能够非侵入性地刺激深部脑区而不刺激浅表脑区是非侵入性神经刺激的一个关键目标。卡内基梅隆大学研究人员在《通讯生物学》（Communications Biology）上发表的一项研究表明，在理解一种最近的神经刺激技术——时间干扰（TI）刺激的神经机制方面取得了突破，该技术被认为可以实现这一目标。这篇论文提供了对TI刺激在大脑中细胞特异性效应的新理解，这对利用TI刺激治疗脑部疾病具有深远影响。
经颅电刺激（TES）常用于神经科学研究和临床治疗中，以刺激特定的脑区。TI刺激是TES的一种变体，通过结合不同的电频率，试图实现深部刺激而不刺激浅表脑区。研究表明，TI刺激在浅表和深部脑区都能激活副蛋白（PV）神经元。
然而，在浅表脑区，PV神经元的抑制作用很强，阻止了兴奋性锥体（Pyr）神经元的激活。TI刺激在浅表脑区引起高激活的PV神经元，在深部脑区则激活较少，这可能使深部脑区的Pyr神经元得以放电。这有助于解释为什么靶向深部脑区的Pyr神经元被激活，而离靶浅表区域的Pyr神经元则不被激活。
生物系博士生Sara Caldas Martinez做出了一个关键观察。通过测量细胞对TI刺激的膜电位反应，Martinez发现当Pyr神经元与其他神经网络断开连接时，它们不再对TI刺激作出反应。这一发现意义重大，因为它纠正了一个广泛持有的观点，即神经元单独对TI刺激作出反应。研究表明，TI刺激本质上是一种网络现象。
这些发现非常重要，因为对神经机制的更好理解和控制可以改善对如抑郁症、创伤后应激障碍（PTSD）、强迫症（OCD）、成瘾和物质滥用障碍等疾病的治疗。
“时间干扰刺激主要由网络而非单个细胞的内在特性决定，这一见解改变了当前的机制理解及其潜在应用，”Martinez说。“这也为减少兴奋性开辟了新的可能性，这是某些自闭症形式等神经系统疾病的关键特征。”
与其它程序不同，TI刺激是非侵入性的。它不需要将电极插入大脑，而是使用外部设备发送电信号到大脑。电气和计算机工程学教授兼神经科学研究所成员Pulkit Grover表示，侵入性程序在历史上对治疗疾病有较好的效果，因此通过更广泛应用的非侵入性TI刺激达到类似效果将是理想的。
“你可以做很多很酷的事情，包括通过提高选择性和特异性来改善治疗条件，并根据患者进行个性化调整，”Grover说。“然而，限制是显著的。”
研究表明，TI刺激存在局限性和潜在副作用，包括对浅表脑区的高度刺激倾向。
这项研究是由Grover和生物系教授兼神经科学研究所成员Alison Barth之间的跨学科合作完成的。
“非侵入性脑刺激在诱导脑可塑性方面有很大的前景，但由于对其工作机制缺乏了解，很难对其进行测试。这项研究建立了其效果的神经基础，”Barth解释道。
“看到我们可以通过这种方法抑制神经活动是非常令人兴奋的。现在我们可以开始针对癫痫、慢性疼痛甚至某些形式的抑郁症等脑部疾病进行临床应用的艰苦工作。”
“深入探究某种方法为何有效是很重要的。我了解到自己对于TI刺激的工作原理和使用方式的理解是错误的，”Grover说。“这项工作揭示了TI刺激的局限性和副作用，但也可能激发解决非侵入性深部脑刺激问题的替代方法。”
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