Digital-twin optimized transcranial temporal interference electrical stimulation alters rat brain activity patterns and metabolism including deep structures

在脑部的深处，隐藏在多层骨骼和组织之下，存在着控制从运动到情绪等一切功能的微小细胞簇。当这些深层结构发生功能障碍时，可能会导致帕金森病或特发性震颤等严重疾病。几十年来，修复它们的唯一方法是在颅骨上钻孔并插入一根金属导线，这种手术被称为深部脑刺激术。虽然有效，但这种手术具有显著的风险。科学家们长期以来一直在寻找一种无需切开头部即可触达这些深层目标的方法，即利用可以无害地穿过皮肤的电流。挑战在于，电流在传输过程中自然会扩散并减弱，这使得在不电击其上方大脑表面的情况下，将能量聚焦于一个微小的深层点变得十分困难。一种被称为“时间干涉刺激”的技术提供了一个潜在的解决方案。它利用两股从不同角度穿过头部的超高频电流。就这两股电流而言，它们自身的频率过快，以至于大脑细胞无法察觉；但在它们深层交汇的地方，会产生一种大脑可以感受到的缓慢、有节奏的脉冲。这使得研究人员能够针对深层区域进行操作，同时让大脑表面保持相对不受干扰。

德国的一个研究小组最近测试了这种方法在活体动物（特别是大鼠）身上是否有效，以及他们是否可以使用计算机模型来提高刺激的精确度。他们首先构建了一个大鼠头部的详细数字副本，即“数字孪生”。这个计算机模型不仅仅是一个简单的形状，而是一个复杂的地图，考虑到了皮肤、骨骼和脑组织传导电流的不同方式。利用这个模型，科学家们进行了数千次模拟，以寻找在大鼠颅骨上放置四个微型电极的最佳位置。他们的目标是将电脉冲专门指向丘脑——这是一个涉及运动控制的深层脑区，同时避免对其他区域进行不必要的刺激。计算机计算表明，将电极放置在两个特定的组合中，将在他们预期的精确位置产生最强的干涉模式。

在得到计算机确认方案后，研究人员进入了实验室。他们小心翼翼地将电极放置在麻醉大鼠的颅骨上，并施加电流。为了观察大脑内部发生了什么，他们使用了一台功能强大的磁共振成像扫描仪，这种机器可以实时拍摄大脑活动图像。结果令人震惊。当电刺激开启时，大脑在扫描仪中“亮了起来”。深层的丘脑——也就是计算机预测的目标部位——显示出了强烈的反应。但效果并未止步于此。信号还传播到了其他深层结构，包括对记忆至关重要的海马体，以及处理情绪的杏仁核。甚至远离电极的部分，如视觉皮层和涉及决策的区域，也显示出了活动迹象。这证实了电脉冲不仅是孤立地击中目标，它还在激活整个大脑回路网络，既通过直接连接，也通过连接不同脑区的神经通路。

研究人员还观察了大脑在这一过程中如何改变其内部化学性质。通过一种测量化学信使水平的专门技术，他们发现了一个趋势，表明丘脑中兴奋性与抑制性信号之间的平衡发生了偏移。具体而言，相对于能让脑细胞平静下来的化学物质GABA（γ-氨基丁酸），谷氨酸（一种鼓励脑细胞放电的化学物质）似乎有所增加。这种转变表明，刺激成功地改变了大脑的代谢状态。然而，当他们检查刺激停止后大脑连接的变化时，发现这些效果出人意料地短暂。大脑的静息模式相对较快地恢复了正常，这表明单次刺激过程创造的是一种暂时的状态偏移，而非神经网络的永久重构。

为了确保他们看到的信号确实是大脑对电流的反应，而非仅仅是电场干扰了扫描仪本身，团队进行了几项对照测试。他们使用相同的设备和设置扫描了一个柠檬和一个腌菜，发现没有任何信号变化，从而证明了大脑活动是一种生物学反应。他们还测试了一组使用极弱且无效电流的大鼠，那些动物完全没有表现出大脑活动。该研究得出结论：这种非侵入性方法是刺激啮齿类动物深层脑结构的一种可行方式。通过结合计算机模型来设计完美的设置与现实世界的测试，研究人员创建了一套工作流程，这最终可能为人类带来个性化的非手术治疗方案。虽然单次实验的效果是暂时的，但这种无需手术即可安全、精准地针对深层脑区进行操作的能力，为理解和治疗神经系统疾病打开了一扇新的大门。