意識電流

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神經科學

意識電流
意識電流

2021-09-01 柯霍(Christof Koch)

新近研究發現,藉由腦中電極刺激不同區域的神經元, 能顯示出產生意識經驗的腦圖譜。

試著進入以下情境:

· 前方數公里外有暴風雨,但你必須翻山而過並穿越它。你問自己:「我該如何在暴風雨中翻山而過?」

· 你在黑色背景上看到一個小白點,宛如在黑夜中看見星星一般。

· 你從上方俯視躺在床上的自己,只見到自己的雙腳和軀幹。

這些情境很像來自日常意識經驗中的感覺、記憶、思想和夢境,事實上,它們都是透過腦中電極直接刺激大腦所產生的。一如美國詩人惠特曼(Walt Whitman)在其詩中的直覺描述:「我唱出了身體中的電流」,這些情境描繪出身體和靈魂的親密關係。大腦和意識彼此相連,就像是硬幣的兩面。

最近的臨床研究已發現意識活動的某些定律和規則,這些發現有時令人十分困惑。有研究指出,和意識知覺有關的腦區其實和思考、計畫及其他高階認知功能關係不大。神經科學工程師現在正設法把這些知識轉化成技術,以取代受損的認知功能,並企圖在較遠的未來用以強化感覺、認知或記憶能力。例如最近的一項腦機介面研究,就讓全盲的病人得以有限度感知光線。然而,這些工具也顯示出完全恢復視覺或聽力的困難度。如果你想要像科幻劇情那樣把大腦當成電腦硬碟來存取並達成強化知覺,這些研究結果甚至凸顯出其中一些可能障礙。

電流與身體

神經系統的運作,是在具有開關元件的高密度與高連結網路中傳遞電流。過去兩個半世紀以來,已有無數物理學家和科學家投入研究這個問題,其中最早一位就是18世紀末把電線接上剛死亡的青蛙的義大利醫師嘎爾凡尼(Luigi Galvani)。在雷暴雨中,他把電線朝向天空,結果蛙腿在每一次閃電時都會跳動。嘎爾凡尼的研究顯示出神經纖維可以傳遞「動物電流」,這在本質上和1752年美國科學家富蘭克林(Benjamin Franklin)透過風箏實驗所發現的「大氣電流」相同。1802年,嘎爾凡尼的外甥阿爾蒂尼(Giovanni Aldini)在公開場合中使用電來刺激一位被斬首犯人的裸露大腦,結果發現他的下巴顫動,還張開一隻眼睛。這場公開展示可能就是英國文學家瑪莉.雪萊(Mary Shelley)創作經典哥德小說《科學怪人》的靈感來源。

後續的動物研究顯示,以電刺激特定腦區可引發特定肌肉和肢體動作。這些研究導致1870年代發現運動皮質。1874年,美國醫師巴瑟羅(Robert Bartholow)在意識清楚的病人身上首次以電刺激大腦。這是一項充斥倫理爭議的開拓研究,因為它讓病人感受到痛苦,而且可能加速病人的死亡。接下來數十年顱內電刺激(iES)技術逐漸改進,1930~1950年加拿大蒙特婁神經學研究所的神經外科醫師潘菲德(Wilder Penfield)進行了一項開拓研究,他以顱內電刺激技術繪製出腦中負責動作或感覺功能的區域,這項技術也因此變成了神經外科醫師的標準工具之一。

有些癲癇病人無法透過藥物控制發作頻率或嚴重程度。如果這些病人癲癇發作的源頭是在大腦皮質的可界定範圍中(大腦皮質位於大腦最外層,負責感覺、動作控制、語言、理解等認知功能)或是鄰近腦中結構(例如海馬回),神經外科手術就成了控制癲癇發作的選項。不受控制的大腦過度活躍起因於腦區連結錯誤,這些異常神經活動會增強甚至影響整個大腦運作。醫師很難決定該摘除多少腦組織:摘除過少無法去除癲癇,摘除過多則會導致病人喪失視覺、說話能力或行走能力。外科醫師必須避開那些負責日常行為的重要皮質區域,例如主要聽覺、視覺、體感覺、運動皮質,以及負責理解和說話的腦區,也就是所謂說話中樞(eloquent cortex)。顱內電刺激可用來找出應該保留哪些腦組織。醫師會把圓盤狀的電極植入頭顱中,置於堅硬的硬腦膜(dura mater)下,又或者在灰質中植入細針般的電極以探測該區的功能。在醫師找到癲癇發作的源頭時就可取出電極,然後以手術摘除該組織,病人通常就不再癲癇發作。

另一種使用顱內電刺激的方式是長期電刺激。這種方式會把電極永久植入腦中。透過這些電極把微量電流傳入大腦,此技術稱為深部腦刺激術(DBS),用來治療帕金森氏症的震顫(tremor)和僵硬症狀,或是減緩癲癇發作頻率與程度。臨床先驅實驗正評估使用這類腦中電極做為視覺輔助裝置,以協助視障者重新獲得在空間中行走的能力,或者幫助治療強迫症和憂鬱症。

有何感受?

去年7月,《自然.人類行為》刊出了一張大腦圖譜,標註了皮質各腦區受到電刺激時所產生的意識經驗,就像上述暴風雨以及奇特的身體經驗。這項研究由美國史丹佛大學醫學院的神經學教授帕維茲(Josef Parvizi)所領導,臨床團隊蒐集67名癲癇病人的資料,並記錄了1537個皮質腦區的電生理活動(大多是透過硬腦膜下的電極)。他們把這些皮質腦區中的活動繪製到數位大腦模型上,以比較來自不同大腦的資料(每顆大腦看起來像是大型核桃,上面有稍微不同的皺褶圖樣)。帕維茲的團隊檢視那些「有反應」的電極(會激發視覺、觸覺、肌肉抽動或語言異常),如果病人受到電刺激時沒有任何感覺,就會標記該電極為「無反應」。

病人回報許多由電極所誘發的主觀意識經驗:如星星般的短暫閃爍光點;如西班牙超現實主義藝術家達利(Salvador Dali)畫作般的扭曲臉孔;刺麻、癢、灼熱、脈動等身體感覺以及靈魂出竅感受;恐懼、不安、性慾、歡樂感;移動肢體的欲望;在面對某些巨大但未知挑戰時表現的堅定意志。只要使用微量電流輕微刺激神經元,就足以產生這些感受;假刺激時(沒有施以電流),病人則不會有任何感受。雖然顱內電刺激安全有效,但實際上仍很簡陋。這些低電阻電極大約是6~10平方釐米,並可在相鄰電極傳遞高達10毫安培的電流(足以改變百萬顆或更多神經元的活性)。然而,顱內電刺激的效果仍屬局部。神經元的反應會在接受刺激的位置的幾毫米外、或是跨過腦溝(大腦表面的凹溝)後就消失。

帕維茲的團隊發現,比起位於高階認知功能腦區中的電極,在感覺與運動腦區中的電極更容易產生效果。在視覺和觸覺皮質(體感覺)中,有1/2~2/3的電極誘發出意識知覺;在負責高階思考處理的側前額葉皮質及前內側前額葉皮質中,最多只有1/5的電極有效。換句話說,大腦後端(與感覺經驗有關)的電極比大腦前端(與思考、計畫、道德認知、決策和智慧等高階認知活動有關)的電極更容易誘發意識經驗。

雖然大腦前端的腦區對於思考來說很重要,但是它們和意識經驗較無關係。確實,上世紀中,神經外科醫師已發現,只要保留說話中樞,即使大部份的額葉受到損傷,也不會影響病人日常意識經驗。這些與說話無關的腦區可以調控意識經驗,但是大致來說它們應該不是意識產生的位置。意識產生的關鍵區域是位於大腦後半部的腦區,也就是頂葉、顳葉和枕葉。至於為什麼意識經驗的生理介質會在大腦後半而非前半,目前仍是未解之謎......

【欲閱讀全文或更豐富內容,請參閱〈科學人知識庫〉2021年第235期09月號】