脑起搏器与脑调控:从科幻到现实

作者: 李路明(清华大学教授、神经调控技术国家工程实验室主任)

来源: 赛先生

发布日期: 2014-10-28 07:55:19

本文介绍了脑起搏器的发展历程及其在治疗帕金森病等神经系统疾病中的应用,强调了中国在脑调控领域的研究和进步,以及清华大学在研发国产脑起搏器方面的成就。

素有诺贝尔生理或医学奖风向标之称的“拉斯克”奖,刚刚授予了第一个采用脑起搏器治疗帕金森病的法国医生;我国在相关研究上起步并不晚,相信在脑调控时代,一定会有中国科学家的声音。

在2014年热播的美剧《超脑特工》中,主人公Gabriel是一名有特殊天赋的探员,他的大脑中植入了一枚堪比超级计算机的微芯片,能在有效距离之内接收或控制所有电磁频谱。他成为世界上第一个能够用大脑直连接入互联网、Wifi信号、电话通讯和卫星数据的人类,可以在最短的时间内从遍及世界的“电子网格”中获取所需的信息。

2014年9月8日,有诺贝尔生理或医学奖风向标之称的拉斯克临床医学奖,授予了第一个采用脑深部电刺激疗法(俗称脑起搏器)治疗帕金森病的法国外科医生Alim Louis Benabid和研究基底节环路、为脑深部电刺激提供理论指导的美国神经内科医生Mahlon Delong。

脑起搏器的组成以及临床植入方式如图1所示:脑起搏器包括脉冲发生器、延长导线和电极三个部件,电极植入脑内,对于帕金森病来说,通常是丘脑底核,脉冲发生器植于胸前皮下,延长导线在皮下连接脉冲发生器和电极。脑起搏器产生的高频电刺激脉冲,通过电极触点作用于脑内靶点核团,抑制因多巴胺能神经元减少而过度兴奋的神经元的电冲动,减低其过度兴奋的状态,从而减轻帕金森病的震颤、僵直和运动迟缓等症状。

Delong的贡献主要是建立了基底节和大脑运动皮层神经通路的新模型,这为选择脑深部刺激的靶点选择建立了理论基础。颁奖委员会的颁奖词中,回顾了他这些激动人心的发现过程,特别是针对帕金森病模型猴的研究工作:他采用MPTP方法造了两个帕金森病模型猴,像通常一样,两只猴子的运动逐渐迟缓,他们的肌肉僵直并发生震颤。

Delong接着注射第二种化学药剂灭活丘脑底核,在一分钟以内,这些动物开始运动,渐渐的,他们的肌肉松弛了,而震颤则停止了!这些发现强烈支持这一假说:帕金森病的症状是由丘脑底核的过分活跃导致的。

Bennbid的发现则充满了戏剧性,在获奖访谈中,Benabid回忆了他的发现过程:在1987年的一天,他在给一个震颤患者做毁损手术。

他选择了一个导致震颤的丘脑的一个区域,像通常一样,这个时候患者是清醒的以便医生能够测试靶点的准确性。他将一根探针插入希望毁损的区域,先给一个电刺激以确保这一区域的毁损不会产生不良效果。通常,电刺激的频率是50Hz,他突然想如果提高频率会发生什么哪?刚刚接近100Hz, 意想不到的事情发生了,震颤停止了!患者非常安静,Benabid觉得他可能让患者产生了无意识的肌肉收缩。

他赶紧停掉电刺激并为自己的错误向患者道歉,患者却告诉根本不需要道歉,这是患病以来他的手第一次不再震颤了!Benabid重复了这个过程,结果完全完全相同,他发现,当他关掉刺激后,震颤又出现了,这个现象是可逆的。这一刻,Benabid认识到他发现了激动人心的事情。

在我国,研制患者能够承受的脑起搏器就成为广大患者的迫切需求。

2000年,我国神经外科的奠基人之一、北京天坛医院名誉院长王忠诚院士(后来在2008年获得国家最高科学技术奖)提出希望清华大学的团队能够开展脑起搏器的研发工作,并期望脑起搏器应用于各种新的临床适应症研究。

经过10多年的努力,清华大学研发的国产脑起搏器经过大量的技术攻关、动物试验研制和临床试验,已于2013年获得了产品注册证,随后使用寿命更长的可充电脑起搏器也于2004年年获得了产品注册证,实现了王院士的夙愿。到2014年9月份,超过1000侧的清华脑起搏器植入了患者体内,标志着我国已经具有了深受临床欢迎的植入医疗装备。

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