為什麼「深腦電刺激」可以改善巴金森氏症的顫抖症狀?

為什麼「深腦電刺激」可以改善巴金森氏症的顫抖症狀?
Photo Credit: Jens Wolf / picture-alliance / dpa / AP Images
我們想讓你知道的是

巴金森氏症可以想成是電路板上的訊號迴路發生異常,深腦刺激術就是藉由電刺激,讓大腦的迴路恢復正常。

唸給你聽
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文:許逸翔
核稿:林發暄(台大醫工所教授)

巴金森氏症為何物?

被評為世紀最佳運動員的拳王阿里、身為納粹領袖的戰爭狂人希特勒、在台灣樂壇屬一代宗師等級的音樂家李泰祥,於人生的晚年裡,皆深受巴金森氏症(Parkinson’s disease)所苦。身體逐漸退化,四肢不時出現顫抖、肌肉僵硬的現象,隨著年歲的增長,病魔侵蝕的情況沒有減少,只有越來越嚴重的趨勢。

巴金森氏症是什麼呢?它是一種作障礙疾病(movement disorders),指的是在力氣正常的情況下,不能由大腦意識自主控制動作的現象。動作障礙可以簡單被分為兩類:「動作過少」與「動作過多」,動作過少的疾病以巴金森氏症為主,動作過多的疾病包括顫抖症(tremor)、肌張力不全症(dystonia)、肌躍症(myoclonus)等等。

通常醫師在治療動作障礙疾病的時候,是以藥物治療為主的。根據一份台大醫院神經部的報告指出,以巴金森氏症來看,當人的中腦黑質體退化時,會無法產生足夠的多巴胺(一種神經傳導物質),導致大腦基底核裡的迴路功能發生異常,產生不正常的放電訊號。這樣的現象會讓人無法正常控制肢體動作。

這時候,病人最常服用的藥物就是「多巴胺促效劑」,或多巴胺的前驅物質「左多巴」。用意在幫助腦部產生較多的多巴胺,補足中腦黑質體細胞退化的缺陷。

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http://tsukinegradprogram.blogspot.com/2016/11/parkinsons-disease-incurable-disease.html

疾病機制簡圖(圖片源自於此

然而,病人用藥幾年後,常常會遇到一種藥效窗口變窄的「開關現象」。在持續接受藥物治療數年後,病人會漸漸感覺到藥效出現波動、不穩的跡象,同時副作用大增。這樣會導致接受藥物治療幾年後的病人,即使繼續接受左多巴治療,仍無法恢復正常的生活品質與作息。

由於藥物治療的方法出現瓶頸,專家開始尋找其他可行的途徑協助動作障礙患者康復。

替代方案:深腦刺激

工程師為解決上述問題,嘗試從外在的物理性刺激著手,也就是本文的重點──深腦電刺激。

深腦電刺激的原理,是藉著產生電流來調節腦內不正常的活動訊息,而達到運動症狀的控制與改善。我們可以想像,大腦控制肢體動作的機制,就好像是腦中裝了一塊調控動作的電路板。巴金森氏症可以想成是電路板上的訊號迴路發生異常,深腦刺激術就是藉由電刺激,讓大腦的迴路恢復正常。

再往更深一層挖的話,巴金森氏症患者其實是因為腦中的多巴胺分泌不足,導致大腦-基底核運動迴路中的「視丘下核」活性異常。強烈放電的結果,導致基底核不斷送回錯誤訊息,指示大腦皮質暫停動作,產生猛踩煞車的狀態。最終演變成大腦想要執行的動作均被消除。因此,這樣的「煞車過度」狀況,就是巴金森氏症患者產生動作障礙的主因。

針對這樣放電不正常的現象,醫師與工程師合作,藉由植入一組細長的電極導線(electrode),至病人腦中的丘腦下核(subthalamus nucleus,STN)或是蒼白球內核(globus pallidus internal segment,GPi)的方法,將其與植入於胸前的脈衝產生器(pulse generator)相連(類似心律調節器),形成一套完整的放電系統

如此一來,我們便能利用脈衝產生器發出的高頻率脈衝微電流,來調節病灶區域的放電狀況,控制不正常的腦神經放電訊號,修復大腦-基底核的運動迴路功能,達到改善巴金森氏症症狀的效果。

技術聯想

大家可能會懷疑,為什麼生病的大腦電一電就會好了?不過其實像這樣以外部物理刺激來解決問題的例子,在我們日常生活中十分常見。大家可以試想,為什麼很多機械壞了敲一敲就莫名其妙好了?為什麼快沒電的電池搓一搓,就會有電了?其實,都是有理論根據的。

大家可以試想,生活中有沒有遙控器打不開電視,用手拍一拍又突然可以開的經驗?這其實是因為電器內部排線非常密集,長時間放置可能會造成局部生鏽、脫離,或者是落灰導致局部短路的現象,此時我們並不用大費周章地拿去店家修理,只要用手給予輕拍,就有機會使內部達到重新整線的效果。

另一個常現的例子是機械起動阻力的問題,機械裡面的機油是可以流動的,如果放久了不用,某部分潤滑不是那麼好,會導致起動阻力增大。而當啟動阻力增大到啟動扭矩無法與之抗衡,機械就無法正常開始運轉了。這時我們常常會看到機械廠的師傅掏出扳手大力一砸,老師傅出完氣,機油重新分佈,潤滑效果也不知不覺變好了。

這是我們人類自古以來特殊的修理小技巧,從外部給予重擊來達到維修的目的,看似毫無章法,事實上卻有理有據。

當我們一眼望去,深腦刺激這四個字往往會帶來許多空泛的想像,這個技術是不是很高深?利用電流刺激大腦會不會太危險?一不小心失誤就會引發不可逆的後果?一個作為巴金森氏症藥物治療的替代方案,應該是我們一般學生無法理解、無法觸及的領域吧?

其實不然,只要我們多方瞭解,會發現原理其實很簡單。只要鎖定位置,利用高頻的電流施予物理刺激,便能調節不正常的腦神經訊號。而類似的原理、方法,生活中更是常見。臨床問題往往用不到太艱深的工程技術,便能獲得解決,關鍵就在你是否能水平思考,連結不同領域的知識。領悟之後,你就能踏上臨床工程的山峰。

本文經UnmetNeeds授權轉載,原文刊載於此

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航