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在这篇文章中，我们将讨论一种治疗帕金森病的方法。帕金森病患者存在运动能力的异常，改善这些症状的一种治疗方法是向大脑深处发送电流。这种治疗方法的一个重要问题是何时发送多大强度的电流。在不了解这些内容的情况下，有时使用了过度的电流，可能会给病人带来副作用；如果发出的电流太少，病人的症状可能不会得到改善。有一种治疗设备可以动态提供反馈信息，以便及时调整电流量，只在病人真正需要的时候(当他们有不好的症状的时候)才会发送刺激信号。由于帕金森病是一种脑部疾病，在发病期间病人的大脑活动信号可能不同于没有症状的时候。想象一下你正在和朋友玩捉迷藏：你看到他躲在一棵树旁，你开始跑向树去追她；但他看到你来了，突然向另一个方向的秋千跑去！这时你会怎么做？你会按照计划继续朝树那边跑，然后再跑向秋千吗？或者直接跑向秋千？当然，如果你想抓住他，就直接往秋千那边去吧！ 你做的事情可能看起来不难，但它实际上是一件大事！你一开始计划跑向那棵树，但是当看到你的朋友改变了藏身之处，你就改变了计划。你根据朋友的动作调整你的身体动作——这称为“反馈信号”，我们一直在使用这些信号来控制我们的行为，尽管我们并不能总是意识到这一点。 再想象一下你正在篝火旁烤棉花糖：你把棍子尽可能靠近火，突然觉得手指变热了，你的手移得太近了！你甚至还没来得及考虑，手就迅速地移开了。这是因为大脑从手指那里收到了一个反馈信号，说它们变得太热了。为了响应这个信号，你改变了离火的距离——你原本打算把手移近一些，但现在新计划是把手移开！(见图1)。 当手离火太近时，手指会发出一个信号，告诉大脑它们太热了。根据这个反馈信号，大脑命令手臂远离火堆。 我们一直在利用反馈信号调整自己的行为，当身体的某些部位不能正常工作时，反馈信号也很有用。当这种情况发生时，医生可能会用一个小机器来帮助你受损的身体部位完成工作，并利用反馈信号来告诉机器何时工作。这样，机器和反馈信号就能与你身体的其他部分协同工作，确保一切正常。你听说过心脏起搏器吗？这是一个帮助心脏工作不正常的病人的小机器。如果你把耳朵放在父母的胸前，你可以听到他们的心跳。你注意到这个心跳节奏有多规律了吗？这种规律的节奏非常重要——心脏需要有规律地跳动，跳动的时间间隔要均匀，这样才能把血液输送到全身。不幸的是，有些人的心跳过快或过慢，这是非常危险的。解决这个问题的一种方法是做手术把一根微小的导线(称为电极)插入心脏，并把它连接到放置在胸部皮肤下的微型计算机上(见图2A)。当心脏没有用正确的速度跳动时，这个心脏起搏器可以通过向心脏发送短暂的电流来修复不规则的跳动。但是起搏器怎么知道什么时候发出震动呢？这就是反馈信号的作用。电极像麦克风一样记录心跳，并把心脏的“歌曲”发送给计算机，它能快速地计算出心脏跳动的速度。如果计算机注意到心跳过快或过慢，它就会通过电极发出电流(见图2B)。这种“电刺激”有助于心律恢复正常，就像年幼的孩子在骑自行车爬山坡的时候，从他们的父母那里得到额外的推动一样。电刺激提供一个小推力，帮助心跳回到正轨。微型电极放置在心脏内，并与放置在胸腔皮肤下的小型计算机相连。记录电极就像麦克风一样被用来记录心跳。心跳律动被发送到计算心脏跳动速度的电脑上。如果速度不对，电脑就会通过电极向心脏发出轻微的电击，使心脏恢复正常的节奏。 有时大脑的工作也需要额外的推动才能回到正轨。帕金森病(PD)是一种会影响人们行动的脑部疾病，它主要影响老年人，使他们的行动变得非常缓慢；它还会引起震动(这被称为震颤)。治疗帕金森病的一种工具也是一种“大脑起搏器”。在手术过程中，医生将小电极插入大脑深处，并把它们连接到放置在胸部的微型计算机上(见图3A)。这台电脑里有一块电池为设备提供动力，并控制电流刺激通过电极传递到大脑深处。这种治疗被称为脑深部电刺激疗法(DBS)。A.在大脑中放置微型电极，并与放置在胸腔皮肤下的小型计算机相连。B.从图中可以看出，帕金森病组的同步性要比对照组(健康人)高得多。在帕金森病中，大脑的“律动”是不平衡的。 在DBS期间，非常短的脉冲电流被发送到大脑(约每秒130脉冲，即130赫兹)。DBS电流在正负两个方向之间交替，但这种脉冲的形状和改变方向的速度不同于我们日常生活中使用的插座中的交流电。DBS的电极植入哪里取决于病人的症状，对帕金森病来说，通常被放入大脑中部一个叫做基底神经节的结构中(图3A)。DBS对许多帕金森病患者的异常运动有很好的控制作用，然而它并不完美。DBS存在一个问题——没有反馈信号来关闭刺激，这意味着刺激一直在进行。由于病人的症状整天都在变化：有时他们摇晃得很厉害；有时他们又移动得很慢；有时他们会感觉很好。但是，刺激不能适应这些变化，因为它没有关于病人感受的反馈，有时电刺激太强烈，会引起副作用；有时太弱，不会改善症状。回想一下和朋友玩捉迷藏的例子，如果在这种情况下得不到任何反馈，就像闭着眼睛找朋友一样，你怎么知道该往哪儿跑？这就是没有反馈的DBS的问题。因此改进DBS的一个方法就是收集反馈信号。反馈信号最好是与病人的症状相关的，但是大脑活动比心脏活动更复杂，我们还不确定哪种反馈信号最有效。许多科学家正在研究这个问题，为了找到最佳的反馈信号，他们利用病人大脑内或大脑外的电极来记录脑活动。科学家记录了帕金森病患者在感觉良好时的大脑信号，并与出现症状感觉糟糕时的大脑信号进行比较；还将将帕金森病患者的大脑信号与健康人(对照组)的进行比较。这些实验帮助科学家们确定该使用哪种信号作为反馈，告诉DBS机器何时启动。科学家们利用这些技术取得了一些重要的发现。他们发现在帕金森病中神经元会过度“同步”[1,2]——神经元总是在同一时间一起“唱歌”，而且不能互相“倾听”。我们可以把健康的大脑想象成合唱队：指挥告诉歌手(脑细胞或神经元)何时保持相同的节律(节奏)，何时需要改变节奏或保持安静；合唱队的歌手需要互相听，确保没有人唱得比其他人更响亮，并且对彼此节奏的变化做出反应。这是一个“平衡的大脑合唱”，或平衡的大脑活动。在大脑中，节律或节奏的变化与行为的变化有关。例如，如果你想移动手臂，神经元的节奏(合唱队的节奏)会改变，然后你就会移动。在帕金森病患者中，由于神经元的节律过于强烈，运动可能不正常，也不易改变，这可能会导致病人被“卡住”难以开始移动。就像合唱队中的一些歌手在同一时间一起唱歌，当需要改变节奏的时候，不听指挥或其他歌手的声音。这一小群人可能会变得越来越大声，让整个合唱队无法合作。这可能是帕金森病患者不能正常活动的原因(你可以在图3B中看到这种异常同步的一个示例)。这给了科学家们一个想法——同步的数量可能是一个很好的反馈信号。放置在大脑中的小电极记录大脑的“歌曲”，将这个“反馈信号”发送到小计算机，小计算机将计算神经元的同步程度，并决定何时改变发送到大脑的电量。当病人因为强烈的同步而感觉不舒服时，电脑会通过小电极向大脑发送电流；当患者感觉良好，同步正常时，就会减少甚至停止刺激(如图4所示)。这样可以巧妙地控制电流刺激，有助于改善症状，避免副作用。虽然这个想法还需要更多的测试，但早期的实验已经表明，使用同步量作为反馈信号确实有助于患者的症状[3]。这是非常令人兴奋的，因为这意味着帕金森病患者将很快得到更好的治疗！记录电极记录大脑的“合唱”，把它发送给计算机计算同步量。如果太过同步，大脑就会失去平衡，病人就会感觉不舒服，这时电脑通过刺激电极向大脑发出轻微的电击；一旦大脑的“合唱”很好很平衡，病人就会感觉很好，刺激也会停止。 反馈信号(Feedback signal)：返回的信息，可以用于分析是否需要调整行为或其他操作。 帕金森病(Parkinson’s disease, PD)：一种影响运动的脑部疾病。 脑深部电刺激(Deep brain stimulation, DBS)：将电流传输到大脑深处的结构的治疗方法，可以用于像PD这样的脑部疾病。 同步性(Synchronization)：同时发生。在这篇文章中，我们讨论了帕金森病患者脑细胞有太多的同步，这意味着它们在每个时刻的活动都太相似了。 [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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