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?本文來源于：腦與心智畢生發(fā)展研究中心CLIMB 在這篇文章中，我們將討論一種治療帕金森病的方法。帕金森病患者存在運(yùn)動(dòng)能力的異常，改善這些癥狀的一種治療方法是向大腦深處發(fā)送電流。這種治療方法的一個(gè)重要問題是何時(shí)發(fā)送多大強(qiáng)度的電流。在不了解這些內(nèi)容的情況下，有時(shí)使用了過度的電流，可能會(huì)給病人帶來副作用；如果發(fā)出的電流太少，病人的癥狀可能不會(huì)得到改善。有一種治療設(shè)備可以動(dòng)態(tài)提供反饋信息，以便及時(shí)調(diào)整電流量，只在病人真正需要的時(shí)候(當(dāng)他們有不好的癥狀的時(shí)候)才會(huì)發(fā)送刺激信號。由于帕金森病是一種腦部疾病，在發(fā)病期間病人的大腦活動(dòng)信號可能不同于沒有癥狀的時(shí)候。想象一下你正在和朋友玩捉迷藏：你看到他躲在一棵樹旁，你開始跑向樹去追她；但他看到你來了，突然向另一個(gè)方向的秋千跑去！這時(shí)你會(huì)怎么做？你會(huì)按照計(jì)劃繼續(xù)朝樹那邊跑，然后再跑向秋千嗎？或者直接跑向秋千？當(dāng)然，如果你想抓住他，就直接往秋千那邊去吧！ 你做的事情可能看起來不難，但它實(shí)際上是一件大事！你一開始計(jì)劃跑向那棵樹，但是當(dāng)看到你的朋友改變了藏身之處，你就改變了計(jì)劃。你根據(jù)朋友的動(dòng)作調(diào)整你的身體動(dòng)作——這稱為“反饋信號”，我們一直在使用這些信號來控制我們的行為，盡管我們并不能總是意識到這一點(diǎn)。 再想象一下你正在篝火旁烤棉花糖：你把棍子盡可能靠近火，突然覺得手指變熱了，你的手移得太近了！你甚至還沒來得及考慮，手就迅速地移開了。這是因?yàn)榇竽X從手指那里收到了一個(gè)反饋信號，說它們變得太熱了。為了響應(yīng)這個(gè)信號，你改變了離火的距離——你原本打算把手移近一些，但現(xiàn)在新計(jì)劃是把手移開！(見圖1)。 當(dāng)手離火太近時(shí)，手指會(huì)發(fā)出一個(gè)信號，告訴大腦它們太熱了。根據(jù)這個(gè)反饋信號，大腦命令手臂遠(yuǎn)離火堆。 我們一直在利用反饋信號調(diào)整自己的行為，當(dāng)身體的某些部位不能正常工作時(shí)，反饋信號也很有用。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，醫(yī)生可能會(huì)用一個(gè)小機(jī)器來幫助你受損的身體部位完成工作，并利用反饋信號來告訴機(jī)器何時(shí)工作。這樣，機(jī)器和反饋信號就能與你身體的其他部分協(xié)同工作，確保一切正常。你聽說過心臟起搏器嗎？這是一個(gè)幫助心臟工作不正常的病人的小機(jī)器。如果你把耳朵放在父母的胸前，你可以聽到他們的心跳。你注意到這個(gè)心跳節(jié)奏有多規(guī)律了嗎？這種規(guī)律的節(jié)奏非常重要——心臟需要有規(guī)律地跳動(dòng)，跳動(dòng)的時(shí)間間隔要均勻，這樣才能把血液輸送到全身。不幸的是，有些人的心跳過快或過慢，這是非常危險(xiǎn)的。解決這個(gè)問題的一種方法是做手術(shù)把一根微小的導(dǎo)線(稱為電極)插入心臟，并把它連接到放置在胸部皮膚下的微型計(jì)算機(jī)上(見圖2A)。當(dāng)心臟沒有用正確的速度跳動(dòng)時(shí)，這個(gè)心臟起搏器可以通過向心臟發(fā)送短暫的電流來修復(fù)不規(guī)則的跳動(dòng)。但是起搏器怎么知道什么時(shí)候發(fā)出震動(dòng)呢？這就是反饋信號的作用。電極像麥克風(fēng)一樣記錄心跳，并把心臟的“歌曲”發(fā)送給計(jì)算機(jī)，它能快速地計(jì)算出心臟跳動(dòng)的速度。如果計(jì)算機(jī)注意到心跳過快或過慢，它就會(huì)通過電極發(fā)出電流(見圖2B)。這種“電刺激”有助于心律恢復(fù)正常，就像年幼的孩子在騎自行車爬山坡的時(shí)候，從他們的父母那里得到額外的推動(dòng)一樣。電刺激提供一個(gè)小推力，幫助心跳回到正軌。微型電極放置在心臟內(nèi)，并與放置在胸腔皮膚下的小型計(jì)算機(jī)相連。記錄電極就像麥克風(fēng)一樣被用來記錄心跳。心跳律動(dòng)被發(fā)送到計(jì)算心臟跳動(dòng)速度的電腦上。如果速度不對，電腦就會(huì)通過電極向心臟發(fā)出輕微的電擊，使心臟恢復(fù)正常的節(jié)奏。 有時(shí)大腦的工作也需要額外的推動(dòng)才能回到正軌。帕金森病(PD)是一種會(huì)影響人們行動(dòng)的腦部疾病，它主要影響老年人，使他們的行動(dòng)變得非常緩慢；它還會(huì)引起震動(dòng)(這被稱為震顫)。治療帕金森病的一種工具也是一種“大腦起搏器”。在手術(shù)過程中，醫(yī)生將小電極插入大腦深處，并把它們連接到放置在胸部的微型計(jì)算機(jī)上(見圖3A)。這臺電腦里有一塊電池為設(shè)備提供動(dòng)力，并控制電流刺激通過電極傳遞到大腦深處。這種治療被稱為腦深部電刺激療法(DBS)。A.在大腦中放置微型電極，并與放置在胸腔皮膚下的小型計(jì)算機(jī)相連。B.從圖中可以看出，帕金森病組的同步性要比對照組(健康人)高得多。在帕金森病中，大腦的“律動(dòng)”是不平衡的。 在DBS期間，非常短的脈沖電流被發(fā)送到大腦(約每秒130脈沖，即130赫茲)。DBS電流在正負(fù)兩個(gè)方向之間交替，但這種脈沖的形狀和改變方向的速度不同于我們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫牟遄械慕涣麟姟?/span>DBS的電極植入哪里取決于病人的癥狀，對帕金森病來說，通常被放入大腦中部一個(gè)叫做基底神經(jīng)節(jié)的結(jié)構(gòu)中(圖3A)。DBS對許多帕金森病患者的異常運(yùn)動(dòng)有很好的控制作用，然而它并不完美。DBS存在一個(gè)問題——沒有反饋信號來關(guān)閉刺激，這意味著刺激一直在進(jìn)行。由于病人的癥狀整天都在變化：有時(shí)他們搖晃得很厲害；有時(shí)他們又移動(dòng)得很慢；有時(shí)他們會(huì)感覺很好。但是，刺激不能適應(yīng)這些變化，因?yàn)樗鼪]有關(guān)于病人感受的反饋，有時(shí)電刺激太強(qiáng)烈，會(huì)引起副作用；有時(shí)太弱，不會(huì)改善癥狀。回想一下和朋友玩捉迷藏的例子，如果在這種情況下得不到任何反饋，就像閉著眼睛找朋友一樣，你怎么知道該往哪兒跑？這就是沒有反饋的DBS的問題。因此改進(jìn)DBS的一個(gè)方法就是收集反饋信號。反饋信號最好是與病人的癥狀相關(guān)的，但是大腦活動(dòng)比心臟活動(dòng)更復(fù)雜，我們還不確定哪種反饋信號最有效。許多科學(xué)家正在研究這個(gè)問題，為了找到最佳的反饋信號，他們利用病人大腦內(nèi)或大腦外的電極來記錄腦活動(dòng)?？茖W(xué)家記錄了帕金森病患者在感覺良好時(shí)的大腦信號，并與出現(xiàn)癥狀感覺糟糕時(shí)的大腦信號進(jìn)行比較；還將將帕金森病患者的大腦信號與健康人(對照組)的進(jìn)行比較。這些實(shí)驗(yàn)幫助科學(xué)家們確定該使用哪種信號作為反饋，告訴DBS機(jī)器何時(shí)啟動(dòng)。科學(xué)家們利用這些技術(shù)取得了一些重要的發(fā)現(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)在帕金森病中神經(jīng)元會(huì)過度“同步”[1,2]——神經(jīng)元總是在同一時(shí)間一起“唱歌”，而且不能互相“傾聽”。我們可以把健康的大腦想象成合唱隊(duì)：指揮告訴歌手(腦細(xì)胞或神經(jīng)元)何時(shí)保持相同的節(jié)律(節(jié)奏)，何時(shí)需要改變節(jié)奏或保持安靜；合唱隊(duì)的歌手需要互相聽，確保沒有人唱得比其他人更響亮，并且對彼此節(jié)奏的變化做出反應(yīng)。這是一個(gè)“平衡的大腦合唱”，或平衡的大腦活動(dòng)。在大腦中，節(jié)律或節(jié)奏的變化與行為的變化有關(guān)。例如，如果你想移動(dòng)手臂，神經(jīng)元的節(jié)奏(合唱隊(duì)的節(jié)奏)會(huì)改變，然后你就會(huì)移動(dòng)。在帕金森病患者中，由于神經(jīng)元的節(jié)律過于強(qiáng)烈，運(yùn)動(dòng)可能不正常，也不易改變，這可能會(huì)導(dǎo)致病人被“卡住”難以開始移動(dòng)。就像合唱隊(duì)中的一些歌手在同一時(shí)間一起唱歌，當(dāng)需要改變節(jié)奏的時(shí)候，不聽指揮或其他歌手的聲音。這一小群人可能會(huì)變得越來越大聲，讓整個(gè)合唱隊(duì)無法合作。這可能是帕金森病患者不能正?；顒?dòng)的原因(你可以在圖3B中看到這種異常同步的一個(gè)示例)。這給了科學(xué)家們一個(gè)想法——同步的數(shù)量可能是一個(gè)很好的反饋信號。放置在大腦中的小電極記錄大腦的“歌曲”，將這個(gè)“反饋信號”發(fā)送到小計(jì)算機(jī)，小計(jì)算機(jī)將計(jì)算神經(jīng)元的同步程度，并決定何時(shí)改變發(fā)送到大腦的電量。當(dāng)病人因?yàn)閺?qiáng)烈的同步而感覺不舒服時(shí)，電腦會(huì)通過小電極向大腦發(fā)送電流；當(dāng)患者感覺良好，同步正常時(shí)，就會(huì)減少甚至停止刺激(如圖4所示)。這樣可以巧妙地控制電流刺激，有助于改善癥狀，避免副作用。雖然這個(gè)想法還需要更多的測試，但早期的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)表明，使用同步量作為反饋信號確實(shí)有助于患者的癥狀[3]。這是非常令人興奮的，因?yàn)檫@意味著帕金森病患者將很快得到更好的治療！記錄電極記錄大腦的“合唱”，把它發(fā)送給計(jì)算機(jī)計(jì)算同步量。如果太過同步，大腦就會(huì)失去平衡，病人就會(huì)感覺不舒服，這時(shí)電腦通過刺激電極向大腦發(fā)出輕微的電擊；一旦大腦的“合唱”很好很平衡，病人就會(huì)感覺很好，刺激也會(huì)停止。 反饋信號(Feedback signal)：返回的信息，可以用于分析是否需要調(diào)整行為或其他操作。 帕金森病(Parkinson’s disease, PD)：一種影響運(yùn)動(dòng)的腦部疾病。 腦深部電刺激(Deep brain stimulation, DBS)：將電流傳輸?shù)酱竽X深處的結(jié)構(gòu)的治療方法，可以用于像PD這樣的腦部疾病。 同步性(Synchronization)：同時(shí)發(fā)生。在這篇文章中，我們討論了帕金森病患者腦細(xì)胞有太多的同步，這意味著它們在每個(gè)時(shí)刻的活動(dòng)都太相似了。 [1] Little, S., Brown, P. 2014. The functional role of beta oscillations in Parkinson’s disease. Parkinsonism Relat. Disord. 20:S44–S48.[2] de Hemptinne, C., Swann, N. C., Ostrem, J. L., Ryapolova-Webb, E. S., San Luciano, M., Galifianakis, N. B., et al. 2015. Therapeutic deep brain stimulation reduces cortical phase-amplitude coupling in Parkinson’s disease. Nat Neurosci. 18:779–786.[3] Little, S., Pogosyan, A., Neal, S., Zavala, B., Zrinzo, L., Hariz, M., et al. 2013. Adaptive deep brain stimulation in advanced Parkinson disease. Ann. Neurol. 74:449–457.原文 de Hemptinne C and Swann N (2016) Treating Parkinson’s Disease with Brain-Controlled Electrical Stimulation. Front. Young Minds. 4:10.
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