Nature Neuroscience | 精密神經影像首次縱向描出人類DBS全腦回路：兩條分離通路、兩種動力學規則

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基本信息

Title:Mapping deep brain stimulation-modulated circuits via precision neuroimaging

發表時間:2026.3.18

發表期刊:Nature Neuroscience

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引言

腦深部電刺激（deep brain stimulation, DBS）自20世紀80年代被發現可緩解帕金森病運動癥狀以來，已經成為功能神經外科的重要治療手段，也被拓展到多種神經精神疾病的研究與治療探索中。但一個關鍵問題始終沒有被充分回答：DBS究竟如何作用于全腦大尺度回路。

過去關于DBS機制的證據，很多來自局部電生理記錄。這些研究能夠捕捉刺激點附近或特定核團的活動變化，卻較難完整呈現廣域腦網絡如何被共同調節。與此同時，MRI與DBS設備的兼容性限制，也讓在植入患者中開展穩定、長時程的全腦功能成像長期面臨技術障礙。

這篇研究試圖填補的，正是這一層面的空白。作者使用與3-T MRI兼容的DBS系統，對接受丘腦下核（subthalamic nucleus, STN）DBS的帕金森病患者進行術前術后的縱向精密神經影像隨訪，在一年內跨五個時間點重復采集功能磁共振成像（functional MRI, fMRI）、結構MRI和擴散MRI數據，并比較刺激開啟與關閉、不同刺激頻率以及不同刺激持續時間下的回路反應。研究的重點不只是“哪些腦區會變”，而是進一步追問：DBS是否會以不同規則調節不同回路，以及這種調節是否會在運動皮層內部繼續細分到更具體的功能網絡層級。

實驗設計與方法邏輯

研究納入14名接受STN-DBS治療的帕金森病患者，以及27名未接受DBS的神經典型參與者作為比較對象。患者在植入前后進行為期一年的縱向隨訪，共五個時間點。整項研究強調“精密神經影像”思路，也就是在單個參與者層面進行長時程、重復采集，以提高功能連接和刺激反應圖譜的穩定性。

影像數據采集強度較高。每位參與者平均采集10.5小時fMRI數據，范圍為3.3至11.7小時；平均采集2.0小時結構MRI，范圍為0.9至2.2小時；平均采集1.1小時擴散MRI，范圍為0.5至1.3小時。作者認為，這種結合縱向、多模態和多刺激條件的高分辨率數據結構，有助于在個體層面和群體層面較可靠地描繪DBS調制回路。

刺激設計包含七種DBS條件，其中包括ON-OFF交替區組設計，用于比較刺激開啟與關閉時的即時fMRI反應；也包括連續靜息態掃描，并設置高頻、低頻和變頻刺激，分別為130 Hz、60 Hz和130 + 60 Hz。這樣的設置使研究不僅能回答“刺激是否引發回路反應”，還能夠比較不同參數下反應是否呈現頻率依賴或時間依賴。

分析邏輯分成兩個層面。第一個層面是全腦大尺度回路映射，用來識別哪些回路會對STN-DBS作出激活或去激活反應，以及這些反應在不同時間點和不同刺激條件下如何變化。論文中的Figure 1之所以重要，就在于它不僅給出空間分布，還顯示了這些回路在1、3、6、12個月隨訪中的動態趨勢：這使“回路存在”與“回路如何隨時間演變”能夠被放在同一框架下理解。第二個層面則聚焦初級運動皮層（primary motor cortex, M1）內部的功能連接，進一步區分軀體-認知動作網絡（somato-cognitive action network, SCAN）與效應器網絡，比較不同子網絡對DBS的敏感性及連接改變方向。

作者同時對方法學邊界保持了明確說明。論文指出，雖然可以從DBS相關fMRI偽影中恢復具有生物學意義的信號，但某些皮層區域，尤其是受偽影影響較重的區域，仍可能保留殘余噪聲，因此對部分回路結果的解釋需要謹慎。文中也提到，未來可考慮借助生成式深度學習方法，進一步重建受損BOLD信號，以降低DBS相關混雜。

核心發現

發現一：STN-DBS對應兩條彼此分離、方向相反的大尺度功能回路

這項研究首先在全腦層面識別出兩條對STN-DBS有明確反應的大尺度回路。一條是被激活的蒼白球回路，包含蒼白球、丘腦和后部小腦；另一條是被去激活的M1回路，包含初級運動皮層、后部殼核和前部小腦。

這一點是全文最基礎也最關鍵的結果。Figure 1a展示了在1、3、6、12個月隨訪中，DBS開啟相對于關閉時的群體水平激活與去激活分布，而且這些信號并不是零散出現，而是聚集在兩組相對清晰的解剖—功能系統中。它提示我們，STN-DBS的全腦效應不能被簡單理解為統一的“增強”或“抑制”，而更像是對不同回路施加方向不同的調節。

Figure 1. Time-dependent DBS effects on two separate large-scale brain circuits

這項發現回答了論文最核心的問題之一：DBS究竟作用于哪些大尺度回路。不過，現有證據支持的是“識別出與STN-DBS相關的兩類主要回路模式”，并不能據此斷言它們已經涵蓋DBS全部治療機制，也不能直接外推到其他刺激靶點或其他疾病場景。

發現二：兩條回路具有不同動力學特征，蒼白球回路偏頻率依賴，M1回路偏時間依賴

在明確“哪些回路在響應”之后，作者進一步比較了這些回路如何響應。結果顯示，蒼白球回路的反應更體現頻率依賴性，在高頻刺激下激活最強；而M1回路更體現時間依賴性，其去激活效應會隨著刺激持續時間延長而逐步增強。

Figure 1在這里提供了直接支撐。圖中不僅呈現了不同時間點的空間圖譜，也顯示M1回路的DBS誘導去激活在1個月到12個月之間逐漸增強，而蒼白球回路的激活在各時間點則相對穩定。結合文中對130 Hz、60 Hz和130 + 60 Hz條件的描述，可以看出作者想強調的并不是單次刺激效果，而是回路對參數和時間維度具有不同敏感性。

這項結果的重要性在于，它把對DBS的理解從“刺激后有沒有變化”推進到了“不同回路遵循不同響應規則”。這為理解同一種治療為什么會同時引發短時和長時、局部和系統層面的變化提供了更細的回路框架。但需要注意，論文并未在這里給出可直接轉化為臨床最優參數的結論，因此不能把這些動力學差異寫成參數優化方案已經明確。

發現三：在M1內部，SCAN對DBS的反應強于傳統效應器網絡

研究并未把M1當作一個均質整體處理，而是進一步區分了近年提出的SCAN與傳統效應器網絡，后者包括足、手、口等運動區域。結果顯示，SCAN表現出更強的DBS誘導反應，強于這些效應器網絡。

與此同時，作者發現被刺激的STN位點在所有皮層功能網絡中與SCAN的連接最強。論文據此提出，這一模式很可能反映了STN-皮層超直接通路（hyperdirect pathway）的參與，即繞過紋狀體和蒼白球的連接路徑。這里值得關注的，不只是“SCAN有變化”，而是“SCAN反應更強”與“STN位點和SCAN連接最強”這兩個信息是配套出現的，它們共同把DBS的皮層影響從一般運動區，進一步指向一個與動作規劃、協調及內感受相關的功能網絡。

這一發現把論文從大尺度回路映射推進到了皮層內部功能分層的層面。不過，文中的表述是“likely to reflect”，因此關于超直接通路的解釋仍屬于機制推測，而不是對具體解剖通路的直接證實。

發現四：DBS對M1功能連接呈現分化性重塑，在SCAN中正?；?，在效應器網絡中去正常化

除了反應強弱不同，DBS對M1內部不同網絡的功能連接改變方向也并不一致。作者指出，DBS使SCAN內部的功能連接趨于正?；谛骶W絡中則表現為去正常化。

這一結果很有解釋力，因為它打破了“有效神經調控應當把所有異常連接都拉回健康狀態”的直覺。論文顯示的并不是統一方向的校正，而是不同子網絡中并存的分化性重塑。換句話說，DBS可能重新分配了網絡間的平衡，而不是讓所有運動相關網絡都朝同一方向變化。

這項發現為理解DBS可能為何同時伴隨治療效應與復雜網絡后果提供了線索，但邊界也需要說清楚?，F有材料沒有提供“正常化/去正?；钡耐暾繕藴始捌渑c臨床癥狀變化的直接對應，因此不能把SCAN正?；苯訉懗莎熜C制已經被證明，也不能把效應器網絡去正常化直接解釋為副作用來源。

歸納總結和點評

這項研究的突出價值，在于它借助MRI兼容DBS系統和高強度縱向精密神經影像設計，在人體中較系統地描繪了STN-DBS調制大尺度腦回路的圖譜。作者不僅識別出激活的蒼白球回路和去激活的M1回路，還進一步顯示兩者分別更體現頻率依賴和時間依賴；在M1內部，又揭示SCAN比傳統效應器網絡更敏感，并呈現正常化與去正?；⒋娴倪B接重塑。

從方法學角度看，這項工作說明，在接受植入治療的患者中開展長時程、重復、全腦的高分辨率成像研究是可行的，且論文明確將這一策略描述為安全、可實施。這樣的技術推進，為未來更系統地研究DBS機制提供了現實路徑，也使“從局部核團走向全腦網絡”的分析框架在人體內變得更加可操作。

但這篇文章更適合被理解為一份高質量的人體回路地圖和機制線索，而不是對DBS機制的最終定論。作者同樣提醒，DBS相關fMRI偽影及部分區域殘余噪聲，仍可能影響某些回路解釋的確定性。正因如此，這項工作的真正意義，或許不在于給出一個封閉答案，而在于把“如何在人體中精細觀察DBS調制腦網絡”這件事推進到了新的分辨率層級，并為后續更精細、個體化的神經調控研究提供了扎實起點。

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