财新传媒 财新传媒

阅读:0
听报道

图源:pixabay

撰文丨猛犸 

非侵入式的磁刺激技术正在有望成为抑郁症的常规治疗方法,2月13日的《美国科学院院报》(PNAS)一篇文章的标题振奋人心——“脑刺激正在从最后手段走向一线疗法”。

更值得注意的是,在这种治疗方法中,通过标配的神经影像学技术,我们可以看到大脑在刺激下的反应,以及人类的身体在刺激带来的大脑反应下产生的行为——这为这种治疗增添了科幻色彩,它看上去几乎像是:我们在利用体外的方式与大脑进行通信。这究竟是一项什么样的技术?

让我们从头开始。这一系列技术的开端,是在1938年。那一年,几名意大利医生绑住一名39岁男子,在他的头上贴了电极,然后通上110 伏电压。

这听起来像是个恐怖故事。但事实上,这是那个时代新探索出的疗法:电击成功诱发癫痫,从而缓解了这位男子的精神分裂症状。十次治疗后,这位病人已经基本可以回归正常生活了。

除了电刺激,人们也开始研究磁场对大脑的刺激。1985年,谢菲尔德大学的安东尼·巴克尔(Anthony Barker)制作了一个能产生脉冲磁场的线圈,把它固定在受试者头顶上。大脑的顶部是运动皮层所在区域,而受试者的四肢出现了明显的抽搐——他的大脑受到了磁场影响。

在这样粗糙的实验基础上,电磁刺激治疗技术发展起来了。今天的电磁刺激技术,不仅可以缓解帕金森病、震颤和癫痫这样的神经系统疾病,也正在用于治疗强迫症、抑郁症,甚至帮助人们戒烟。而且,随着这类技术的发展,也许“脑机接口”这个概念也会随之拓展——从早期以大脑为主核心的大脑指挥万物,逐渐渗透电磁刺激指挥大脑的去中心模式。

“脑起搏器”

20世纪 70年代,脑深部电刺激(DBS,Deep Brain Stimulation)技术诞生。这种技术需要打开病患的颅骨,在脑内核团或特定脑区植入电极,然后通过脉冲电流的刺激,调控相关核团或脑区的功能,来改善症状。1987年,DBS技术开始用于运动障碍性疾病的治疗;1998年,DBS在中国首次使用。现在它有了个形象的名字,叫“脑起搏器”。

在进入 21世纪后,研究者开始尝试将“脑起搏器”用在精神疾病的缓解和治疗中。21世纪初,加拿大的研究人员通过影像学研究,找到了脑中产生情绪的关键通道。2023年,上海瑞金医院的“脑机接口治疗难治性抑郁症”临床研究小组开展了临床试验,为多位难治性抑郁症患者脑中植入电极,以体外开关控制电流刺激的电压、脉宽和频率,从而调整患者的情绪。

用具有脑机接口功能的脑起搏器,多靶点联合刺激治疗抑郁症,这是世界首次。

之所以脑起搏器可以调整情绪、改善抑郁,是因为大脑可以看成是一个电路系统——依靠各种神经递质和受体来实现。而无论是帕金森病、癫痫还是抑郁,都可以在部分程度上认为和神经细胞间的电流活动有关。

所以,如果在大脑中找到准确的位置,找到刺激效果最好的电流强度和频率,就可以在一定程度上改善病患的症状。而更进一步地,研究人员已经发现,脑起搏器会激发大脑本身的可塑性,让大脑变得更加健康。

在理论上讲起来似乎很容易,但实际上这个问题会复杂得多。每位抑郁症患者的发病原因和症状可能都不同,对应的刺激位置、电压、频率等参数的调整就十分关键。每个人对电流刺激的反应都不太一样,并不是每位患者的症状都能有明显改善——在这一点上,和其他抑郁症干预手段相似。

但技术是会持续发展的。上海市精神卫生中心强迫症诊治中心已经开始使用类似的技术治疗强迫症,同样取得了不错的效果。国内也有一些创业公司在开发类似的产品,例如有一种脑起搏器产品可以实时监测癫痫患者的脑电模式,一旦识别到癫痫发作,就立刻产生电刺激,抑制癫痫产生的异常电流。

于是脑机接口就成了关键一环——把大脑的神经网络和外部设备连接起来,通过调整参数,调控体内电极,相对准确地干预大脑。

破坏性不那么强的方法

不过,在颅骨上开洞、在胸前埋一块电路板和电池,也并非必选项。

在上世纪 90年代人们就已经发现,磁场诱导出的电流可以沿着大脑皮质表面的神经电路路径深入大脑,并带来变化。这一发现,带来了“经颅磁刺激”技术。

顾名思义,经颅磁刺激(TMS,Transcranial Magnetic Stimulation)技术是在颅骨外施加磁场,来治疗或改善特定问题。这种技术在 2008年正式进入临床使用,用于治疗那些至少尝试过一种抗抑郁药物、但未能缓解症状的成年抑郁症患者。现在,经颅磁刺激技术被认为是一种有效且安全的成人重度抑郁障碍治疗方法,再加上精确的大脑成像技术,抑郁症患者的缓解率在实验中接近 80%。

对于这种技术,持续的硬件改进和新的磁场应用方式极为重要:施加到线圈上的脉冲形状、幅度、频率、持续时间以及其他参数,经常决定了患者是否有反应。除此之外,精确定位技术也为TMS提供了重要帮助。

2021年,斯坦福大学的研究者发现增加脉冲剂量、结合个性化定位,会提高TMS的速度和效果;同时使用功能性磁共振成像,则可以保证线圈的精确定位。第二年,美国食品与药物管理局批准了这一方法——它叫做“斯坦福加速智能神经调节疗法”(SAINT,Stanford Accelerated Intelligent Neuromodulation Therapy)。

有研究者说,“这是神经影像学首次成为美国食品与药物管理局批准的精神病治疗的一部分”,这可能是TMS技术优化的关键。在大脑中进行“神经导航”,将会让医生更容易判断剂量和脉冲,从而调整刺激的大脑区域和模式。而这一优势,是植入大脑的“脑起搏器”技术所不具备的。

当然,即使脑起搏器和TMS技术与当前的常用治疗方式同样安全有效,但研究者依然在努力理解这些技术在细胞层面的工作原理。目前我们已经知道,能量影响神经元的动作电位,改变细胞的活动,而且时间越长,会变得越好;但依然需要进一步的研究:例如,神经回路是如何受到影响的?刺激引起的变化会如何影响神经递质?等等等等。

脑机接口:从单向到双向

伊隆·马斯克(Elon Musk)曾在 2020 年 5 月 7 日接受过一个采访。在谈到他在 2016 年创立的 Neuralink 公司时,这位被称为“硅谷钢铁侠”的创新企业家说,他认为脑机接口技术应该可以修复任何大脑问题,包括恢复视力、治疗瘫痪和阿尔兹海默症等。

这是对“脑机接口”这个概念的扩展。

传统上,我们将脑机接口(Brain-Computer Interface)理解成一种连接人类大脑与计算机的技术体系,它能实现人脑与大脑的直接通信。或者说,脑机接口可以记录、解释和应用大脑活动,来实现与计算机或其他设备之间交互的技术系统。这种通信往往是单向的,即人类可以通过思维来控制计算机或机器,就像《阿凡达》或者《黑客帝国》那样。 

虽然早在 1929 年,人们就发现了脑电波的存在,但通过分析脑电信号来控制外部设备的研究,还要到20 世纪 90 年代才开始发展起来。随着对大脑功能的理解愈发深入,随着计算机设备的计算能力大幅提升,在进入 21 世纪后,脑机接口技术有了长足的进步。

在早期,研究者往往通过在受试者头皮外贴上多个传感器,用高灵敏度传感器捕捉微弱的脑电信号,再把它们“翻译”成对计算机的操作。这种方法是非侵入式的,但是速度慢、准确率很低。后来人们又开发出了更多非侵入的方式,包括脑磁图(MEG)、正电子发射断层扫描(PET)、功能性磁共振成像(fMRI)和功能性近红外光谱(fNIRS)等等,经由分析思维活动所带来的大脑变化,来推断受试者的想法。

但是这些技术或者准确率不高,或者成本太高,又或者难以小型化。于是研究者开始尝试直接从大脑中获取信号——在大脑里插入细小的电极。

这类技术叫做“侵入式脑机接口”,又可以根据电极所在位置的不同而细分成脑硬膜外、脑硬膜内和脑皮质内三类。从这个角度来看,“脑起搏器”的电极是插入脑皮质内的侵入式脑机接口设备。

因为大脑的复杂性和工程技术的限制,脑机接口这个研究领域依然在艰难探索中。虽然我们都在 2014 年巴西世界杯的开幕式上,看到那位全身瘫痪的人士通过脑机接口操作外骨骼将足球踢进球门的场景,但目前这个领域还远远谈不上发展成熟。但纵然如此,它已经展现出了人机交互的新价值;无论是医疗、教育、娱乐,还是研发、生产等等各种场景,脑机接口都有巨大的想象空间。

可以看出,脑起搏器和经颅磁刺激技术,并不符合我们传统的对脑机接口的理解。这两种方法都是直接影响大脑活动,而非通过大脑控制控制外部设备或应用,或者使外部设备能够读取和解释大脑活动。它们更像是神经调控的方法,而不是直接的脑机接口。

不过,新生的概念本来就是在不断扩展的。我们对于脑机接口的理解,是建立在“传递数据”的基础上的;但通过信号直接刺激大脑来调整情绪或“重置”部分大脑功能,似乎也可以理解为从外部向大脑中传递数据——产生特定的情绪,是否可以理解成大脑对外界传入数据的反应呢? 

当一些神经系统疾病可以被脑内或颅外的刺激源改善,当情绪可以依靠外部设备生成和改变,我们会发现,这恰巧形成了传统脑机接口的镜像——指令不是从人脑到电脑,而是从电脑到人脑。

而这样的双向脑机接口,所带来的除了能想到和想象不到的新创意、新市场和新担忧外,可能还有对人的本质的更深的理解。

参考文献:

[1] Wang, F., Lai, Y., Pan, Y. et al. A systematic review of brain morphometry related to deep brain stimulation outcome in Parkinson’s disease. npj Parkinsons Dis. 8, 130 (2022). https://doi.org/10.1038/s41531-022-00403-x

[2] Wang, T., Dai, L., Lai, Y., Wang, F., Zhang, Y., Wang, Y., Li, D., Zhan, S., Bian, L., & Sun, B. (2024). Parameter-based analysis of clinical efficacy of combined bed nucleus of the stria terminalis–nucleus accumbens deep brain stimulation for treatment-resistant depression. Journal of Neurosurgery (published online ahead of print 2024). https://doi.org/10.3171/2023.10.JNS231855

[3]P. Yam, Brain stimulation poised to move from last resort to frontline treatment," PNAS 2024, Vol. 121, No. 7. https://doi.org/10.1073/pnas.2401731121

[4] R. Suleman, A brief history of electroconvulsive therapy. Am. J. Psychiatry Residents’ J. 16, 6 (2020).

[5]A. T. Barker, R. Jalinous, I. L. Freeston, Non-invasive magnetic stimulation of the human cortex. Lancet 325, 1106–1107 (1985).

[6]E. J. Cole et al., Stanford Neuromodulation therapy (SNT): A double-blind randomized controlled trial. Am. J. Psychiatry 179, 132–141 (2021).

[7] U. Chaudhary, N. Birbaumer. Brain–computer interfaces for communication and rehabilitation. Nat Rev Neurol 12, 513–525 (2016). https://doi.org/10.1038/nrneurol.2016.113

[8] Y. Wang, S. Liu, H. Wang. Neuron devices: emerging prospects in neural interfaces and recognition, Microsystems & Nanoengineering 8, 128 (2022). https://doi.org/10.1038/s41378-022-00453-4

 

话题:



0

推荐

知识分子

知识分子

3646篇文章 4小时前更新

由饶毅、鲁白、谢宇三位学者创办的移动新媒体平台,现任主编为周忠和、毛淑德、夏志宏。知识分子致力于关注科学、人文、思想。我们将兼容并包,时刻为渴望知识、独立思考的人努力,共享人类知识、共析现代思想、共建智趣中国。

文章