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。

非侵入性脑刺激

通过颅外施加物理能量（电、磁）调控皮层神经元活动。

1. 经颅磁刺激：

   • 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： 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。

2. 经颅电刺激：

   • 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： 阳极通常兴奋皮层，阴极抑制皮层。

     • 经颅交流电刺激： 以特定频率调制脑节律。

     • 经颅随机噪声刺激。

   • 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。

3. 经颅聚焦超声：

   • 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。

侵入性与微创性脑刺激

需要手术植入装置，直接作用于脑组织或神经。

1. 深部脑刺激：

   • 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。

2. 迷走神经刺激：

   • 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。

3. 反应性神经刺激：

   • 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。

4. 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。

作用机制（普遍原理）

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。

临床应用与考量

1. 治疗领域：

   • 运动障碍： DBS是PD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。

2. 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。

3. 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。

伦理与未来方向

• 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： 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。

参考文献

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6.