基于时间干涉电场的非侵入式深部脑刺激法

现有的侵入式的深部脑刺激方法需要在头盖骨上开孔，同时潜在有感染、中风等风险，另外，TMS或tDCS等非侵入的方法虽然可以刺激深部脑组织，但是不可避免地会同时刺激到目标区域上方的脑部位。
该文的特色在于发现虽然高频的电场（比如：大于1000Hz）并不能引起脑神经的振荡，但同时在颅外施加两个高频电场，并且两电场的频率存在微小差异时（比如同时施加2000Hz和2010Hz的电流），神经细胞就可以以这个差异值的频率（包络频率：10Hz）被激活、以几乎相同的频率开始发放。此时效果与直接用10Hz的电流去刺激该区域神经细胞类似。他们将这一刺激手法称为时间干涉刺激（Temporal Interference Stimulation）。被激活的部位是两股电流互相干涉时所在的区域（参考图1，右图头颅模拟图的左右两边为两个施加不同频率电流的电极，中间红色为被电流激活的脑区）。该实验中确认了单独使用2000Hz的电流并无此效果，但在单独使用2000Hz的电流时，如果使用0.25s的速度从无到有施加电流则可以观察到在刚开始施加电流时的一个瞬时的发放，但是如果以0.5s的速度则连这种瞬时发放也观测不到了（参考图2，从左到右分别是时间干涉刺激法使得神经细胞被激活，使用10Hz电极刺激激活，以及单独2000Hz电流刺激不会激活神经细胞但会在刚开始出现一次瞬时发放）。

图1

图2

对于被刺激部位可以通过调节电极安放在头颅上的位置以及设置两个电极的电流的比例而改变。比如，在保持两电极的电流总和不变，但比例变为1:2.5的情况下，那么被刺激发放的神经细胞部位会向电流较低的电极位置靠近、比1:1的情况下会从头颅中心向低电流电极偏移大约20%（参考图3），如果电流比例改为1:4，则被刺激发放的位置就更靠近低电流电极，大约偏移35%（参考图4）。
图3

图4

对于该方法是否只刺激了深部脑区而没有误刺激到目标区域上方的浅层部位，实验人员使用了c-fos来标记深部（小鼠海马）和浅部（海马上部皮层）的神经元活动。因为只要神经元有活动，就会表达出c-fos基因，所以可以通过它来判断哪里的神经元活动了。如果是用普通10Hz电流（持续20分钟）进行经颅刺激，那么c-fos就会同时在海马和皮层被表达，而使用该文的时间干涉刺激法则只有海马的神经细胞被激活，电极间的会受到电场最大影响的皮层部位则没有观察到c-fos被表达（参考图5，上方为使用普通10Hz电流进行刺激的结果，绿色荧光表示的c-fos在浅部皮层的i，ii，iii和深部的海马iv都有表达；下方为该文章的方法，只看到海马iv存在c-fos的表达）。
图5

接下来，对于该方法的安全性，实验人员采用清醒的小鼠进行电刺激，然后在24小时后，对小鼠进行免疫组织化学检测，使用了DNA损伤标识物、小胶质细胞标识物等等，发现时间干涉刺激法并未改变神经元密度或细胞凋亡数。也未发现小胶质细胞和星形胶质细胞的失活以及突出密度的变化。
最后，实验人员使用该方法激活神经细胞（运动皮层）以激发小鼠的运动。以1:4的电流比例，采用2000Hz配合2010Hz的电流刺激可以引发10Hz的小鼠对侧的前爪的活动，改变两股电流的频率差（从1Hz到15Hz）可以相应改变小鼠前爪活动的频率，但不会改变运动阈值（1000微安左右）。将承载电流从1000Hz到4000Hz内变动的话则会改变运动阈值。
总而言之，采用带有微小频率差异的两股高频电流可以无侵入地、精准地刺激深部脑区，同时未观察到副作用，将来该方法或许可以用于人的身上，治疗帕金森病等等。

原文文献：Noninvasive Deep Brain Stimulation via Temporally Interfering Electric Fields Grossman, Nir et al. Cell , Volume 169 , Issue 6 , 1029 - 1041.e16）