NEJM综述:DBS推动人类进入主宰神经网络的新纪元

2022-02-27 16:40:33

电不仅是一种自然现象,也是一种能量。

电也是现代科学的产物。

电的发现和应用极大地节省了人类的体力劳动和脑力劳动,使人的力量长出翅膀,使人类的信息触角继续延伸。电力对人类生活的影响有两个方面:能量的获取、转换和传递,以及电子信息技术的基础。然而,今天,我们不知道人类在很久以前就一直用电力治疗各种疾病。

公元50年,罗马皇帝克劳德一世的宫廷医生斯克里博尼乌斯·拉格斯开始使用射线治疗头痛和痛风。1000年后,大脑刺激治疗疾病的想法重新燃起。1786年,路易吉·加瓦尼(Luigi Gavani)证明青蛙腿上的神经可以传导电。此后,阿莱桑德罗·伏特提出了电的接触理论,使电流通过导线,并发明了第一种能产生稳定和持久电流的装置,即“电压叠加”装置。电接触理论是由Alessandro Volt提出的,它使电流通过导线,并发明了第一种产生稳定和持久电流的装置。

然而,这些伟大的科学家并没有预言他们的科学和技术成就可以通过在人脑中发电来治疗疾病。

2014年9月8日,被称为诺贝尔叶片的拉斯克奖公布了获奖者名单。法国约瑟夫傅立叶大学的Alim Louis Benabid博士和美国埃默里大学医学院的Mahlon R.DeLong博士于2014年获得了拉斯克临床医学奖。他们发现,脑深部刺激丘脑底核可以帮助帕金森患者减少震颤,恢复运动,改善100000多名帕金森病或其他神经或神经精神障碍患者的生活质量。

Alim Louis Benabid right:Mahlon R deong。

2014年4月11日是第17个世界帕金森日。目前,我国60岁以上人群中帕金森病患病率约为1%。目前,中国大陆有200万帕金森病患者,占全国老年人口的1%。每年新增100000个病例。预计在25年后,该国的病人人数将达到500万人。

帕金森病是一种常见的神经系统疾病,被称为慢性癌症,是一种常见的致残疾病,患者不能靠自己生存,其危害性仅次于肿瘤、心脑血管疾病。帕金森病的病因尚不清楚,一般认为与年龄、遗传和环境有关。

帕金森病的主要症状和体征如下:1、各种运动症状,包括面部表情、低音、静止性震颤、书写障碍、强直、运动迟缓、肌张力障碍、平衡障碍和步态障碍;2、非运动症状,包括抑郁、焦虑、冷漠、睡眠障碍和认知障碍。3.自主神经系统问题,包括性功能障碍、便秘、胃肠疾病和立位性低血压。

一般来说,帕金森病患者在60岁或70岁时被诊断,年龄是该疾病最重要的危险因素。据估计,超过60岁的1%至2%的人受到年龄因素的影响。在一般人群中,三分之一的人患有帕金森病,其中一些人在一年内失业,大部分人在五年内失业。帕金森病患者平均每年花费1000美元用于药物治疗,住院风险高达30%。

虽然帕金森氏病不能完全治愈,但研究发现,发病1至3年后开始治疗的患者的自我护理能力、活动能力和生活质量明显优于仅在发病后4至6年开始治疗的患者。因此,在发病早期选择正确的治疗方案是关键。

在20世纪60年代末之前,研究人员研究了由科学先驱者对人脑运动运输通路进行分割后,从基底节区域提取酒精或热量的帕金森氏病的相关区域。虽然这些方法取得了有限的成功,但有些方法是错误的、不准确的或结果不一致的。此外,蓄意频繁的双侧脑损伤会导致言语、吞咽和认知功能的不可逆转的损害。但是随着左旋多巴的发现,外科手术变得流行起来。

在左旋多巴出现之前,帕金森病患者的生活质量很差。自左旋多巴问世以来,帕金森病患者已从冰冻状态中苏醒过来,震颤减轻,强直减弱,行走能力恢复,几乎所有患者都能在家中生活得很好。

然而,最重要、最令人担忧、意想不到的挑战出现了-多巴胺相关的药物治疗并发症.患者开始报告疾病波动(随着剂量的减少)、冰冻(尤其是走路时)、舞蹈样运动(舞蹈疾病)和左旋多巴引起的运动障碍,还有一些患者报告说长期使用左旋多巴对震颤没有治疗作用。虽然左旋多巴给许多帕金森病患者带来了奇迹,但人们逐渐认识到长期使用左旋多巴会使其失去疗效,并可能加重帕金森病患者的症状。

20世纪70年代初,在左旋多巴(Levodopa)引入后不久,马伦·德龙(Mahlon DeLong)开始研究大脑中复杂、被忽视的区域在此之前,DeLong博士加入了美国国立卫生研究院的EdwardEvart实验室。有前途的大脑区域,如运动皮层和小脑,长期以来一直被分配给其他研究人员,但他只能研究基底节区。

即使对大脑的正常解剖生理学知之甚少,德龙博士也无法阻止他探索这一领域。DeLong博士发表了一篇关于EEG活动模型的描述,并完整地描述了这些神经元对神经基底节区神经元运动反应的反应。

1986年,在对Garrett Alexander和Peter Strick的研究之后,DeLong博士提出了“孤立电路假说”。从那时起,这一开创性的假说为基底节和帕金森病的开放研究打开了大门。他发现,基底节区和皮层,丘脑的相关区域(只有少量的功能或解剖通路)可以分为不同的区域。这一发现使人们对脑神经网络有了新的认识,并为电调制的研究做了进一步的准备。

研究表明,许多神经和神经精神病学的症状可能与特定的皮质基底节区脑回路功能障碍有关。DeLong博士、Hagai Bergman博士和Thomas Wichmann博士通过破坏帕金森病灵长类动物模型的丘脑下核来验证这一假说,从而改善了帕金森病的症状。

无花果。博士1:德龙的基底节区电路“盒”模型

图A显示正常基底节区脑回路,黑箭头为抑制性活动,浅色箭头为兴奋性活动。图B显示帕金森氏病大脑回路的变化。黑质退化时,整个回路的生理输出发生变化。内侧苍白球和黑质网状结构具有特定的变化率和细胞活动模式,从而抑制了丘脑和大脑皮层的活动。粗线表示活动增加,细线表示活动减少。

Mahlon DeLong通过记录不同脑区的脑电活动来设计这个盒子模型,这表明帕金森病的症状是通过特定的回路区病变来改善的。无花果。C显示基底节区是如何通过将脑深部刺激器插入基底丘脑核来改变的。图A和图B所涵盖的区域由图C中的红色阴影表示。

不久,电作为帕金森病脑回路的一种调制方法逐渐被引入。法国神经外科医生阿利姆·路易斯·贝纳比德在此基础上迈出了勇敢的一步。Alim-LouisBenabid在帕金森病患者的大脑中植入刺激电极来治疗震颤,埋在皮肤下的电线可以为大脑提供持续的电流。

1987年,贝纳比德对一位有震颤症状的老年人进行了手术。在此之前,他通过手术损伤来治疗震颤,在第二次手术中,他处理了对侧震颤,担心另一个半球的手术损伤可能会对病人产生潜在的不良影响。作为回应,他进行了一项大规模的测试,以探索大脑表面下有多少厘米。

从以前的手术中,他了解到低频刺激会加重震颤,但快速冲动可以抑制震颤.因此,贝纳比德在大脑中有一个神经刺激器(深层脑刺激器)。

深部刺激器,又称脑起搏器,是一种利用立体定向技术将刺激器置于基底节区或丘脑靶区,为深部脑组织特定部位提供连续脉冲刺激的设备。它的电极由四个电极触点组成,导线连接到外部电源,电极通过埋在皮肤下的电线连接到放置在胸部皮下组织中的脉冲发生器。通过开关控制器,可以调节所有的刺激参数,如刺激频率、刺激强度和波形宽度。

虽然深部脑刺激的生物学机制尚不清楚,但我们现在知道人类大脑功能在很大程度上是由不断重复的振幅调节的。这些振幅可以改变或调整,并最终影响我们的认知、行为和运动功能。如果出现振幅问题,就会导致震颤或帕金森病的其他症状。

因此,深部脑刺激疗法可以帮助治疗某些疾病的脑回路异常振幅。神经生理、神经化学、神经和血管以及神经再生的改变可能支持深部脑刺激疗法的有效性。

1987年以来,脑深部电刺激的发展历程如下:1992年8月,欧洲多中心纤颤临床研究所首次纳入100多例脑电刺激患者。1995年2月,欧洲、加拿大和澳大利亚采用地中海丘脑刺激疗法治疗原发性和帕金森氏症。

1995年秋季,世界各地18个使用丘脑底核或苍白球刺激控制严重帕金森病的Medtronic临床研究中心首次纳入试验,其中包括美国、欧洲、加拿大和澳大利亚的160名患者。1997年7月,美国采用Medtronic起搏器震颤控制疗法治疗原发性震颤和帕金森震颤。

1998年4月,欧洲、加拿大和澳大利亚采用Medtronic型脑起搏器帕金森病治疗重症帕金森病的运动障碍。2002年1月,美国采用Medtronic脑起搏器帕金森病控制疗法治疗重度帕金森病的运动障碍。

在脑深部刺激疗法发展之前,神经科医生、神经外科医生、精神病学家和康复治疗师在治疗帕金森病的过程中是相互独立的。深部脑电刺激治疗的成功,促进了多学科(康复)综合群体的形成,克服了职业偏见,加强了各学科之间的沟通、互动和良好合作,确保了综合治疗的有效运作。

这种个体化治疗包括基于症状的脑靶区的选择和围手术期的护理。尽管深脑刺激小组有许多成员,但最重要的成功因素是神经学家和神经外科医生之间的合作。结果,拉斯克基本医学奖颁给了神经学家马伦·德龙博士,他对脑深部刺激做出了突出贡献,以及神经外科医生阿利姆·路易斯·贝纳比德博士。

神经回路生理学的实时监测促进了智能技术的发展。将出现更小、更时尚、更高效和节能的设备,当前传输将越来越准确,远程监控和设备调整可能成为可能。

在目前形式上,该技术也有一定的局限性。电流可以传递到无意识的大脑区域,引起副作用,而深部脑刺激通常并不能有效地治疗所有症状。在大多数情况下,神经刺激器的电源放在锁骨下区域,但这种配置增加了骨折和感染的风险。

深部脑刺激设备

图A显示位于颅骨内的神经刺激器(电池源),这降低了骨折和潜在感染的风险。图B显示了一根嵌入大脑的电线,并通过一条延展的线连接到锁骨下方的神经刺激器上。图C显示了临床医生在床边用编程装置改变患者神经刺激器参数的情况。

然而,脑深部刺激对帕金森病的治疗仍有很大影响。在过去的几十年里,深部脑刺激已经从一种高度实验性的方法演变为对特发性震颤(家族性遗传性震颤)、肌张力障碍、癫痫、强迫症、抑郁症和阿尔茨海默氏病(阿尔茨海默病)的高度有效的外科治疗。

深部脑电刺激治疗帕金森病的常见靶点

深部脑电刺激治疗特发性震颤的常见靶点

深部脑刺激是癫痫的常见靶点。

深部脑电刺激治疗肌张力障碍的常见靶点

深部脑刺激治疗强迫症常见靶点

深部脑电刺激治疗Tourette综合征的常见靶点

深部脑电刺激治疗抑郁症的常见靶点

深部脑刺激治疗阿尔茨海默病的常见靶点

由于深部脑电刺激引起的临床效果与同一核的手术损伤相似,功能性神经外科在治疗运动障碍方面的应用发生了很大变化。事实上,在治疗顽固性震颤中,深部脑刺激已经取代了丘脑损伤,而丘脑下核或内侧苍白球核的深部脑刺激已经取代了大多数用于治疗帕金森病主要运动症状的苍白球损伤。

当病人在其他治疗中无效时,通常使用深部脑刺激。虽然它变成了一个“仿生机器人”,但它让病人复活了。由于两位杰出科学家的杰出贡献,我们已经进入了人类神经网络调制的新时代。

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