【ZiDongHua 之自動(dòng)化學(xué)院派收錄關(guān)鍵詞：生命科學(xué)領(lǐng)域 神經(jīng)科學(xué) 中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所 機(jī)器學(xué)習(xí) 】
 
 
　　腦刺激助力擺脫情緒陰霾，自動(dòng)化所團(tuán)隊(duì)揭示顱內(nèi)電刺激改善個(gè)體情緒狀態(tài)新機(jī)制
 
 
　　根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，全球范圍內(nèi)有超過(guò)3.5億人患有抑郁癥，許多患者對(duì)傳統(tǒng)治療方法不敏感或不能忍受其副作用，從而導(dǎo)致情緒障礙成為最易頻繁復(fù)發(fā)的疾病之一。因此，深入了解情緒調(diào)節(jié)的神經(jīng)機(jī)制對(duì)于開(kāi)發(fā)有效的治療方案至關(guān)重要。
 
　　近日，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所腦圖譜與類腦智能實(shí)驗(yàn)室腦網(wǎng)絡(luò)組研究中心蔣田仔團(tuán)隊(duì)首次在精細(xì)時(shí)空尺度下揭示了在特定情緒狀態(tài)下顱內(nèi)電刺激調(diào)控眶額皮層改善個(gè)體情緒狀態(tài)的神經(jīng)電生理機(jī)制。該研究對(duì)于開(kāi)發(fā)更精準(zhǔn)有效的情緒障礙治療方案具有重要意義，有望為情緒障礙患者帶來(lái)更為切實(shí)的幫助和改善生活質(zhì)量的可能性。相關(guān)成果發(fā)表于《大腦刺激》（Brain Stimulation）。
 
　
 
　　顱內(nèi)電刺激（intracranial electrical stimulation, iES）作為治療難治性情緒障礙和改善情緒狀態(tài)的一種有希望的工具，近年來(lái)備受研究關(guān)注。最新的研究越來(lái)越多地聚焦于眶額皮層（orbitofrontal cortex, OFC），這一腦區(qū)在情緒加工和情緒障礙中扮演著重要角色，同時(shí)在情緒障礙中扮演著“非獎(jiǎng)賞”信號(hào)傳遞的重要角色。盡管有研究發(fā)現(xiàn)，iES調(diào)控OFC能改善情緒狀態(tài)，但至今我們?nèi)圆磺宄?，與情緒腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他腦區(qū)相比，調(diào)控OFC是否具有更顯著的效果，這種調(diào)控效果是否受到個(gè)體當(dāng)前情緒狀態(tài)的影響，以及其潛在的神經(jīng)機(jī)制是什么。
 
　　為了解決上述問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)采用了多種腦電分析方法和機(jī)器學(xué)習(xí)模型，從局部活動(dòng)和信息交互層面系統(tǒng)解析了iES改善個(gè)體情緒狀態(tài)的最佳靶點(diǎn)、時(shí)機(jī)及其神經(jīng)電生理機(jī)制（圖1）。研究數(shù)據(jù)來(lái)源于24例在情緒腦網(wǎng)絡(luò)中植入顱內(nèi)電極接受iES治療的癲癇患者。
 

 
　　圖1. 本論文研究框架。為了研究顱內(nèi)電刺激改善情緒狀態(tài)的最佳策略，該研究進(jìn)行了一系列的分析。（第一行）首先，該研究發(fā)現(xiàn)了顯著的活動(dòng)變化，只有在刺激OFC時(shí)才能反映更好的情緒狀態(tài)，而不是在刺激情緒網(wǎng)絡(luò)的其他區(qū)域時(shí)。（中間行）接下來(lái)，該研究訓(xùn)練多元分類器來(lái)解碼情緒狀態(tài)，并將神經(jīng)活動(dòng)解碼為“低狀態(tài)”或“高狀態(tài)”。當(dāng)分類器表示“低狀態(tài)”時(shí)，OFC刺激調(diào)節(jié)了情緒相關(guān)的神經(jīng)活動(dòng)，但當(dāng)分類器表示“高狀態(tài)”時(shí)，OFC刺激沒(méi)有影響。（最后一行）OFC刺激抑制了情緒腦網(wǎng)絡(luò)中的delta-theta功率，增加了gamma功率（左），增加了情緒腦網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞（右）。
 
　　研究發(fā)現(xiàn)，只有在“正確的地點(diǎn)” “正確的時(shí)間” “做正確的事”才能有效改善個(gè)體情緒狀態(tài)：
 
　　“正確的地點(diǎn)”：只有調(diào)控OFC能有效調(diào)節(jié)情緒狀態(tài)
 
　　研究人員首先基于基線狀態(tài)下的顱內(nèi)腦電數(shù)據(jù)和情緒狀態(tài)評(píng)分發(fā)現(xiàn)，OFC的delta-theta頻段功率的下降反映了個(gè)體情緒狀態(tài)的改善；然后基于iES調(diào)控中的情緒狀態(tài)評(píng)分發(fā)現(xiàn)，相比于刺激其他腦區(qū)，只有調(diào)控OFC能夠有效改善個(gè)體的情緒狀態(tài)評(píng)分；最后基于iES調(diào)控中OFC的delta-theta功率發(fā)現(xiàn)，相比于刺激其他腦區(qū)，只有調(diào)控OFC能夠抑制delta-theta頻段的功率。這些發(fā)現(xiàn)表明了iES調(diào)控OFC是改善個(gè)體情緒狀態(tài)的最佳靶點(diǎn)。
 
　　“正確的時(shí)間”：只有低情緒狀態(tài)下調(diào)控OFC能夠有效改善情緒
 
　　研究人員進(jìn)一步基于基線狀態(tài)下OFC的delta-theta頻段功率和情緒狀態(tài)評(píng)分結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練了情緒狀態(tài)預(yù)測(cè)模型，然后在該模型中輸入了調(diào)控前個(gè)體OFC的delta-theta頻段功率預(yù)測(cè)了個(gè)體當(dāng)前情緒狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)只有個(gè)體處于低情緒狀態(tài)時(shí)調(diào)控OFC才能夠有效抑制delta-theta頻段功率，反映了情緒狀態(tài)改善。這些發(fā)現(xiàn)表明了iES調(diào)控OFC的最佳時(shí)機(jī)（圖2）。
 
　　 預(yù)測(cè)調(diào)控前個(gè)體情緒狀態(tài)評(píng)分，以及不同情緒狀態(tài)下iES調(diào)控OFC的結(jié)果
 
　　“做正確的事”：調(diào)控OFC引起情緒腦網(wǎng)絡(luò)信息傳遞增加
 
　　研究人員最后利用不同頻段功率譜和信息傳遞指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)調(diào)控OFC在局部腦區(qū)層面引起低頻功率抑制，高頻功率增加；在信息交互層面增加了情緒腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不同腦區(qū)信息傳遞的增加（圖3）。
 
　　 調(diào)控OFC引起不同頻段功率重排，情緒腦網(wǎng)絡(luò)不同腦區(qū)信息傳遞增加
 
　　綜上，本研究在精細(xì)時(shí)空層面系統(tǒng)揭示了iES調(diào)控OFC改善個(gè)體情緒狀態(tài)的新機(jī)制，相關(guān)研究結(jié)果為顱內(nèi)電刺激改善情緒的神經(jīng)機(jī)制提供了新的見(jiàn)解，有望將其應(yīng)用于臨床治療中，幫助更多情緒障礙患者改善癥狀。
 
　　本論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所曹丹副研究員和電子科技大學(xué)碩士生劉啟宏（已畢業(yè)），蔣田仔研究員和李瑾副研究員為共同通訊作者，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所博士生張佳琪也參與了此項(xiàng)研究。該研究工作得到了科技創(chuàng)新2030-重大專項(xiàng)（2021ZD0200200）、國(guó)家自然科學(xué)基金（32271085, 82151307）、國(guó)家認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（CNLYB2004）、之江實(shí)驗(yàn)室重大項(xiàng)目（2022KI0AC02；2022ND0AN01）的資助。