这段视频很短，只有几分钟，但它就像你见过的任何真人秀一样引人入胜。一位 50 多岁的男子，和蔼可亲，口齿伶俐，面对镜头，谈论着他接受过的一项医疗程序。他手中拿着一个看起来像遥控器的东西。“我现在要关掉自己，”他平静地说。这个人按下控制器上的一个按钮，发出哔哔声，他的右臂开始颤抖，然后剧烈地拍打起来。这就像一场生物飓风吞噬了他，或者也许是他的手臂是用稻草做的，某个邪恶的小精灵正在挥舞着它。这个人费力地用左手抓住失灵的右臂，缓慢而坚定地压制住这场骚动，仿佛他在安抚一个正在发脾气的孩子。他呼吸急促，显然他无法坚持太久。他几乎绝望地伸出手去拿控制器，并设法再次按下按钮。一声柔和的哔哔声响起，突然一切都结束了。他没事了。
镇定自若，突然发病，然后再次镇定自若。一切都只需轻 flick 开关。作为前后对比的时刻，这一个令人印象深刻，近乎奇迹。这是你期望在宗教复兴帐篷下见证的事情，而不是在英国医院的神经科病房。一旦你见过它，你就会对帕金森病留下不可磨灭的印象。“震颤”这个词无法传达人们可能遭受的痛苦——他们被自己的身体折磨和困扰的方式。但是这个场景，涉及我们的一位病人，不仅让观众了解了一种疾病；它也是一个生动的窗口，展示了一种强大的医疗技术，称为深部脑刺激（你可以在 www.kringelbach.dk/nrn 观看视频）。
突如其来的、彻底的转变是深部脑刺激的标志。这种疗法本质上是大脑的起搏器，由一个看似简单的两部分设备组成。外科医生将一根或两根细电线穿入大脑深处精心选择的位置，然后在锁骨附近的皮肤下植入一个小电池。电流脉冲从电池传输到位于每根电线尖端的四个电极。效果是立竿见影的，通常在患者仍在手术台上时就会出现——震颤的平息、重新行走的能力，或者在一些患有其他难治性抑郁症的患者中，重获生活的热情。
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深部脑刺激在 20 世纪 90 年代开始兴起，从那时起，外科医生已经为超过 35,000 人进行了这项手术，主要是为了缓解帕金森病和其他与运动相关的疾病。它不是一种治愈方法，但它可以将症状控制在多年内。最近，随着电极变得更安全，电池变得更小、更持久，以及磁共振成像等脑成像技术的进步使得能够更精确地放置电极，神经外科医生已经开始研究这项技术，将其作为缓解其他一系列健康问题的一种方法。
这项技术使得患有致残性运动障碍（称为肌张力障碍）的儿童能够离开轮椅，过上几乎正常的生活。它为遭受丛集性头痛和其他各种持续性疼痛的人们带来了即时缓解。它在某些精神疾病方面显示出诱人的前景，包括严重的抑郁症、强迫症和图雷特综合征。人们已经尝试将其作为治疗厌食症和肥胖症的方法。一些神经科学家推测，它可以帮助阻止阿尔茨海默病带来的记忆丧失。大脑是一个电气器官，因此大脑出现的大部分问题，理论上都可以从精细校准的电流脉冲中获益。深部脑刺激的临床试验——对小群体患者的初步测试——正在世界各地的医院中激增，从克利夫兰和多伦多到布里斯托尔、格勒诺布尔和米兰。
尽管最近在技术上取得了进步，但深部脑刺激尚未完全成熟。今天的设备被编程为传递稳定、不变的电流脉冲。在未来十年，我们预计会看到一种更加“智能”的设备，它可以根据需要自行开启和关闭，根据患者大脑中每时每刻发生的情况来调整治疗方案。
身体的电流
通常，当人们想让一项困难的任务看起来更容易时，他们会说：“毕竟，这不是脑外科手术。” 这是有充分理由的。虽然我们对大脑了解很多，但在容纳人类意识的三磅皱褶组织中仍然存在许多谜团，我们神经科学家必须以谦逊和自负相结合的态度前进。
但深部脑刺激比大多数其他类型的神经外科手术具有优势——即，
它是可逆的。如果电极出现故障，或者只是无效，可以将其关闭或移除。该手术并非没有风险——1% 到 3% 的患者会出现出血，导致中风，略多的人会发生可治疗的感染。然而，与大多数手术不同，深部脑刺激不会改变大脑的物理结构；电流完成了所有的工作。
人们对电流在身体中作用的认识可以追溯到公元 43 年，当时古罗马皇帝克劳狄乌斯的宫廷医生斯克里博尼乌斯·拉古斯写道，头痛和痛风可以通过电鱼的触摸来缓解，电鱼在受到惊吓时会释放电流。1774 年，本杰明·富兰克林指出，静电会导致肌肉收缩，十年后，意大利医生路易吉·伽伐尼观察到，通过对坐骨神经施加电流，他可以使死青蛙的腿以栩栩如生的方式抽搐。他的突破激发了玛丽·雪莱的《弗兰肯斯坦》，其中一个由死人部件拼凑而成的怪物被巨大的电流激活。
伽伐尼的发现不仅点燃了科幻幻想；它还开创了许多医学进步。1870 年，德国神经精神病学家爱德华·希齐格和解剖学家古斯塔夫·弗里奇通过刺激现在称为运动皮层的大脑区域的特定区域，有选择地操纵活狗的肢体——换句话说，他们表明，身体的每块肌肉、每根手指和脚趾都由来自大脑组织专用区域的电脉冲控制。在 20 世纪，研究人员拥有了研究细胞水平的工具。他们破译了电流如何通过单个脑细胞或神经元传播，并从那里传播到其邻居，创建了复杂的网络，支配着我们的思想、行为、记忆和欲望。
不久之后，研究人员问道：但是，当这些神经网络短路时会发生什么？在 20 世纪 50 年代和 60 年代，包括苏联的纳塔利娅·贝赫捷列娃、杜兰大学的罗伯特·希思和纽约神经学研究所的 J. 劳伦斯·普尔在内的神经外科先驱开始尝试对患有慢性疼痛、抑郁症和运动障碍的人的大脑施加电流。当时可用的电池太大而无法植入，因此这些设备很笨重，缓解效果也时有时无。尽管如此，这些研究还是为靶向电脉冲建立了医疗先例。
帕金森病被证明是一个理想的试验场。在这种疾病中，协调运动的大脑区域（基底神经节）中的神经元会死亡。在健康的大脑中，基底神经节中的神经元与其他区域（包括丘脑和运动皮层）的神经元群进行复杂的呼叫和响应式通信。为了使运动快速而流畅，大脑的这些部分必须协同工作。在它们之间传递的信息称为振荡。它们来回反弹，以不同的频率移动，一些用于启动运动，另一些用于调节运动。但关键是，发送者和接收者神经元，就像两个女孩有节奏地挥舞跳绳供第三个人跳过一样，必须同步。在帕金森病中，患病的神经元失去了跟上步伐的能力，振荡变得不平衡。神经元疯狂放电，一个人以混乱的方式移动，或者根本无法启动运动。
在 20 世纪 80 年代后期，外科医生发现，如果他们以快速脉冲（高达每秒 180 次）刺激丘脑或苍白球（基底神经节的一部分），他们可以覆盖错误的连接。科学家们并不完全了解深部脑刺激的工作原理，但我们确实知道，发送到电极的脉冲有时会驱动，有时会抑制神经元的自然活动。较快的脉冲，例如帕金森病患者使用的脉冲，往往会压倒并因此抑制活动，而较慢的脉冲则倾向于通过创建神经元努力达到的节奏来驱动活动。
我们中的一位（阿齐兹）以及由埃默里大学的神经科学家马龙·R·德隆和法国波尔多神经科学研究所的阿卜杜勒哈米德·贝纳祖兹领导的其他团队，与患有帕金森病症状的猴子合作，帮助确定基底神经节的另一部分——丘脑底核，可以成为更有效的植入点（此后已成为最受欢迎的刺激目标）。最近，阿齐兹为 20% 对药物或对三个已确立的大脑区域的刺激没有反应的帕金森病患者发现了第四个目标。在观察到帕金森病猴子的脑干的一部分（称为脚桥核）活动不足后，阿齐兹表明，刺激该区域为最近无能为力的人类患者带来了惊人的结果。许多原本会僵在半步或摔倒的人发现自己突然又能走路了。
由于这种研究以及所需电池现在与手机中的电池一样小，仅在美国就有 250 多家医院为运动障碍进行深部脑刺激。尽管其他应用被认为是实验性的，部分原因是它们尚未获得食品和药物管理局的批准，但强有力的证据正在增加对它们的支持。以疼痛治疗为例。在过去的 30 年中，超过 700 人接受了深部脑刺激来治疗其他难治性疼痛；平均长期成功率为 60% 到 70%，当医生在患者选择方面技术熟练时，成功率接近 100%。
突如其来的平静降临
2001 年 5 月，一位名叫罗伯特·马修斯的男子摔倒并摔断了左腿。骨折没有正确愈合，腿部发生了顽固的抗生素耐药性感染。由于担心感染会扩散，医生截肢了他的膝盖以上的腿，但马修斯的问题并没有就此结束。虽然他的腿没了，但他感觉它仍然在那里，并且剧痛难忍。他尝试了药物、催眠和脊髓神经刺激，但都无济于事。
当马修斯被转诊到我们这里时，他 58 岁，患有幻肢痛已有四年。他每天服用大剂量的鸦片类药物，而且可以理解的是，他感到焦虑和抑郁。我们之前已经证明，刺激脑干（大脑最古老的部分）可以缓解其他难治性疼痛；马修斯似乎是一个理想的候选人。
在手术当天，我们的团队将马修斯固定在一个立体定向框架中——一个围绕头部并为大脑内任何点提供三维坐标的金属矩形。我们对他的大脑进行了两次扫描——在连接框架之前使用 MRI（金属物体在 MRI 机器中不安全），之后使用计算机断层扫描——并使用软件合并图像。像鼻子、脚或其他任何身体部位一样，大脑因人而异，因此大脑深处的结构并不总是位于完全相同的位置。现在，阿齐兹有了一张个性化的地图，他可以用它来以毫米级的精度绘制他的轨迹。
马修斯接受了局部麻醉注射，这样他就不会感觉到阿齐兹在他的头骨上钻一个小孔。不过，大脑本身没有神经末梢，这意味着马修斯可以完全清醒——我们需要他的参与才能完成这个长达一小时的手术。阿齐兹轻轻地引导一根顶端带有四个铂铱电极的电线穿过果冻状的大脑组织，进入称为脑室周围灰质/导水管周围灰质 (PAG) 的区域。在有条不紊地首先给四个电极探针中的一个通电，然后给另一个通电时，阿齐兹要求马修斯大声描述他的感受。
这是深部脑刺激中最棘手的时刻之一——消除症状，同时避免因意外激活错误位置而引起副作用。电极的宽度只有大约一毫米半，但它跨越了多达一百万个神经元。PAG 内紧密排列着与身体每个部位通信的细胞；我们只想影响那些与马修斯的左腿相关的细胞。如果他报告说他的手、胳膊、脸或其他腿感到刺痛或温暖，阿齐兹会移动电极，刺激不同的探针或改变脉冲。此外，我们还为更广泛的反应做好了准备。PAG 是所谓“战斗或逃跑”反应的所在地，过去我们曾有一位患者在手术台上出现焦虑症发作。电极放置在其他大脑部位不完美可能导致的副作用包括眼球震颤、不恰当的笑声和抑郁症。
我们给了马修斯相对温和的电流：1.5 伏特——相当于 AA 电池的强度。至于脉冲的速度或频率，我们知道快速脉冲会使疼痛加剧，因此我们从每秒约 10 次开始，最终确定为 7 次。当我们以这些规格刺激两个探针时，马修斯感到突然的平静降临——他的幻肢感到舒适的温暖感。四年后，终于得到了缓解。
阿齐兹将带有电极尖端的电线固定在马修斯的头骨上，并在他的右胸大肌上方植入了一个电池。电池通过一根导线连接到电极，导线在马修斯的胸部和颈部的皮肤下以及耳朵后面延伸到他的头皮。马修斯有一个磁性遥控器来打开或关闭深部脑刺激器——但他很少使用它，因为他一旦这样做，痛苦就会卷土重来。他报告说他的疼痛减轻了 75%，并且他已经能够恢复正常生活。
尽管结果不错，但在未来我们应该能够做得更好，使用类似于当今心脏起搏器的技术。这些设备中的计算机软件会监测患者的心脏，仅当它识别出心脏跳动不正常时才发送电击。当大脑起搏器变得如此精确时，它们就不必一直开启，这意味着，除其他外，电池不必经常更换（它们目前通常需要每六个月到五年进行一次手术更换，尽管可充电电池也开始上市）。然而，在深部脑刺激能够进步之前，科学家们必须破译神经元的语言。我们需要了解大脑区域如何通信的细节，例如哪些电模式可能预示着即将到来的震颤、头痛或癫痫发作。然后我们可以对设备进行编程，使其识别出何时出现问题，并传递特定的脉冲模式来使其短路。我们的团队在发现这种“大脑特征”方面取得了令人兴奋的进展，其他研究正在进行中。
炒作与潜力
深部脑刺激的变革力量在精神病学领域尤为引人注目。多伦多、鲁汶、波恩等地的研究人员一直在热情地报告小型试验的结果。有一份报告讲述了一位 31 岁的男子，他患有图雷特综合征，抽动非常剧烈，以至于他找不到体面的工作，也不敢在公共场合露面，以免被人嘲笑，他的身体突然放松了。还有一个女人的故事，她的世界在电极激活后立刻变得明亮起来——看起来焕然一新。其他抑郁症患者说，他们的“痛苦空虚”的感觉消失了。当患者的电极被关闭时，这些变化突然消失。
鉴于我们不完全了解深部脑刺激的工作原理，也不确定抑郁症、图雷特综合征或正在尝试刺激疗法的许多其他综合征（如强迫症、厌食症、暴饮暴食和药物成瘾）中到底出了什么问题，这令人兴奋。这里存在潜力——尤其是在抑郁症方面的工作似乎很有希望。但一些科学家有点超前了，媒体也很乐意帮忙。2007 年 8 月，纽约长老会医院/威尔康奈尔医学院和克利夫兰诊所基金会的神经科学家报告说，他们使用深部脑刺激将一名 38 岁的男子从微意识状态中唤醒，引起了广泛关注。在遭受野蛮殴打六年之后，该男子可以不用饲管进食，并能说几个字，这是一个不可否认的进步。但事实是，日本神经外科医生数十年来一直在对这种患者进行深部脑刺激实验，发现这种复苏情况很少见。
在最近的另一起事件中，一名接受实验性深部脑刺激治疗肥胖症的男子偶然找回了一段被遗忘已久的记忆，当医生调高电压时，记忆的清晰度增强了。因此，有些人对阿尔茨海默病的脑植入物表示乐观。问题在于，深部脑刺激是一种相对粗糙的工具——它要么抑制要么兴奋大脑区域（进而，也影响该区域与之对话的其他大脑结构）。这对于帕金森病来说很好，因为帕金森病中过度活跃的大脑区域可能需要平静下来。但在阿尔茨海默病中，我们看到的是神经元失去了彼此的连接，并且无法再存储记忆。深部脑刺激不太可能修复如此复杂的连接。
也许深部脑刺激之所以如此令人兴奋，部分原因是它不仅仅是一种有希望的疗法。它也是神经科学家可以用来深入了解大脑基本结构和功能的强大工具。
到目前为止，我们对活体人脑的最佳观察是通过 MRI 和正电子发射扫描等成像研究，但我们从中获得的只是模糊不清的信息，类似于“当一个人做某事或思考某事时，大脑某些部位的血流或氧合会发生变化，这可能与神经活动的变化有关。” 另一方面，通过深部脑刺激，你基本上拥有一个位于大脑特定部位的开关。通过观察当该开关被激活时大脑作为一个整体会发生什么变化，你可以收集有关各种大脑结构如何互连的详细信息。我们开创的一个特别令人兴奋的途径是将深部脑刺激与一种称为脑磁图 (MEG) 的成像技术相结合。MEG 以毫秒为单位跟踪神经活动（相比之下，MRI 提供六秒时间段内的平均大脑活动，PET 提供分钟时间段内的平均大脑活动），从而提供极其准确、即时性的报告。
当我们在幻肢痛患者马修斯身上使用这项技术时，我们看到他脑干中的电极似乎驱动了许多其他大脑区域的活动。当他感到疼痛缓解时，最活跃的区域之一是中前额眶额皮层。其他研究表明，这个位于眼睛正上方的结构在进食、吸毒和性行为等令人愉悦（或有益）的活动中起着关键作用。因此，疼痛的停止是一种强烈形式的愉悦，类似于吸食可卡因或狼吞虎咽地吃掉一块美味的糕点。这一发现证实，眶额皮层可能是治疗快感缺乏症（一种抑郁症和其他精神疾病常见的症状）患者的有效新刺激靶点。
我们期待更多发现。通过研究大脑植入物患者，我们可能会回答诸如大脑如何协调学习一门新语言或解决一个算法等问题。我们甚至可能会获得新的宏观视角，例如像主观体验这样难以捉摸的东西是如何从电活动中产生的。也许最重要的是，我们将能够确定电刺激最有效的大脑区域，从而进一步帮助处境危急的患者。