脑刺激

脑刺激（英文：Brain Stimulation），是指通过物理或化学手段，非侵入性或微侵入性地干预大脑神经活动，以研究其功能、治疗神经精神疾病或增强认知能力的技术方法的总称。根据作用原理和侵入性程度，可分为非侵入性脑刺激和侵入性脑刺激两大类。

通过颅外施加物理能量（电、磁）调控皮层神经元活动。

• 经颅磁刺激（TMS）
  • 原理：利用快速变化的强电流通过刺激线圈，产生瞬变的强磁场，无衰减地穿透颅骨，在大脑皮层感生出感应电流，使神经元去极化。
  • 类型
    • 单脉冲TMS：用于研究皮层兴奋性、运动阈值、皮层映射。
    • 重复TMS（rTMS）：分为高频rTMS和低频rTMS。高频通常增加皮层兴奋性，低频通常抑制皮层兴奋性。效应可持续到刺激停止后一段时间。
  • 应用
    • 研究工具：探讨认知、感知、运动功能的因果性。
    • 临床治疗：FDA批准用于重度抑郁症、强迫症、偏头痛的预防及吸烟成瘾的治疗。广泛用于研究精神分裂症、焦虑障碍、卒中后康复、慢性疼痛等。
• 经颅电刺激（tES）
  • 原理：通过在头皮电极施加微弱直流电或交流电，调节皮层神经元的静息膜电位，从而调制其兴奋性。
  • 类型
    • 经颅直流电刺激（tDCS）：阳极通常兴奋皮层，阴极抑制皮层。
    • 经颅交流电刺激（tACS）：以特定频率调制脑节律。
    • 经颅随机噪声刺激（tRNS）。
  • 应用：研究认知增强、运动学习、情绪调节及多种疾病的辅助治疗（如抑郁症、卒中康复、慢性疼痛）。其疗效证据强度通常低于rTMS。
• 经颅聚焦超声（tFUS）
  • 原理：使用低频超声波，可无创地聚焦于深部脑区，通过热效应或机械效应调控神经元活动。
  • 应用：新兴技术，用于研究深部脑区功能及潜在治疗。

需要手术植入装置，直接作用于脑组织或神经。

• 深部脑刺激（DBS）
  • 原理：通过立体定向手术将电极植入大脑深部特定核团（如丘脑底核、苍白球内侧部、丘脑腹中间核用于帕金森病；伏隔核、内囊前肢、胼胝体下扣带回用于难治性抑郁症/强迫症），连接至植入胸前的脉冲发生器，持续发放高频电脉冲，以调节异常神经环路活动。
  • 应用：FDA批准用于帕金森病、特发性震颤、肌张力障碍、癫痫的治疗。是难治性强迫症、重度抑郁症的重要研究性疗法。
• 迷走神经刺激（VNS）
  • 原理：通过颈部手术将电极缠绕在左侧迷走神经上，间歇性发放电脉冲，信号经孤束核传至广泛脑区，调节神经递质和脑网络活动。
  • 应用：FDA批准用于难治性癫痫和难治性抑郁症的辅助治疗。
• 反应性神经刺激（RNS）
  • 原理：植入式闭环系统，实时监测脑电，在检测到癫痫样活动开始时立即给予刺激，以阻断发作。
  • 应用：用于局灶性起源的难治性癫痫。
• 皮层电刺激
  • 原理：术中直接在大脑皮层表面放置电极格栅，进行功能性映射或慢性刺激。
  • 应用：癫痫术前定位功能区，或用于卒中后康复研究。

脑刺激并非简单“激活”或“抑制”脑区，而是调节异常的神经振荡、平衡兴奋/抑制比例、诱导突触可塑性、并重塑大规模脑网络的功能连接。例如，DBS可能通过“干扰”或“重整”病理性振荡节律；rTMS通过类似于长时程增强/抑制的机制诱导突触可塑性变化。

• 治疗领域
  • 运动障碍：DBS是帕金森病等疾病的金标准外科疗法。
  • 精神疾病：rTMS和tDCS用于抑郁症；DBS用于难治性强迫症和抑郁症。
  • 癫痫：VNS、RNS、DBS作为药物难治性癫痫的选项。
  • 疼痛：运动皮层刺激用于神经病理性疼痛。
  • 康复：用于卒中后运动、言语和认知康复。
• 安全性
  • 非侵入性：总体安全。TMS主要风险为诱发癫痫（罕见），需规范操作；tDCS副作用轻微（皮肤刺激、头痛）。
  • 侵入性：手术相关风险（出血、感染）、硬件并发症、以及可能的精神神经副作用（如情绪、认知、言语改变）。需严格评估风险获益比。
• 个体化与精准化
  • 未来的方向是基于神经影像、脑电和计算模型，实现靶点、参数和刺激模式的个体化精准调控。

• 认知增强与神经伦理：健康人使用tDCS等非侵入性技术进行“神经优化”的伦理问题。
• 脑机接口（BCI）：脑刺激可作为BCI的输出部分，用于感觉替代或运动恢复。
• 闭环刺激：根据实时神经信号自适应调整刺激参数。

• George, M. S., & Post, R. M. (2011). Daily left prefrontal repetitive transcranial magnetic stimulation for acute treatment of medication-resistant depression. American Journal of Psychiatry, 168(4), 356-364.
• Benabid, A. L., Chabardes, S., Mitrofanis, J., & Pollak, P. (2009). Deep brain stimulation of the subthalamic nucleus for the treatment of Parkinson’s disease. The Lancet Neurology, 8(1), 67-81.
• Nitsche, M. A., & Paulus, W. (2000). Excitability changes induced in the human motor cortex by weak transcranial direct current stimulation. The Journal of Physiology, 527(3), 633-639.
• Mayberg, H. S., Lozano, A. M., Voon, V., McNeely, H. E., Seminowicz, D., Hamani, C., ... & Kennedy, S. H. (2005). Deep brain stimulation for treatment-resistant depression. Neuron, 45(5), 651-660.
• Fox, M. D., Buckner, R. L., Liu, H., Chakravarty, M. M., Lozano, A. M., & Pascual-Leone, A. (2014). Resting-state networks link invasive and noninvasive brain stimulation across diverse psychiatric and neurological diseases. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111(41), E4367-E4375.
• Lefaucheur, J. P., Aleman, A., Baeken, C., Benninger, D. H., Brunelin, J., Di Lazzaro, V., ... & Ziemann, U. (2020). Evidence-based guidelines on the therapeutic use of repetitive transcranial magnetic stimulation (rTMS): An update (2014–2018). Clinical Neurophysiology, 131(2), 474-528.
• Kuo, M. F., & Nitsche, M. A. (2012). Effects of transcranial electrical stimulation on cognition. Clinical EEG and Neuroscience, 43(3), 192-199.
• 陈昭燃, & 韩济生. (2015). 经颅磁刺激在疼痛治疗中的应用. 中国疼痛医学杂志, 21(2), 81-85.
• 李晓明, & 张玉梅. (2018). 深部脑刺激治疗帕金森病的研究进展. 中华神经科杂志, 51(3), 228-232.