【ZiDongHua 之自動化學(xué)院派收錄關(guān)鍵詞：生命科學(xué)領(lǐng)域 神經(jīng)科學(xué) 中國科學(xué)院自動化研究所 機器學(xué)習(xí) 】
 
 
　　腦刺激助力擺脫情緒陰霾，自動化所團隊揭示顱內(nèi)電刺激改善個體情緒狀態(tài)新機制
 
 
　　根據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，全球范圍內(nèi)有超過3.5億人患有抑郁癥，許多患者對傳統(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)機制對于開發(fā)有效的治療方案至關(guān)重要。
 
　　近日，中國科學(xué)院自動化研究所腦圖譜與類腦智能實驗室腦網(wǎng)絡(luò)組研究中心蔣田仔團隊首次在精細時空尺度下揭示了在特定情緒狀態(tài)下顱內(nèi)電刺激調(diào)控眶額皮層改善個體情緒狀態(tài)的神經(jīng)電生理機制。該研究對于開發(fā)更精準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更為切實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，近年來備受研究關(guān)注。最新的研究越來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，同時在情緒障礙中扮演著“非獎賞”信號傳遞的重要角色。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c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)控效果是否受到個體當(dāng)前情緒狀態(tài)的影響，以及其潛在的神經(jīng)機制是什么。
 
　　為了解決上述問題，研究團隊采用了多種腦電分析方法和機器學(xué)習(xí)模型，從局部活動和信息交互層面系統(tǒng)解析了iES改善個體情緒狀態(tài)的最佳靶點、時機及其神經(jīng)電生理機制（圖1）。研究數(shù)據(jù)來源于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)了顯著的活動變化，只有在刺激OFC時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。（中間行）接下來，該研究訓(xùn)練多元分類器來解碼情緒狀態(tài)，并將神經(jīng)活動解碼為“低狀態(tài)”或“高狀態(tài)”。當(dāng)分類器表示“低狀態(tài)”時，OFC刺激調(diào)節(jié)了情緒相關(guān)的神經(jīng)活動，但當(dāng)分類器表示“高狀態(tài)”時，OFC刺激沒有影響。（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” “正確的時間” “做正確的事”才能有效改善個體情緒狀態(tài)：
 
　　“正確的地點”：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)評分發(fā)現(xiàn)，OFC的delta-theta頻段功率的下降反映了個體情緒狀態(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能夠有效改善個體的情緒狀態(tài)評分；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是改善個體情緒狀態(tài)的最佳靶點。
 
　　“正確的時間”：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)評分結(jié)合機器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練了情緒狀態(tài)預(yù)測模型，然后在該模型中輸入了調(diào)控前個體OFC的delta-theta頻段功率預(yù)測了個體當(dāng)前情緒狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)只有個體處于低情緒狀態(tài)時調(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的最佳時機（圖2）。
 
　　 預(yù)測調(diào)控前個體情緒狀態(tài)評分，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，本研究在精細時空層面系統(tǒng)揭示了iES調(diào)控OFC改善個體情緒狀態(tài)的新機制，相關(guān)研究結(jié)果為顱內(nèi)電刺激改善情緒的神經(jīng)機制提供了新的見解，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科學(xué)院自動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，中國科學(xué)院自動化研究所博士生張佳琪也參與了此項研究。該研究工作得到了科技創(chuàng)新2030-重大專項（2021ZD0200200）、國家自然科學(xué)基金（32271085, 82151307）、國家認知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)重點實驗室開放課題（CNLYB2004）、之江實驗室重大項目（2022KI0AC02；2022ND0AN01）的資助。