《细胞》:拍案叫绝!MIT大牛团队用高中物理知识实现无创深脑电刺激,将对帕金森等神经疾病治疗产生非凡影响

医疗健康 来源:奇点网 作者:王新凯
2017
06/22
10:38
奇点网
作者:王新凯
医疗健康

科幻电影中的黑科技,脑洞之大和狂拽炫酷的程度都让人印象深刻。作为一种想象,这些未来科技在满足吃瓜群众们视觉享受的同时,也引领者着人类未来科技的发展方向。

2014年初,麻省理工学院McGovern研究所的大脑认知科学和生物工程教授Edward Boyden博士,和众多大神一起开了一场疯狂的头脑风暴。头脑风暴的主题就是探讨“人为刺激大脑神经元一切可能的方法”。

这群顶尖的科学家可能也是科幻电影看多了,一时间各种脑洞大开,讨论结果几乎涵盖了自然界各种形式的能量,比如电场、磁场、超声波、光波等,并且列了一个长长的清单!

不要以为科学家的头脑风暴,和你看爆米花电影一样,完了就完了。这群科学家还真的按照自己开的脑洞去尝试了!

2016年12月,Edward Boyden博士和麻省理工神经学家Li-Huei Tsai领导的研究小组在《Nature》上发表了一项超级颠覆的研究[1],并引起广泛关注。文章指出,利用特殊频率的LED灯,能够大大减少阿尔兹海默症小鼠大脑中的β淀粉样蛋白!

时隔半年之后,MIT的Edward S. Boyden博士、Li-Huei Tsai博士与贝斯以色列女执事医疗中心的科学家合作,再次将科幻级医疗黑科技带入现实。就在本月初,《Cell》杂志刊登了他们团队的又一项重大技术成果[2],通过两个外置电极发出的高频电流,在大脑深部特定位置产生的“干涉”,实现无创深脑电刺激,有效地激活神经元活动,甚至可以干预小鼠的行为反应!

关键是该技术完全无创!并且精准!而且有效!成本和便捷性更不用说!

其实近几十年来,通过物理手段刺激大脑神经元来修复神经功能障碍,已经吸引了众多科学家的广泛兴趣。也一直有研究人员尝试使用电流刺激大脑,进行治疗各种疾病、恢复和提升机体功能等。

我们知道神经元之间的通信其实就是一个个的电信号,并且该活动可以被外部电脉冲人工激发或中断[3]。电刺激疗法的理念就是人为地干预脑部的神经电路,从而恢复或改善由这些特定神经元控制的机体功能或行为,然而,想要做到这一点并非易事。

目前最先进和最精确的深脑电刺激(Deep Brain Stimulation)疗法,于1987年建立起来,是通过手术在大脑特定区域植入电极,从而达到治疗的目的。1997年FDA核准在帕金森病患者身上使用深脑电刺激治疗,并有证据证明该技术可以改善强迫症的症状[4],也有研究人员尝试使用来治疗其他疾病如抑郁症和癫痫[5]。但是,在非致命疾病的情况下为了放入电极而进行开颅手术,怎么看都不是一个明智的选择[6]。

需要植入电极的深部脑刺激疗法

当然也有非侵入性的技术,比如经颅磁刺激(TMS)[7]和经颅直流电刺激(tDCS)[8]。经颅磁刺激已经被FDA批准用于治疗抑郁症,但该技术难以作用于大脑深层区域。而经颅直流电刺激就是将电极置于头皮上,微弱的直流电会通过大脑。有一些研究人员、公司甚至个人爱好者也在尝试使用这种方法来治疗疾病和提高创造力、记忆力。但这种非侵入性方法缺乏特异性,效果同样仅仅是刺激了一些大脑表层的神经回路。

麻省理工的研究团队想要寻找一种既不需要做手术,又能干预大脑深部特定神经元的方法。万万没想到,这次他们利用高中生都知道的物理知识做到了!(并不比LED灯复杂多少啊)

由于神经元通常不响应高频电信号,但是会对低频电信号产生响应[3]。因此研究人员假设,如果他们向大脑深部靶向发射两个不同频率的高频电信号,那么这两个信号将能够顺利穿过大脑表层组织,当信号在目标处发生“干涉”时,高频信号被抵消,就会产生想要的低频电信号。

研究人员将这个现象称之为Temporal Interference(TI)。举例来看,加入放置于头皮之上的电极朝着大脑深部发射两个高频信号(一个2000Hz,另一个2010 Hz),当这两个高频信号在目标区域相互干扰时,就发生了类似于光波干涉的现象,产生一个10Hz的电流信号,而这个低频电流便可以驱动神经元的电活动。

重要的是,计算机模型和组织模型测试结果显示,通过调整电极的位置和发射电流的频率,研究人员可以轻松控制作用靶点的范围大小和位置。

理论上看起来没毛病,实验室的研究人员便开始在小鼠身上进行活体测试。在小鼠实验中,研究人员使用称为c-fos标记的检测技术记录神经元活动,结果显示,该技术可以精确刺激小区域内的大脑深部结构,比如海马体,并且不会对大脑皮层造成任何影响。

而当研究人员将刺激目标移动到大脑运动皮层时,电极发出的电信号引起了小鼠四肢、耳朵和胡须的抖动!

“结果表明,我们可以非常精确地瞄准大脑区域,不仅激活神经元电活动,而且能够引发行为反应。”论文的主要作者Tsai博士表示[9],“我认为这是非常令人兴奋的,因为帕金森病和其他运动障碍似乎源自一个非常特定的大脑区域,如果我们瞄准了这个区域,那么就有希望扭转它。”

研究人员最后还验证了该技术的安全性,TI刺激清醒的小鼠大脑并没有引起温度的增加、神经元或DNA的损伤,也没有引发机体的免疫反应。

Boyden坦言,与植入电极相比,目前该技术靶向的大脑区域还不够精确。“但是我想我们可以利用数学和工程学知识来进一步改进。” Boyden和他的团队计划改进电极配置,包括电极数量和电流频率,而且他们已经开始规划在人类志愿者身上进行测试。

没有参与该研究的牛津大学神经外科教授Tipu Aziz表示,“我看到了在未来,这种技术可能作为非侵入性深部脑刺激的一种便携式疗法,治疗更多的病症。”

论文第一作者Nir Grossman博士说, “这只是一个开始,还有更多的工作要做,但这项成果是一个里程碑。”

可以想象,随着医疗技术的不断发展和成熟,也许会有更多像《星际迷航》医疗官Bones手中的各种黑科技会出现在现实生活中。

参考资料:

[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/

来源:奇点网   作者:王新凯

为你推荐

数因智科落地 Pre-A 轮融资,AI+RNA 双引擎发力,医药消费双赛道迈入商业化加速期资讯

数因智科落地 Pre-A 轮融资,AI+RNA 双引擎发力,医药消费双赛道迈入商业化加速期

本轮融资由科创板上市生物科技企业嘉必优独家领投,中信建投资本、临港数科基金、闵行金投、康容药业、大零号湾创投等产业资本与国资基金联合跟投

2026-06-02 19:40

阿里达摩院急性主动脉综合征CT平扫AI诊断软件纳入创新医疗器械特别审查程序资讯

阿里达摩院急性主动脉综合征CT平扫AI诊断软件纳入创新医疗器械特别审查程序

近日,创新医疗器械特别审查申请审查结果公示(2026年第8号)显示,阿里达摩院研发的急性主动脉综合征CT平扫图像辅助分诊软件(DAMO iAorta)已被纳入进入国家药品监督管理局的...

2026-06-02 17:19

众生药业昂拉地韦颗粒纳入优先审评品种名单资讯

众生药业昂拉地韦颗粒纳入优先审评品种名单

6月2日,众生药业发布公告,近日,根据国家药监局药品审评中心发布的公示信息,公司控股子公司广东众生睿创生物科技有限公司自主研发的创新药物昂拉地韦颗粒被CDE纳入优先审评品...

2026-06-02 17:01

国家药监局关于医疗器械分类调整有关工作的公告资讯

国家药监局关于医疗器械分类调整有关工作的公告

为加强医疗器械分类管理,根据《医疗器械监督管理条例》《医疗器械注册与备案管理办法》《体外诊断试剂注册与备案管理办法》等相关要求,进一步明确调整医疗器械(含体外诊断试...

2026-06-02 15:45

海思科与礼来达成BD合作,核心产品环泊酚注射液美国获批上市资讯

海思科与礼来达成BD合作,核心产品环泊酚注射液美国获批上市

海思科宣布与礼来达成合作,于 2026 年 5 月 29 日签署《授权与研发合作协议》。

2026-06-02 10:56

飞利浦影像引导治疗系统在华装机突破6000台资讯

飞利浦影像引导治疗系统在华装机突破6000台

以平台聚合本土创新生态,助力泛血管诊疗提质发展

2026-06-01 18:11

国内首个裸质粒基因治疗药物获批资讯

国内首个裸质粒基因治疗药物获批

近日,国家药品监督管理局批准北京诺思兰德生物技术股份有限公司申报的塞多明基注射液(商品名:华索灵)上市,用于治疗不适合血运重建手术或手术效果不佳的严重下肢缺血(下肢...

2026-06-01 16:05

康方生物PD-1/VEGF依沃西头对头百济神州PD-1替雷利珠单抗III期结果资讯

康方生物PD-1/VEGF依沃西头对头百济神州PD-1替雷利珠单抗III期结果

6月1日,在2026年美国临床肿瘤学会(ASCO)年会上,康方生物对外发布了PD-1 VEGF双抗依沃西联合化疗对比百济神州PD-1替雷利珠单抗(商品名 百泽安)联合化疗,一线治疗晚期鳞...

2026-06-01 14:49

医保药店套刷众生相资讯

医保药店套刷众生相

通过数据比对发现参保人王某某存在异常开药行为,其同一天内多次在北京市、陕西省宝鸡市、河北省涿州市等地的多家定点医疗机构购买医保药品。

2026-06-01 13:25

最新,华大智造、特宝生物被调出科创50,上海莱士、泰格医药等被调出沪深300资讯

最新,华大智造、特宝生物被调出科创50,上海莱士、泰格医药等被调出沪深300

5月29日,中证指数公司发布最新沪深300、科创50等指数样本调整方案。

2026-06-01 10:46

2026国家医保目录调整申报今日启动,一图读懂资讯

2026国家医保目录调整申报今日启动,一图读懂

今日,国家医保局正式对外发布2026年国家医保及商保调整工作方案。整体工作阶段基本与往年相同,分为准备阶段、 申报阶段、 专家评审阶段、 谈判 竞价 价格协商阶段以及公...

2026-05-31 13:09

礼来150周年庆典恰逢上海乒乓热,以运动精神赋能健康未来资讯

礼来150周年庆典恰逢上海乒乓热,以运动精神赋能健康未来

与科学减重科普大使许昕共议体重管理“破局之道”

2026-05-31 11:54

CROWN研究7年随访数据,创晚期非小细胞肺癌最长无进展生存期纪录资讯

CROWN研究7年随访数据,创晚期非小细胞肺癌最长无进展生存期纪录

该研究旨在评估第三代ALK抑制剂洛拉替尼对比第一代ALK抑制剂在既往未经治疗的间变性淋巴瘤激酶(ALK)阳性晚期或转移性非小细胞肺癌(NSCLC)患者中的疗效

2026-05-30 14:41

“诺奖级”靶向蛋白降解策略迎来新证据 CELMoD药物MezigdomideⅢ期中位PFS翻倍资讯

“诺奖级”靶向蛋白降解策略迎来新证据 CELMoD药物MezigdomideⅢ期中位PFS翻倍

CELMoD药物的首个Ⅲ期研究结果以突破性摘要形式在2026年ASCO年会上公布

2026-05-30 14:38

因美纳推出首个支持高灵敏度MRD研究的全基因组测序解决方案资讯

因美纳推出首个支持高灵敏度MRD研究的全基因组测序解决方案

先进研究工作流程,支持在治疗期间及治疗后快速、灵活地开展分子残留病灶检测

2026-05-29 14:30

百济神州安泰适(注射用塔拉妥单抗)再获新适应症,获批扩展至小细胞肺癌二线及以上治疗资讯

百济神州安泰适(注射用塔拉妥单抗)再获新适应症,获批扩展至小细胞肺癌二线及以上治疗

5月29日,百济神州宣布,安泰适(注射用塔拉妥单抗)获得国家药品监督管理局(NMPA)新增适应症批准,用于既往接受过1种系统性治疗(包括含铂化疗)失败的广泛期小细胞肺癌(ES-...

2026-05-29 14:08

信达生物与辉瑞达成总交易额105亿美元的Co-Co合作资讯

信达生物与辉瑞达成总交易额105亿美元的Co-Co合作

信达生物制药集团今日发布公告宣布与辉瑞达成战略合作协议。协议涵盖多种合作模式,包括许可、共同开发及共同商业化(Co-Co);合作资产组合覆盖多款具有新型差异化载荷的抗体偶...

2026-05-29 12:58