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以光为基础的深部脑刺激可以缓解帕金森病的症状

以光为基础的深部脑刺激可以缓解帕金森病的症状

杜克大学的生物医学工程师已经在帕金森氏症动物模型中使用基于光的大脑深层刺激来治疗运动功能障碍。在早期尝试失败的地方取得成功,这种方法有望为深入了解大脑刺激为何有效以及如何在患者基础上进行改进提供新的见解。

研究结果发表在4月20日的《神经科学杂志》(Journal of Neuroscience)网络版上。

“如果你认为的大脑区域在脑深部电刺激治疗一盘意大利面,肉丸代表神经细胞体和意大利面条代表神经细胞的轴突,有一个长期争论治疗是否影响意大利面,肉丸或两者的某种组合,”沃伦说烧烤,埃德蒙·t·普拉特,Jr。杜克大学生物医学工程学院特聘教授。

但用传统的方法是无法回答这个问题的,因为大脑深处的电流刺激不仅会影响辣椒、洋葱,还会影响菜里的其他东西。然而,我们新的基于光的方法可以只针对单一的成分,所以我们现在可以开始梳理激活不同神经元素的个体效应。”

在格里尔的比喻中,肉丸子是构成丘脑下核的神经元,而丘脑下核是基底神经节控制系统的一个小组成部分,据信是执行动作选择的。虽然它的确切功能尚不清楚,但研究表明,它可以控制肌肉的反应。碗里的意大利面代表一种叫做超直接通路的长神经纤维,它从大脑皮层的神经元延伸到这个区域,大脑皮层是负责大部分信息处理的神经元的薄外层。辣椒、洋葱和其他成分是大脑中存在的各种各样的支持细胞。

正如格里尔所指出的,用传统方法几乎不可能弄清所有这些不同类型的细胞在调节大脑深部刺激的作用中所起的作用。单个类型的细胞不能被电刺激单独挑出,电脉冲会使研究人员的传感器在放电后的关键毫秒内失明。

2006年,一组研究人员试图利用光遗传学来回避这些问题。光遗传学是一种通过基因修饰特定细胞来表达光敏离子通道的方法,使研究人员能够通过闪烁的光来控制它们的活动。研究人员将这些光敏离子通道植入大鼠的丘脑下核“肉丸”中,并以与大脑深部刺激相同的速度发出光脉冲。然而,这种疗法并没有缓解老鼠的任何身体症状,这使得研究人员得出结论,仅仅刺激丘脑下核是不够的。

但这项研究在格里尔的脑海中从未出现过。

“受到光遗传学刺激的神经元一般不会很快做出反应,在我看来,研究人员发出光的速度比神经元能跟上的要快,”格尔说。数据证实了这一点,因为神经元的反应似乎是随机的,而不是与闪光同步的。我们之前的研究表明,随机的深度脑刺激并不能有效缓解症状。”

格尔花了十多年的时间才验证了他的理论,但最近的两项研究让他得以追随自己的直觉。研究人员开发了一种名为“克罗诺斯”(Chronos)的更快的光遗传学技术,它可以跟上传统上用于深度脑刺激的速度。而具有光遗传学专业知识的研究科学家于春秀(音)也加入了格尔实验室。生物医学工程博士生艾萨克·卡萨尔(Isaac Cassar)和生物医学工程本科生杰迪普·桑邦吉(Jaydeep Sambangi)也对格尔实验室的工作做出了贡献。

在这篇新论文中,Yu将克罗诺斯光遗传学机制植入大鼠的丘脑下核神经元,这些大鼠有一半的大脑都出现了类似帕金森氏症的症状。这个模型帮助研究人员确定治疗何时成功,因为由此产生的身体运动症状只出现在老鼠身体的一侧。然后,他们用每秒130次的标准闪光来进行深度大脑刺激。

正如格尔在15年前第一次怀疑的那样,这项技术起了作用,老鼠的身体症状大大减轻了。

根据格里尔的说法,他们的结果有几个重要的含义。一是研究人员在设计实验时需要考虑光发生方法的动力学特性,并密切关注研究中的表现。另一个发现是丘脑下核外的其他神经元对治疗的反应。虽然他们的平均活动水平没有太大的差异,但这些神经元活动的模式却发生了巨大的变化,这为大脑深度刺激的工作方式提供了线索。

但也许最重要的结果是,这项技术确实奏效了。除了提供一个更清晰的看神经活动通过消除电气构件,能够准确的提供脑深部电刺激的神经元子集应该允许研究人员开始探索大脑的哪些部分需要刺激和如何根据疗法治疗不同电动机控制症状在个案基础上。

格尔和他的同事们计划在这一研究领域的下一个实验中,以超直接的方式——用意大利面而不是肉丸子——来重现同样的研究,看看它对缓解症状的个别贡献可能是什么。

格里尔说:“这非常重要,因为在这大碗意大利面中,有一些元素可以治疗症状,也有一些元素会产生副作用。”“如果我们能分辨出哪个是哪个,我们就能设计电极刺激的几何形状和模式,针对那些抑制症状的元素,而不去管其他的。”

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