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《张江科技评论》

开博时间:2019-06-06 14:03:00

《张江科技评论》是由上海科学技术出版社与上海市张江高科技园区管理委员联合创办的一本科技评论类杂志。该刊报道评价国内外创新性科学技术的发展趋势及其商业价值,介绍上海在建设全球领先科创中心进程中的制度成果、技术成果、创业成果,推动产学研密切协作,促进科技成果转化,服务经济转型发展。

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神经调控技术——探索大脑的奥秘

2019-11-28 10:37:00

  神经调控技术已经成为神经科学与生物医学工程相结合发展得最快的交叉学科,也成为科学研究、临床治疗和医疗器械投资的重点关注对象。

  人类大脑可以说是最复杂的信息处理机器了,它能够产生我们所有的喜怒哀乐,对大脑的研究始终是科学的最前沿。《最强大脑》无疑是近年来最具影响力的综艺节目之一,各具特点的天才轮番上阵,晒出看家本领,展现超越你想象的神奇技能。《最强大脑》中表现最多的是计算能力、注意力、记忆力。其实,注意力、记忆力不是天生的,是可以后天训练的。一个很有趣的问题是我们有没有办法通过物理刺激来增强这些能力呢?答案是可能的。实际上,临床上的某些神经退行性疾病,几乎没有很好的药物治疗方式,但是通过物理刺激的方法可以得到很好的疗效,这些治疗方法不仅可以改善运动能力,而且对认知和情感这样的高级认知功能也有很好的效果。另外,精神控制或者意念操控这样的概念在科幻电影中是非常有吸引力的题材,被不断地演绎。那么,在现实中,我们是否有办法真的操控人的精神呢?

  其实,这就是神经调控技术的一个新兴领域的研究内容。近年来,神经调控技术已经成为神经科学与生物医学工程相结合发展得最快的交叉学科,也成为科学研究、临床治疗和医疗器械投资的重点关注对象。神经调控技术在临床上已经广泛地用于以帕金森病(Parkinson's Disease,PD)为代表的运动障碍性疾病,并且已经拓展到了慢性痛、抑郁症、成瘾等神经系统疾病,都取得了不错的效果。有报道显示,对于某些外周和神经相互作用的疾病,神经调控技术也有可能对其进行治疗。一般来说,神经调控技术分为侵入性和非侵入性两种方式。

  大脑深部刺激技术

  大脑深部刺激技术(Deep Brain Stimulation,DBS)是一种侵入性的神经调控技术,自发现以来得到了快速的发展和应用,目前已经成为一项很成熟的功能神经外科技术,用于治疗各种神经系统疾病,尤其是帕金森病。帕金森病是一种神经退行性疾病,由于患者的黑质致密部多巴胺能神经元退行性病变死亡,从而破坏纹状体环路而导致运动调节的神经环路失衡,主要症状包括运动障碍、僵硬和震颤,以及认知和情感障碍。目前,药物虽有一定疗效,但最有效的方法还是DBS。DBS这种方法是1987年由法国著名神经外科专家阿里姆-路易斯?本纳比(Alim-Louis Benabid)发现的,他在进行一次常规的丘脑腹中间核损毁术时,意外发现,对丘脑中的靶点处进行高于100 Hz的电流刺激,可以使震颤停止。平时在丘脑损毁术中寻找靶点时,所用电流是30~50Hz,本纳比在那次手术过程中,尝试使用了不同的频率,在当时仪器所能达到的最高值100 Hz时,他发现患者的震颤停止了,停止电流刺激后,震颤症状又出现,再次刺激时,震颤又停止了,这种情况也在多个患者身上得到了证实。DBS主要应用在运动障碍和精神障碍疾病上,其中,运动障碍包括肌张力障碍、亨廷顿病、癫痫、妥瑞氏综合征等,精神障碍疾病包含慢性痛、强迫障碍、创伤后应激障碍、抑郁症等。DBS分为高频和低频刺激,高频刺激可以用于对丘脑腹中间核 (VIM)进行电刺激来治疗震颤,对苍白球内侧部(GPi)进行刺激治疗异动症,对丘脑底核(STN)进行刺激来治疗缺少多巴胺导致的疾病,如帕金森病,这三个都是用130Hz的高频刺激。而治疗步态冻结,则是采用25Hz的低频来刺激脚桥核(PPN)。高频刺激的作用是抑制核的活跃,而低频刺激的作用是激活核的活跃。在肌张力障碍中,刺激GPi和STN都能对肌张力障碍有很好的疗效。

  除了运动障碍疾病之外,DBS也在其他神经疾病,如癫痫、强迫症、抑郁症、慢性疼痛以及药物成瘾的治疗中得到了推广。在癫痫治疗中,本纳比对癫痫患者的STN进行刺激,得到了良好的治疗效果。另外,还有团队对海马体进行刺激,也有一定的治疗效果。在强迫症的治疗中,对前囊膜、伏隔核和STN的刺激都有疗效。抑郁症患者的Cg25区过度活跃,在对该位点进行刺激后,活跃部位被抑制,也可以取得一定的疗效。在应用DBS治疗疾病的过程中,刺激相同位点可以治疗多种疾病,一种疾病又可以通过刺激多个位点来治疗,但其中有些机制我们还并不清楚。

  非侵入性控脑技术

  经颅磁刺激(Transcranial Magnetic Stimulation,TMS)和经颅直流电刺激(Transcranial Direct Current Stimulation,tDCS)是近年来发展快速的两项非侵入性脑刺激技术。越来越多的研究表明,这两种非侵入性脑刺激技术可以直接增加认知能力,也可以为多种脑疾病的患者提供辅助治疗。

  TMS是一种安全无侵入性的大脑功能调控技术,是利用磁场来激活大脑的相应区域,从而对患者产生一定的治疗效果。在国际上,经颅磁刺激技术已被广泛应用于脑损伤后康复、失眠及其他精神疾病的治疗中。近年来,我国科学家袁逖飞带领的小组在TMS治疗药物成瘾上取得了多项重要进展。他们与合作者利用TMS技术,对吸毒多年的海洛因成瘾者进行了研究,成功降低了成瘾者对海洛因的渴求度,这是世界上首次把TMS技术应用到海洛因成瘾者上,该研究发表在精神病学领域顶尖期刊《生物精神病学》上。

  2008年,美国食品药品监督管理局(FDA)批准了TMS用于治疗药物难治性抑郁症,尤其适用于曾经用过抗抑郁药物而疗效不佳的成人患者。在临床试验中,这样的患者有相当一部分取得了很好的疗效,统计结果显示每三位患者中就有一位症状完全消失。

  另外,有没有什么方法能增强大脑的认知功能呢?在知名学术期刊《当代生物学》的一篇报道中,美国西北大学医学院的科学家发现,非侵入性脑刺激可以像手术刀一样精确地提高某些精确记忆力。准确的记忆对于理解细节至关重要,比如观察一个城市里的建筑物,这个精确记忆的能力能够让人记住所看到的建筑的特定颜色、形状和位置,而不仅仅是其在城市中大而化之的位置。过去的大多数研究只观察到思考能力在非侵入性脑刺激时的瞬时改善,所以这样一种对精确记忆力的特异而长效的改善是非常让人兴奋的。这项研究加深了人们对非侵入性方法提高认知能力的理解,为未来改善阿尔茨海默病等学习记忆相关疾病提供了新的思路。

  神经调控技术的展望和伦理风险

  现有的神经调控技术还是基于主动设置刺激参数的方式来进行调节,如果未来能够引入深度学习等人工智能的方法,就有可能对人脑实现更为精确有效的刺激。神经调控技术方兴未艾,为疾病的治疗带来了许多新手段。但是,像任何事物一样,它也可能带来许多意想不到的后果,甚至引发伦理问题。随着人们对人脑功能的进一步了解,有可能通过刺激的方式直接产生快感,也可能直接导致焦虑、抑郁,甚至暴力攻击行为,这是否侵犯了人之所以为人的自由意志?这样的控制事关个体的独立和尊严,需要政府、学术界和工业界一起思考相关的伦理风险,才能真正促进神经调控技术的发展和应用。

  胡霁,上海科技大学生命科学与技术学院助理教授。

  作者:胡霁

  本文来自《张江科技评论》

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