Science Bulletin | 从“网络神经科学”到“网络神经外科”

随着科技进步，人类对大脑的认识不断深入。2004年脑的大尺度网络论述初步形成，2005年脑连接组学的概念首次提出，到2017年Sporns等在Nature neuroscience撰文系统论述，并提出了Network neuroscience的概念。与此同时，欧美国家脑计划的实施以及我国“一体两翼”脑计划格局的形成，脑网络与脑科学得到长足发展。

脑疾病方面，全球罹患癫痫、帕金森病、阿尔茨海默病等疾病的患者超过1.7亿，是全球卫生健康领域的重大挑战。目前越来越多证据支持这些疾病是脑网络疾病，但脑网络与脑科学长足发展的今天，“脑网络疾病”的诊疗体系尚缺乏系统的论述。

近日，首都医科大学宣武医院赵国光教授团队联合“脑机接口”领域的先驱，Miguel A. Nicolelis教授，在Science Bulletin在线发表了题目为“Rethinking the neurosurgical approach to brain disorders from the network neuroscience perspective”的专家评介文章，对网络神经科学时代脑网络疾病的评估与网络干预进行了系统的论述，结合网络控制论对网络神经外科的范畴及诊疗模式进行了探讨。

“网络神经外科”的评估模式

节点作为脑网络的最小单元，可以为某一分子，或神经元，再到皮层柱，或某一特定的脑区，节点之间的连接为网络中的边。传统的网络评估主要依据图论学，量化节点与节点之间的相互作用，明确重要节点（如rich-club等）及其对应的疾病机制。

然而，图论的分析主要是针对相对静态的网络特征。而脑网络是动态的，从“网络神经外科”评估网络疾病，还应涵盖时间维度上的动态分析，如：固定连接网络中，节点或边活动的强弱变化，或是节点与节点之间的重组变换。除此以外，网络中还有兴奋性脑区/核团或抑制性脑区/核团，一个灰质区域的兴奋，依据递质属性的不同，可兴奋或抑制另一脑区。随着脑网络认识的深入，对脑网络疾病的评估，还应考虑兴奋/抑制变化（如：近年来提出的E/I比）。“网络神经外科”的评估模式，应是与网络神经科学（Sporns等，2017）相呼应，涵盖图论、动态系统论和统计物理学的全新数字化评估模式。

“网络神经外科”时代，网络疾病的再认识

研究表明，在空间维度上，癫痫、帕金森病、阿茨海默症等疾病均与神经脆性相关。在网络中，富人俱乐部等关键节点往往需要消耗更多能量，也更容易导致炎症或氧化应激的蓄积，而导致网络活动的异常，即网络的神经易感性/神经脆性，此为网络疾病在空间维度的共性；

在时间维度，前期研究发现，癫痫、帕金森病、阿尔茨海默症、抑郁、强迫等疾病均可表现为神经过度兴奋（hyperexcitability）。病理性的同步化除了癫痫，还可见于帕金森，表现为丘脑底核和皮层之间的病理性同步化，也可见于阿尔茨海默症，如额顶叶间的病理性同步化。通过脊髓电刺激等干预方法阻断丘脑和皮层之间的同步化，可治疗帕金森。服用左乙拉西坦等干预阿尔茨海默症患者的痫样放电，也可改善患者的认知状态。从网络的时间和空间维度，癫痫、帕金森、阿茨海默症等疾病可体现出共病特征。

“网络神经外科”时代的干预

如果将脑看做是网络，网络疾病则是网络活动偏离正常的状态。从“网络控制论”的角度，我们如果依据网络偏离正常的程度重编程，根据网络动态实时操控网络的活动，理论上应可使网络恢复到功能稳定的状态。此应为“网络神经外科”的思想。

2012年Henderson等人提出依据弥散或功能磁共振提出了“连接组外科”的概念，强调网络评估的引导就像一个“漏斗”，位置越深，就越是能影响整个网络。该思想主要偏重影像学手段的引导，网络疾病的治疗，电生理及网络动态的引导同等重要。

“网络神经外科”的概念，充分吸收了近年来“网络神经科学”发展的理论成果，同时聚焦于网络的时间和空间维度属性的修复。其目的就是将异常网络活动逆转为正常。调控网络的手段可包括：射频毁损、激光间质内治疗、脑深部刺激术(DBS)、脊髓刺激术(SCS)、反应性电刺激（RNS）等。这突出了多学科融合的重要性。除了神经外科医生，还需工程师、科学家等开发诸如脑网络神经外科立体性向手术机器人系统、闭环神经电刺激系统、虚拟脑动态云计算系统等。

脑网络的精准控制技术，需要我们将外源性的人工电信号注入到内源性脑网络电活动中，这个过程需要计算异常活动的空间分布及形式。进一步的刺激，可针对一个或多个网络中的节点（取决于网络的复杂程度）。重新改变节点之间的连接强度，使病理性网络向生理性网络回归是网络治疗的一个重要目的。

将外源性人工信号注入脑内的过程，本质上属于“脑-机-脑接口”技术，为脑机接口当中的一种特殊范式。现应用于临床的典型案例为反应性电刺激：通过人工智能技术解读颅内电信号，预测到即将发生的病理性活动，给于主动外源性电刺激干预，阻断病理活动，治疗疾病，现已应用于癫痫、难治性抑郁等疾病的治疗中。

综上，从网络神经外科的视野，癫痫、帕金森病、阿尔茨海默症、抑郁症、强迫症等疾病具有共同的网络病理性基础。同时考虑网络的时间维度、空间维度和兴奋/抑制平衡来定位关键脑区在网络神经外科中的评估尤为重要。网络控制论为网络干预的重要依据。网络神经外科的概念，在将来可望能够扩宽网络疑难疾病的施治人群，提升治疗效果。

首都医科大学宣武医院魏鹏虎博士为该文的第一作者，Miguel A. Nicolelis教授为该文的共同作者，赵国光教授为通讯作者。该文获得国家自然科学基金重点项目（82030037）、国家自然科学基金（81871009）和北京市老年病医疗研究中心类脑及脑网络科学在脑疾病的机制转化与应用研究(11000022T000000444685)的资助。

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Rethinking the neurosurgical approach to brain disorders from the network neuroscience perspective

https://doi.org/10.1016/j.scib.2022.11.012