人脑直接电刺激

虽然人脑直接电刺激（direct electrical stimulation，DES）很有临床相关性，但是人们对它知道得很少。尽管在细胞水平上我们对DES的某些方面已有所了解，然而大脑皮层表面的DES可以在大块脑组织中引起复杂的叠加效应，而这个效应又很难预计，因为许多局部的以及远隔部分的生理学和形态学因素与此都有关系。电刺激脑所引起的这种复杂效应反映在DES所引起的行为效应的异质性上，既可以引起兴奋反应，也可以引起抑制反应。DES作用于同一个皮层位点，会有不同的反应。因此，把DES跟其他神经生理学技术相比较，如果认为我们可以从DES得出有关受刺激脑区功能的不含糊的结论，那是一种误解［6］。

自从DES首次在19世纪末应用以来，在手术期间应用电流以刺激病人大脑皮层的DES已经成了一种标准技术。病人往往是需要切除肿瘤或癫痫病灶的外科手术病人，可以用DES来推断病人的功能脑区。当病人在受控制的条件下实施运动、言语或认知作业的时候，用双极电刺激来刺激皮层的表面，可以诱发可重复的、短暂的行为改变。F. Krause最早用此技术绘制了人类大脑皮层运动区定位组构的第一个详细图谱。往后，H. Cushing通过中央后回的DES，特征化了所诱发的感觉反应。从此以后，DES被用来特征化其他功能的神经代表，包括认知功能。例如，言语功能的代表作图定位于人脑的左侧半球，而视觉对象的空间加工、空间朝向和空间探测，都定位于人脑的右侧半球［6］。

动物的DES在19世纪下半叶已经有人做了。1874年R. Bartholow第一个进行人体的DES，他把电极插入一位女病人已经暴露的大脑，该病人患基底细胞癌。实施刺激时，Bartholow看到了对侧肢体肌肉的收缩，同时发现脑组织实质并无疼痛感觉。自从Bartholow以后，不断有这方面的报道，如V. A. H. Horsley、谢灵顿、Cushing、Krause等，还有其他的临床学家。他们把这种技术应用于患有脑肿瘤而需要接受外科手术的病人以及定位癫痫病灶的病人。到了20世纪的最初几年，DES一般被批准允许应用。Krause用交变电流刺激大脑皮层，完成了大脑皮层的第一张运动区图像。以后，有人尝试通过DES刺激来复制病人通常形式的癫痫，从而鉴定癫痫发生的脑区。1934年O. Foerster和H. Altenburger改进了技术，建立了手术期间记录皮层电图的技术。此技术使他们不但可以刺激，还可以记录脑表面的电活动。大约同时，加拿大的潘菲尔德等应用DES作图人脑的运动区和感觉区，导致著名的运动和感觉“小人”图。这些作者证实了Krause早期关于运动皮层之发现。图11-1显示了大约在1949年，潘菲尔德用这种方法为清醒病人做手术时的脑刺激部位及记录部位［6］。

图11-1　潘菲尔德为清醒病人做手术时的脑刺激部位（a）及记录部位（b）（图引自［6］）

20世纪以来，对于电刺激参数的控制在使用过程中不断有所改进，例如开始用单极刺激，以后用双极刺激；开始用外科医生的舌头来尝电流强度，变成现在应用刺激参数等。然而，行为水平的结果似乎都是可以互相比较的，虽然最近一些研究有比较准确的功能定位。重要的是，潘菲尔德所作图的那个“小人”，仅提示了一个相对简单和严格区分的功能组构。这些作者事实上也报告，运动皮层和感觉皮层之间有重叠，不同的躯体部分之间也有重叠。只有到了最近才知道，对感觉-运动皮层的功能组构，更加特征化的描写是镶嵌型的而不是躯体定位型的［6］。

看起来似乎很清楚的刺激和行为之间的因果关系，导致一些作者得出结论，DES是神经科学系统研究中脑作图的“金标准”。最近的人类实验性DES研究结果，在认知神经科学的热点领域得到了非常热烈的接受。例如，关于顶-额网络与运动意向和空间视觉觉察的关系。但是，DES是不是一种直截了当的方法，就像人们看起来所认为的那样？有理由认为，DES的作用是引发大体积脑组织的复合与总和效应，其结果往往是难以预测的。这样说并不贬低这种技术在神经外科手术临床中的适用性，并且此技术确实在建立脑功能的神经认知模型方面起到了一定的作用。但如果误解DES的效果，将会错误地指导我们关于脑认知功能的结论和假说。正因为如此，本章将要介绍一下，在脑手术时应用DES刺激大脑皮层表面，在细胞水平所产生的效应以及在远隔部位和局部所产生的效应［6］。

在外科手术期间对脑肿瘤或癫痫病人的DES，可以帮助外科鉴定每个个体病人的脑区，确定该区对于某一重要功能是否关键性的。这种作图具有很大的临床价值，因为脑功能定位在不同的病人之间是有差别的，或由于正常个体的变异，或由于皮层组构的变异，以及个体脑病理学功能重组构的变异。在脑组织手术性切除后评价对病人的手术效果，可以说明外科手术期间的DES对皮层功能作图的可靠性。例如，如果在外科手术期间应用DES来作图言语功能，则手术后永久性言语缺损出现的百分比很低，大约在250个病人里面只有2%。相反，部分切除经DES检测过的语言区，会有碍于语言功能的完全恢复。DES也可以同时用来直接研究脑内的解剖和功能连接。例如曾经有报道，手术期间对皮层下结构的DES作图，可以避免损伤语义语言系统的神经纤维连接，这样就防止了永久性的言语缺损。手术期间用DES对病人运动系统进行功能性作图，如果病人的肿瘤部位靠近皮层-脊髓束附近，则肿瘤手术切除后一个月，55个接受研究的病人中有87%不显示手术后的运动缺损。G. Spena等人研究了功能性磁共振成像（fMRI）及弥散张量作图（DTI）纤维追踪这两种方法的效果，看看在肿瘤切除之前，为了预测语言区附近组织的功能，两种方法是否与DES一样有用。他们发现，为了防止持久性神经病学损伤的发生，DES是最可靠的方法。结论是，fMRI和DTI可能对于设计切除方案有用，但是不能够帮助外科医生在外科手术期间直接用于指导其手术［6］。

虽然DES在临床应用方面的目的是直截了当的，即可以预防手术后的功能丧失，但是考虑DES的神经生理学效应，从神经科学的意义上看DES的应用，可以提出不少问题。例如，DES是引起了神经元的激活还是抑制？DES是否导致电流扩散，有没有脑区与脑区之间的信号传播？DES引起皮层-丘脑通路的正性或负性行为效应是怎样的情形？为了应用DES的结果来发展脑功能的神经认知模型，非常重要的是需要了解：DES在细胞水平、脑局部以及远隔部位的效应到底是怎么样的［6］。