《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

远大医药优敏速®获批,成为中国唯一严重过敏院外急救肾上腺素鼻喷剂资讯

远大医药优敏速®获批,成为中国唯一严重过敏院外急救肾上腺素鼻喷剂

远大医药(0512 HK)发布公告,公司近期布局的全球首款用于紧急治疗I型过敏反应(包括严重过敏反应)的肾上腺素鼻喷雾剂Neffy®(优敏速®)已获国家药监局颁发药品注册证书。

2025-12-29 19:03

中华人民共和国危险化学品安全法,2026年5月1日起施行资讯

中华人民共和国危险化学品安全法,2026年5月1日起施行

2025年12月27日第十四届全国人民代表大会常务委员会第十九次会议通过。

2025-12-29 16:54

首个国产CTLA-4单抗获批资讯

首个国产CTLA-4单抗获批

近日,信达生物发布公告,宣布达伯欣(伊匹木单抗N01注射液,细胞毒性T淋巴细胞相关蛋白4(CTLA-4)单抗,研发代号:IBI310)获得中国国家药品监督管理局(NMPA)批准上市。

2025-12-29 16:30

我国首个核医疗示范基地在苏州启用资讯

我国首个核医疗示范基地在苏州启用

12月27日,我国首个核医疗示范基地,在苏州大学附属第二医院(核工业总医院)浒关院区正式建成启用。

2025-12-29 11:32

AI健康应用“蚂蚁阿福”今日发布声明:健康问答结果中没有广告,也不存在商业排名资讯

AI健康应用“蚂蚁阿福”今日发布声明:健康问答结果中没有广告,也不存在商业排名

今日,AI健康应用“蚂蚁阿福”发布官方声明,明确表示,阿福的问答结果中没有任何广告推荐、不存在商业排名,也不受其他商业因素干扰,用户可以放心使用。

2025-12-29 11:13

脑机接口等8款产品纳入优先审批高端医疗器械目录(2025版)资讯

脑机接口等8款产品纳入优先审批高端医疗器械目录(2025版)

​12月26日,国家药监局发布优先审批高端医疗器械目录(2025版)。

2025-12-27 21:39

优赫得在华获批为首个用于既往在转移性疾病阶段经一种或一种以上内分泌治疗进展的HER2低表达或超低表达乳腺癌患者的HER2靶向疗法资讯

优赫得在华获批为首个用于既往在转移性疾病阶段经一种或一种以上内分泌治疗进展的HER2低表达或超低表达乳腺癌患者的HER2靶向疗法

基于DESTINY-Breast06 III期试验结果:德曲妥珠单抗相较化疗展现出显著优势,中位无进展生存期超过一年

2025-12-26 17:12

ADC 创新药新锐翎泰天润完成近亿元 Pre-A 轮融资,加速自免与肿瘤领域临床突破资讯

ADC 创新药新锐翎泰天润完成近亿元 Pre-A 轮融资,加速自免与肿瘤领域临床突破

本轮融资由磐霖资本与杏泽资本联合领投,天使轮股东骊宸元鼎、联想之星持续加注,资金将重点用于核心产品 2026 年临床试验推进及多适应症管线布局拓展。

2025-12-26 17:08

血霁生物完成过亿元B1轮股权融资首关和过亿元债权融资资讯

血霁生物完成过亿元B1轮股权融资首关和过亿元债权融资

本轮融资将加速推进其核心管线临床试验与全球化布局,为解决临床血源短缺、血液传播疾病等痛点注入强劲动力,标志着中国体外造血技术商业化进入关键阶段。

2025-12-26 17:03

浙江将首版商保创新药目录19个品种全部纳入“双通道”范围资讯

浙江将首版商保创新药目录19个品种全部纳入“双通道”范围

12月25日,浙江省医保局发布2026年该省纳入“双通道”管理药品名单,除最新国谈药品及2025年纳入“双通道”药品调整外,浙江将首次商保创新药目录中的19个药品全部纳入。

2025-12-26 14:33

自2026年5月1日起施行,《医疗器械出口销售证明管理规定》发布资讯

自2026年5月1日起施行,《医疗器械出口销售证明管理规定》发布

本规定自2026年5月1日起施行。2015年6月1日原国家食品药品监督管理总局《关于发布医疗器械产品出口销售证明管理规定的通告》(2015年第18号)同时废止。

2025-12-26 13:45

天津医科大学总医院原党委书记张建宁正接受纪律审查和监察调查资讯

天津医科大学总医院原党委书记张建宁正接受纪律审查和监察调查

中央纪委国家监委网站讯,据天津市纪委监委消息:天津医科大学总医院原党委书记张建宁涉嫌严重违纪违法,目前正接受天津市纪委监委纪律审查和监察调查。

2025-12-26 10:33

医学生物医药领域《鼓励外商投资产业目录》2025年版与2022年版对比资讯

医学生物医药领域《鼓励外商投资产业目录》2025年版与2022年版对比

近日,经国务院同意,国家发展改革委、商务部公开发布了《鼓励外商投资产业目录(2025年版)》,这是时隔3年后更新该目录。

2025-12-25 16:49

施伟伟教授:2025年肺癌内科治疗进展盘点资讯

施伟伟教授:2025年肺癌内科治疗进展盘点

2025年小细胞肺癌(SCLC)因 Tarlatamab 双抗与芦比替定前移而迎来新生;非小细胞肺癌(NSCLC)在EGFR耐药、围手术期免疫、HER2 和 ROS1 TKI精准治疗以及脑转移关注上都有...

2025-12-25 14:19

国产肿瘤电场治疗仪获批上市,用于治疗脑胶质瘤资讯

国产肿瘤电场治疗仪获批上市,用于治疗脑胶质瘤

12月24日,国家药品监督管理局正式批准湖南安泰康成生物科技有限公司的肿瘤电场治疗仪注册申请(国械注准20253092649)

2025-12-25 14:14

博迈医疗创业板IPO获受理,拟募资17亿加码血管介入器械研发与产业化资讯

博迈医疗创业板IPO获受理,拟募资17亿加码血管介入器械研发与产业化

12月24日,广东博迈医疗科技股份有限公司(简称“博迈医疗”)创业板IPO申请正式获得受理。

2025-12-25 14:06

注射用德曲妥珠单抗(优赫得)中国获批第五项适应症资讯

注射用德曲妥珠单抗(优赫得)中国获批第五项适应症

今日,第一三共宣布,优赫得(注射用德曲妥珠单抗)在中国获批,用于治疗既往在转移性疾病阶段经一种或一种以上内分泌治疗进展的,不可切除或转移性激素受体(HR)阳性、HER2低...

2025-12-25 13:32

国家免疫规划双价HPV疫苗集中采购入围单价27.5 元资讯

国家免疫规划双价HPV疫苗集中采购入围单价27.5 元

近日,万泰生物和沃森医药相继发布公告,其二价HPV疫苗入围 2025 年国家免疫规划疫苗集中采购项目—双价人乳头瘤病毒疫苗采购项目,入围单价为人民币 27 5 元。

2025-12-24 11:13

诺和诺德口服版司美格鲁肽减肥适应症获FDA批准资讯

诺和诺德口服版司美格鲁肽减肥适应症获FDA批准

美东当地时间12月22日,诺和诺德适用于减肥的重磅GLP-1类药物司美格鲁肽口服版正式获得美国FDA批准。

2025-12-24 10:53

港股市场再添数字健康新标的,AI + 全链条生态受资本追捧资讯

港股市场再添数字健康新标的,AI + 全链条生态受资本追捧

综合数字健康平台轻松健康集团(股票代码:02661 HK)正式在香港联合交易所主板挂牌上市。

2025-12-23 18:09