉”刺激（temporal interference, TI）。

 时间干涉刺激示意图。图片来源：论文原文

想要理解这项新技术的优点，我们要先解释为什么现有的脑部刺激技术无法精确地抵达目标：深部脑区。无论是 DBS 的直流电，还是 TMS 的磁场变化引起的低频率交流电流，都会在脑中随着深度衰减。并且，在到达目标脑区前，电流经过的浅层神经元也会被激活，大大降低电刺激的空间精确性。

而 Ed Boyden 团队的新技术是如何解决这个问题的呢？和很多研究人员一样，他们从已知的信息出发。科学家们在以往的研究中发现，由于神经元具有“低频滤波”特性，即仅对低频（<100 Hz）信号产生反应，完全不受高频（>1 kHz）电场影响，所以高频电场信号很容易在衰减殆尽前到达更深的脑区。然而，由于信号能量与频率成正比，高频信号所带来的过高能量可能会伤害刺激信号途径的脑细胞。

不过，神经元对于恰当水平的高频电场的忽视，正可以为科学家们所用。

时间干涉刺激（以下简称 TI 刺激）的原理其实非常简单，即结合神经元的低频滤波特性，和波的干涉特点。

当两个频率相近但不相同的波同时发出并相遇时，它们会干涉形成一个新的包络波型，其频率为两个波的频率之差。此概念在声学中被称为“拍频”（beat frequency），两个音能够产生和弦，听起来像第三个音的原理便是此现象。

同时发出的两个振幅（波的宽度）相同、频率相近（波的密度）的波（紫色、红色），产生了频率为二波频率平均的干涉波（蓝色），该波的包络波（浅蓝、绿色）频率为两个高频波之差，最大振幅为原波2倍。图源：physics.unsw.edu.au 

本文第一作者 Nir Grossman 博士及团队成员们将此原理应用至脑部刺激中：首先他们在麻醉小鼠的头颅表面将两对电极（与做脑电图的电极相同）用胶水固定。接着，通过这两对电极，分别产生2.0 kHz 与2.01 kHz 的电场。根据相关的物理原理，干涉产生的叠加波，只有在两个电场相遇、且强度较高的区域，才能够产生频率为10 Hz 的包络波（如 A、B 图中i点、i图黑色虚线）；而在其他区域，产生的包络波振幅几乎为零（如ii点），而原始叠加波由于频率为 2.005 kHz，大于 1 kHz, 故不对这片脑区产生刺激。

论文 Figure1（部分）描述了两个电场干涉形成的理论叠加电场

为了验证 TI 技术的精准程度，Nir Grossman和Ed Boyden等研究人员进一步进行了细胞分子层面的研究。

他们在进行 TI 刺激的同时，分别记录先后受到刺激的、较浅的体感皮层（somatosensory cortex），以及较深的海马（hippocampus）神经元发放动作电位的情况。与预期相同，被 TI 刺激后的目标区域神经元与直接受到 10 Hz 电刺激的对照组神经元均产生了 10 Hz 频率左右的动作电位。

同时，为了检测 TI 刺激技术是否能够在刺激深部脑区的同时，不激活电流经过的皮层、次皮层等浅层区域，研究人员在使用 TI 刺激海马体神经元后，使用荧光标记能够显示神经元是否被激活的蛋白标签 c-fos（一种即早蛋白，在神经元产生动作电位后短时间内既出现表达水平的增高），观察不同区域神经元激活情况。结果发现，仅有两个电场相交并产生 10 Hz 包络波的目标脑区——海马的神经元被激活，而 2 kHz 经过的、覆盖在海马上的皮层神经元不受任何影响。相比之下，直接使用 10 Hz 电场刺激海马神经元时，除海马神经元被激活外，电流经过的皮层也同样被激活了。这无疑体现了 TI 刺激技术最突出的优点——对深部脑区刺激的高精确性。 

接下来，研究人员还在文章中向人们展示了 TI 刺激的另一个优点——精确的可操控性。他们运用TI刺激小鼠运动皮层，在仅通过改变不同的电场参数（两个电场的电流大小、比率）、在不移动电极的状态下，使小鼠产生了即时、可见的运动状态改变。视频揭秘：

TI 技术不仅可以在未来用于阿兹海默、帕金森、抑郁症等多种神经精神类疾病的治疗，同时也为进一步解密人类脑功能、绘制人类脑图谱提供了绝佳的方法。

为了更深入了解这项工作，科研圈邀请 Ed Boyden 博士详细解答了关于这项突破性研究成果读者最关心的问题。

科 = 科研圈

EB = Ed Boyden

科：你们是如何想到使用时间干涉的方法来实现非侵入性、精确刺激特定脑区的呢？

EB：几年前，我们关于非侵入性脑刺激方法开展了一次头脑风暴。我们在物理定律中仔细搜寻，希望找到能用于精确刺激脑部的手段。利用干涉这种人们熟知已久的物理现象，似乎是种很可行的方案，所以我们就决定试试看是否奏效。

作为拥有 MIT 物理、计算机科学、电子工程学位的大牛，Ed Boyden 擅长将物理原理应用至神经科学的研究中，不断发明开拓性的研究方法。他在个人的推特上分享了“温故知新“的成功经验：想创新，不只要读新文献，也要读老文献。

科：您为何选择初级体感皮层和海马作为 TI 刺激的目标对象呢？

EB：这个选择并没有什么特别之处。我们研究的合作者蔡立慧博士（Li-Huei Tsai）对海马非常感兴趣，因为它是阿尔兹海默症的潜在治疗靶点，所以她想看看利用 TI 刺激，能否激活海马。我们选择运动皮层是因为通过刺激它，我们能够看到即时的运动变化，判断我们是否能够操控运动。我们接下来会尝试其他更多脑区。

科：TI 的计算模型能够准确判断复杂情况下（如脑内部有组织坏死、脑肿瘤等）的电场刺激目标吗？

EB：目前的模型仍有局限性。我们如果能得到更多解剖数据，并将它们运用到模型中，就能够更好地预测。这也是我们未来的目标之一。

科：TI 刺激与脑深部电刺激(DBS)相比具有很多优点。您认为有朝一日 TI 刺激能够在临床上替代 DBS 吗？

EB：TI 刺激与 DBS 能够起到互补作用。目前来说，TI 刺激仍然没有 DBS 精确，将来仍需要通过进一步创新方法、改善性能。并且，DBS 能够实现TI并不易于执行的定点长时间刺激，这在某些情况下会更重要。另外，我们尚未完成任何经过同行评审的 TI 刺激人体试验，所以此技术或许在人体中仍存在局限性。最后，我们尚未证明 TI 是否能够达到像 DBS 一样高的频率（ TI 能大约达到 20 Hz左右，而 DBS 能够达到 100 Hz）。总的来说，目前为止我们的研究还处于初级阶段，接下来我们还会在探索TI刺激的有效性及性能方面做更多的研究。

科：磁场也能产生同样的干涉作用吗？能否通过结合磁场与电场的方式来使 TI 刺激更加深入或精确呢？

EB：好问题。但归根结底要通过实验证明，这种方法是否符合大脑的生物物理学特性。

在论文的讨论部分及接受外媒采访时，Boyden 与 Grossman 都谈到，计划下一步在人类中展开实验，希望将此技术早日投入到临床治疗。然而，这一过程中势必须要克服层层阻碍。比如，人类头皮的导电性，将分散电场；人类脑部的尺寸远大于啮齿类动物，故所需达到的深度更高（比如治疗帕金森症的靶点区域在颅下 10 cm 左右）。另外，人类在使用 TI 刺激时，无法同时测评神经元反应性。一方面，上述小鼠实验中使用的 c-fos 标记等都是有创的实验手段，而一般人体实验中用于观察脑区激活情况的功能性脑核磁 fMRI 无法与 TI 同时使用。再加上人类脑部的解剖结构复杂，人与人之间的差异性较大，要想最大限度地利用 TI 精确性的优势，需要体外测量每个被试 TI 刺激的位置……

无论前面还有多少障碍需要继续克服，此项研究充分证明了 TI 刺激的优越性。该技术可谓非侵入性神经治疗手段的开创性突破，具有广阔的应用前景，同时也为精确研究人类脑功能、绘制人类脑图谱提供了绝佳方法。它在人体中的性能如何、将来还会有什么样的改进，值得我们继续关注。

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