這段影片很短，只有幾分鐘，但它就像你見過的任何真人秀一樣引人入勝。一位 50 多歲的男子，和藹可親，口齒伶俐，面對鏡頭，談論著他接受過的一項醫療程式。他手中拿著一個看起來像遙控器的東西。“我現在要關掉自己，”他平靜地說。這個人按下控制器上的一個按鈕，發出嗶嗶聲，他的右臂開始顫抖，然後劇烈地拍打起來。這就像一場生物颶風吞噬了他，或者也許是他的手臂是用稻草做的，某個邪惡的小精靈正在揮舞著它。這個人費力地用左手抓住失靈的右臂，緩慢而堅定地壓制住這場騷動，彷彿他在安撫一個正在發脾氣的孩子。他呼吸急促，顯然他無法堅持太久。他幾乎絕望地伸出手去拿控制器，並設法再次按下按鈕。一聲柔和的嗶嗶聲響起，突然一切都結束了。他沒事了。
鎮定自若，突然發病，然後再次鎮定自若。一切都只需輕 flick 開關。作為前後對比的時刻，這一個令人印象深刻，近乎奇蹟。這是你期望在宗教復興帳篷下見證的事情，而不是在英國醫院的神經科病房。一旦你見過它，你就會對帕金森病留下不可磨滅的印象。“震顫”這個詞無法傳達人們可能遭受的痛苦——他們被自己的身體折磨和困擾的方式。但是這個場景，涉及我們的一位病人，不僅讓觀眾瞭解了一種疾病；它也是一個生動的視窗，展示了一種強大的醫療技術，稱為深部腦刺激（你可以在 www.kringelbach.dk/nrn 觀看影片）。
突如其來的、徹底的轉變是深部腦刺激的標誌。這種療法本質上是大腦的起搏器，由一個看似簡單的兩部分裝置組成。外科醫生將一根或兩根細電線穿入大腦深處精心選擇的位置，然後在鎖骨附近的皮膚下植入一個小電池。電流脈衝從電池傳輸到位於每根電線尖端的四個電極。效果是立竿見影的，通常在患者仍在手術檯上時就會出現——震顫的平息、重新行走的能力，或者在一些患有其他難治性抑鬱症的患者中，重獲生活的熱情。
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深部腦刺激在 20 世紀 90 年代開始興起，從那時起，外科醫生已經為超過 35,000 人進行了這項手術，主要是為了緩解帕金森病和其他與運動相關的疾病。它不是一種治癒方法，但它可以將症狀控制在多年內。最近，隨著電極變得更安全，電池變得更小、更持久，以及磁共振成像等腦成像技術的進步使得能夠更精確地放置電極，神經外科醫生已經開始研究這項技術，將其作為緩解其他一系列健康問題的一種方法。
這項技術使得患有致殘性運動障礙（稱為肌張力障礙）的兒童能夠離開輪椅，過上幾乎正常的生活。它為遭受叢集性頭痛和其他各種持續性疼痛的人們帶來了即時緩解。它在某些精神疾病方面顯示出誘人的前景，包括嚴重的抑鬱症、強迫症和圖雷特綜合徵。人們已經嘗試將其作為治療厭食症和肥胖症的方法。一些神經科學家推測，它可以幫助阻止阿爾茨海默病帶來的記憶喪失。大腦是一個電氣器官，因此大腦出現的大部分問題，理論上都可以從精細校準的電流脈衝中獲益。深部腦刺激的臨床試驗——對小群體患者的初步測試——正在世界各地的醫院中激增，從克利夫蘭和多倫多到布里斯托爾、格勒諾布林和米蘭。
儘管最近在技術上取得了進步，但深部腦刺激尚未完全成熟。今天的裝置被程式設計為傳遞穩定、不變的電流脈衝。在未來十年，我們預計會看到一種更加“智慧”的裝置，它可以根據需要自行開啟和關閉，根據患者大腦中每時每刻發生的情況來調整治療方案。
身體的電流
通常，當人們想讓一項困難的任務看起來更容易時，他們會說：“畢竟，這不是腦外科手術。” 這是有充分理由的。雖然我們對大腦瞭解很多，但在容納人類意識的三磅皺褶組織中仍然存在許多謎團，我們神經科學家必須以謙遜和自負相結合的態度前進。
但深部腦刺激比大多數其他型別的神經外科手術具有優勢——即，
它是可逆的。如果電極出現故障，或者只是無效，可以將其關閉或移除。該手術並非沒有風險——1% 到 3% 的患者會出現出血，導致中風，略多的人會發生可治療的感染。然而，與大多數手術不同，深部腦刺激不會改變大腦的物理結構；電流完成了所有的工作。
人們對電流在身體中作用的認識可以追溯到公元 43 年，當時古羅馬皇帝克勞狄烏斯的宮廷醫生斯克裡博尼烏斯·拉古斯寫道，頭痛和痛風可以透過電魚的觸控來緩解，電魚在受到驚嚇時會釋放電流。1774 年，本傑明·富蘭克林指出，靜電會導致肌肉收縮，十年後，義大利醫生路易吉·伽伐尼觀察到，透過對坐骨神經施加電流，他可以使死青蛙的腿以栩栩如生的方式抽搐。他的突破激發了瑪麗·雪萊的《弗蘭肯斯坦》，其中一個由死人部件拼湊而成的怪物被巨大的電流啟用。
伽伐尼的發現不僅點燃了科幻幻想；它還開創了許多醫學進步。1870 年，德國神經精神病學家愛德華·希齊格和解剖學家古斯塔夫·弗裡奇透過刺激現在稱為運動皮層的大腦區域的特定區域，有選擇地操縱活狗的肢體——換句話說，他們表明，身體的每塊肌肉、每根手指和腳趾都由來自大腦組織專用區域的電脈衝控制。在 20 世紀，研究人員擁有了研究細胞水平的工具。他們破譯了電流如何透過單個腦細胞或神經元傳播，並從那裡傳播到其鄰居，建立了複雜的網路，支配著我們的思想、行為、記憶和慾望。
不久之後，研究人員問道：但是，當這些神經網路短路時會發生什麼？在 20 世紀 50 年代和 60 年代，包括蘇聯的納塔利婭·貝赫捷列娃、杜蘭大學的羅伯特·希思和紐約神經學研究所的 J. 勞倫斯·普爾在內的神經外科先驅開始嘗試對患有慢性疼痛、抑鬱症和運動障礙的人的大腦施加電流。當時可用的電池太大而無法植入，因此這些裝置很笨重，緩解效果也時有時無。儘管如此，這些研究還是為靶向電脈衝建立了醫療先例。
帕金森病被證明是一個理想的試驗場。在這種疾病中，協調運動的大腦區域（基底神經節）中的神經元會死亡。在健康的大腦中，基底神經節中的神經元與其他區域（包括丘腦和運動皮層）的神經元群進行復雜的呼叫和響應式通訊。為了使運動快速而流暢，大腦的這些部分必須協同工作。在它們之間傳遞的資訊稱為振盪。它們來回反彈，以不同的頻率移動，一些用於啟動運動，另一些用於調節運動。但關鍵是，傳送者和接收者神經元，就像兩個女孩有節奏地揮舞跳繩供第三個人跳過一樣，必須同步。在帕金森病中，患病的神經元失去了跟上步伐的能力，振盪變得不平衡。神經元瘋狂放電，一個人以混亂的方式移動，或者根本無法啟動運動。
在 20 世紀 80 年代後期，外科醫生髮現，如果他們以快速脈衝（高達每秒 180 次）刺激丘腦或蒼白球（基底神經節的一部分），他們可以覆蓋錯誤的連線。科學家們並不完全瞭解深部腦刺激的工作原理，但我們確實知道，傳送到電極的脈衝有時會驅動，有時會抑制神經元的自然活動。較快的脈衝，例如帕金森病患者使用的脈衝，往往會壓倒並因此抑制活動，而較慢的脈衝則傾向於透過建立神經元努力達到的節奏來驅動活動。
我們中的一位（阿齊茲）以及由埃默裡大學的神經科學家馬龍·R·德隆和法國波爾多神經科學研究所的阿卜杜勒哈米德·貝納祖茲領導的其他團隊，與患有帕金森病症狀的猴子合作，幫助確定基底神經節的另一部分——丘腦底核，可以成為更有效的植入點（此後已成為最受歡迎的刺激目標）。最近，阿齊茲為 20% 對藥物或對三個已確立的大腦區域的刺激沒有反應的帕金森病患者發現了第四個目標。在觀察到帕金森病猴子的腦幹的一部分（稱為腳橋核）活動不足後，阿齊茲表明，刺激該區域為最近無能為力的人類患者帶來了驚人的結果。許多原本會僵在半步或摔倒的人發現自己突然又能走路了。
由於這種研究以及所需電池現在與手機中的電池一樣小，僅在美國就有 250 多家醫院為運動障礙進行深部腦刺激。儘管其他應用被認為是實驗性的，部分原因是它們尚未獲得食品和藥物管理局的批准，但強有力的證據正在增加對它們的支援。以疼痛治療為例。在過去的 30 年中，超過 700 人接受了深部腦刺激來治療其他難治性疼痛；平均長期成功率為 60% 到 70%，當醫生在患者選擇方面技術熟練時，成功率接近 100%。
突如其來的平靜降臨
2001 年 5 月，一位名叫羅伯特·馬修斯的男子摔倒並摔斷了左腿。骨折沒有正確癒合，腿部發生了頑固的抗生素耐藥性感染。由於擔心感染會擴散，醫生截肢了他的膝蓋以上的腿，但馬修斯的問題並沒有就此結束。雖然他的腿沒了，但他感覺它仍然在那裡，並且劇痛難忍。他嘗試了藥物、催眠和脊髓神經刺激，但都無濟於事。
當馬修斯被轉診到我們這裡時，他 58 歲，患有幻肢痛已有四年。他每天服用大劑量的鴉片類藥物，而且可以理解的是，他感到焦慮和抑鬱。我們之前已經證明，刺激腦幹（大腦最古老的部分）可以緩解其他難治性疼痛；馬修斯似乎是一個理想的候選人。
在手術當天，我們的團隊將馬修斯固定在一個立體定向框架中——一個圍繞頭部併為大腦內任何點提供三維座標的金屬矩形。我們對他的大腦進行了兩次掃描——在連線框架之前使用 MRI（金屬物體在 MRI 機器中不安全），之後使用計算機斷層掃描——並使用軟體合併影像。像鼻子、腳或其他任何身體部位一樣，大腦因人而異，因此大腦深處的結構並不總是位於完全相同的位置。現在，阿齊茲有了一張個性化的地圖，他可以用它來以毫米級的精度繪製他的軌跡。
馬修斯接受了區域性麻醉注射，這樣他就不會感覺到阿齊茲在他的頭骨上鑽一個小孔。不過，大腦本身沒有神經末梢，這意味著馬修斯可以完全清醒——我們需要他的參與才能完成這個長達一小時的手術。阿齊茲輕輕地引導一根頂端帶有四個鉑銥電極的電線穿過果凍狀的大腦組織，進入稱為腦室周圍灰質/導水管周圍灰質 (PAG) 的區域。在有條不紊地首先給四個電極探針中的一個通電，然後給另一個通電時，阿齊茲要求馬修斯大聲描述他的感受。
這是深部腦刺激中最棘手的時刻之一——消除症狀，同時避免因意外啟用錯誤位置而引起副作用。電極的寬度只有大約一毫米半，但它跨越了多達一百萬個神經元。PAG 內緊密排列著與身體每個部位通訊的細胞；我們只想影響那些與馬修斯的左腿相關的細胞。如果他報告說他的手、胳膊、臉或其他腿感到刺痛或溫暖，阿齊茲會移動電極，刺激不同的探針或改變脈衝。此外，我們還為更廣泛的反應做好了準備。PAG 是所謂“戰鬥或逃跑”反應的所在地，過去我們曾有一位患者在手術檯上出現焦慮症發作。電極放置在其他大腦部位不完美可能導致的副作用包括眼球震顫、不恰當的笑聲和抑鬱症。
我們給了馬修斯相對溫和的電流：1.5 伏特——相當於 AA 電池的強度。至於脈衝的速度或頻率，我們知道快速脈衝會使疼痛加劇，因此我們從每秒約 10 次開始，最終確定為 7 次。當我們以這些規格刺激兩個探針時，馬修斯感到突然的平靜降臨——他的幻肢感到舒適的溫暖感。四年後，終於得到了緩解。
阿齊茲將帶有電極尖端的電線固定在馬修斯的頭骨上，並在他的右胸大肌上方植入了一個電池。電池透過一根導線連線到電極，導線在馬修斯的胸部和頸部的皮膚下以及耳朵後面延伸到他的頭皮。馬修斯有一個磁性遙控器來開啟或關閉深部腦刺激器——但他很少使用它，因為他一旦這樣做，痛苦就會捲土重來。他報告說他的疼痛減輕了 75%，並且他已經能夠恢復正常生活。
儘管結果不錯，但在未來我們應該能夠做得更好，使用類似於當今心臟起搏器的技術。這些裝置中的計算機軟體會監測患者的心臟，僅當它識別出心髒跳動不正常時才傳送電擊。當大腦起搏器變得如此精確時，它們就不必一直開啟，這意味著，除其他外，電池不必經常更換（它們目前通常需要每六個月到五年進行一次手術更換，儘管可充電電池也開始上市）。然而，在深部腦刺激能夠進步之前，科學家們必須破譯神經元的語言。我們需要了解大腦區域如何通訊的細節，例如哪些電模式可能預示著即將到來的震顫、頭痛或癲癇發作。然後我們可以對裝置進行程式設計，使其識別出何時出現問題，並傳遞特定的脈衝模式來使其短路。我們的團隊在發現這種“大腦特徵”方面取得了令人興奮的進展，其他研究正在進行中。
炒作與潛力
深部腦刺激的變革力量在精神病學領域尤為引人注目。多倫多、魯汶、波恩等地的研究人員一直在熱情地報告小型試驗的結果。有一份報告講述了一位 31 歲的男子，他患有圖雷特綜合徵，抽動非常劇烈，以至於他找不到體面的工作，也不敢在公共場合露面，以免被人嘲笑，他的身體突然放鬆了。還有一個女人的故事，她的世界在電極啟用後立刻變得明亮起來——看起來煥然一新。其他抑鬱症患者說，他們的“痛苦空虛”的感覺消失了。當患者的電極被關閉時，這些變化突然消失。
鑑於我們不完全瞭解深部腦刺激的工作原理，也不確定抑鬱症、圖雷特綜合徵或正在嘗試刺激療法的許多其他綜合徵（如強迫症、厭食症、暴飲暴食和藥物成癮）中到底出了什麼問題，這令人興奮。這裡存在潛力——尤其是在抑鬱症方面的工作似乎很有希望。但一些科學家有點超前了，媒體也很樂意幫忙。2007 年 8 月，紐約長老會醫院/威爾康奈爾醫學院和克利夫蘭診所基金會的神經科學家報告說，他們使用深部腦刺激將一名 38 歲的男子從微意識狀態中喚醒，引起了廣泛關注。在遭受野蠻毆打六年之後，該男子可以不用飼管進食，並能說幾個字，這是一個不可否認的進步。但事實是，日本神經外科醫生數十年來一直在對這種患者進行深部腦刺激實驗，發現這種復甦情況很少見。
在最近的另一起事件中，一名接受實驗性深部腦刺激治療肥胖症的男子偶然找回了一段被遺忘已久的記憶，當醫生調高電壓時，記憶的清晰度增強了。因此，有些人對阿爾茨海默病的腦植入物表示樂觀。問題在於，深部腦刺激是一種相對粗糙的工具——它要麼抑制要麼興奮大腦區域（進而，也影響該區域與之對話的其他大腦結構）。這對於帕金森病來說很好，因為帕金森病中過度活躍的大腦區域可能需要平靜下來。但在阿爾茨海默病中，我們看到的是神經元失去了彼此的連線，並且無法再儲存記憶。深部腦刺激不太可能修復如此複雜的連線。
也許深部腦刺激之所以如此令人興奮，部分原因是它不僅僅是一種有希望的療法。它也是神經科學家可以用來深入瞭解大腦基本結構和功能的強大工具。
到目前為止，我們對活體人腦的最佳觀察是透過 MRI 和正電子發射掃描等成像研究，但我們從中獲得的只是模糊不清的資訊，類似於“當一個人做某事或思考某事時，大腦某些部位的血流或氧合會發生變化，這可能與神經活動的變化有關。” 另一方面，透過深部腦刺激，你基本上擁有一個位於大腦特定部位的開關。透過觀察當該開關被啟用時大腦作為一個整體會發生什麼變化，你可以收集有關各種大腦結構如何互連的詳細資訊。我們開創的一個特別令人興奮的途徑是將深部腦刺激與一種稱為腦磁圖 (MEG) 的成像技術相結合。MEG 以毫秒為單位跟蹤神經活動（相比之下，MRI 提供六秒時間段內的平均大腦活動，PET 提供分鐘時間段內的平均大腦活動），從而提供極其準確、即時性的報告。
當我們在幻肢痛患者馬修斯身上使用這項技術時，我們看到他腦幹中的電極似乎驅動了許多其他大腦區域的活動。當他感到疼痛緩解時，最活躍的區域之一是中前額眶額皮層。其他研究表明，這個位於眼睛正上方的結構在進食、吸毒和性行為等令人愉悅（或有益）的活動中起著關鍵作用。因此，疼痛的停止是一種強烈形式的愉悅，類似於吸食可卡因或狼吞虎嚥地吃掉一塊美味的糕點。這一發現證實，眶額皮層可能是治療快感缺乏症（一種抑鬱症和其他精神疾病常見的症狀）患者的有效新刺激靶點。
我們期待更多發現。透過研究大腦植入物患者，我們可能會回答諸如大腦如何協調學習一門新語言或解決一個演算法等問題。我們甚至可能會獲得新的宏觀視角，例如像主觀體驗這樣難以捉摸的東西是如何從電活動中產生的。也許最重要的是，我們將能夠確定電刺激最有效的大腦區域，從而進一步幫助處境危急的患者。