生命科學

劃分意識的界線

清醒與昏迷看似在意識頻譜的兩端,但對於嚴重腦傷的病人是否具有意識,並不容易清楚界定。利用磁脈衝刺激大腦,分析腦波訊號來推測個人的意識狀態,成為具潛力的意識探測工具。

撰文/柯霍(Christof Koch)
翻譯/謝伯讓

生命科學

劃分意識的界線

清醒與昏迷看似在意識頻譜的兩端,但對於嚴重腦傷的病人是否具有意識,並不容易清楚界定。利用磁脈衝刺激大腦,分析腦波訊號來推測個人的意識狀態,成為具潛力的意識探測工具。

撰文/柯霍(Christof Koch)
翻譯/謝伯讓


我已經死過無數次。每天晚上當我疲憊入睡時,我的意識都會消失。此時我沒有任何感官或意識經驗,直到我在睡著的身體內醒來,並進入與外在世界切斷連結的夢境之中;或者當我在早上醒轉時,意識才會重新出現。


生活中我們也不乏類似經驗。小時候我接受闌尾切除手術,全身麻醉時,我的意識消失,手術後意識恢復。另一個模糊的記憶是在青少年時,我坐在雷諾汽車後座,車子在北非的林蔭大道上行駛,忽然間景色丕變,我仍在同一條路上,但是一切景象上下顛倒,原來車子撞樹了,我被彈向一塊石頭,接著失去意識。


許多讀者可能也有這類失去意識後回復清醒的經驗。我們很習慣每天清醒、睡覺和做夢的循環,但是這種經驗並不是人人皆同,對某些腦傷病人來說,意識有時會消失好幾天、幾星期或甚至更久。


臨床上,醫師可能不容易判斷一個人是在安靜睡覺、被麻醉了或有嚴重腦傷。當一個人張大眼睛躺著時,也很難知道他是否有意識或感官經驗,或者意識已經離開身體。


理想的狀況是發展出「意識測量儀」,我們便能回答這些問題。意識測量儀這種聽起來類似血壓計的技術可能有些怪異,但是隨著近年科技發展,一些探測工具極有可能成為真正的意識測量儀,應用在醫療現場或研究中,判斷一個人是否具有意識。醫師和病人家屬或許可採用這種探測意識的技術來幫他們決定,該如何對成千上萬無法與外界溝通的病人進行醫療照護。


探測意識的基本工具:腦電圖


在評估意識測量儀的可能性時,我們必須考慮心智活動的內在動態變化,這些活動會在瞬間起落,相應的腦部訊號也會同樣快速變化。目前可用來探測大腦並推論意識狀態的最重要生理測量工具,就是腦電圖(electroencephalogram, EEG)。


EEG是由德國精神病學家柏格(Hans Berger)所發明,他畢生追求的目標就是找出客觀大腦活動和主觀現象的連結。1924年他首次記錄了一位病人的腦波,但他對結果充滿懷疑,直到1929年才發表這項研究結果。接下來就是大家已知的歷史了:EEG成為臨床神經生理學這門醫學學科的基本工具。雖然柏格多次獲得諾貝爾獎提名,但是他在當時的納粹德國並沒有受到任何認可,1941年抑鬱上吊身亡。


當然,除了令人推崇的EEG,還有其他方式可記錄大腦活動。最常見的是測量腦中血流變化的磁共振造影掃描儀(magnetic scanner)以及測量大腦周圍磁場的腦磁圖(magnetoencephalography, MEG),但是這些工具和一些新技術(例如近紅外光光譜儀)使用起來並不方便,目前無法在臨床上常規使用。


新大腦皮質(neocortex,大腦最外層表面)中的電生理活動與知覺、運動、記憶及思考有關,EEG可測量這些電生理活動產生的微小電壓變化(10~100微伏特)。一般認為,EEG訊號主要是大腦皮質中的錐體神經細胞(因細胞呈四面體形狀而得名)向四面八方傳導後的整體電生理活動;而訊號若來自視丘等較深層結構,則必須根據這些結構對皮質細胞的作用來間接推論訊號位置與強弱。進行EEG只需把電極直接黏貼於頭皮,不必藉由侵入性手術穿透頭顱。現在已有許多人使用高密度的EEG配置(最多可放置256個電極),能夠呈現出涵蓋整個大腦的電生理活動訊號影像圖。


然而EEG仍有一些限制,例如把許多電極透過濕黏的傳導膠黏貼於擦揉過的頭皮(譯註:去除角質以降低電阻),可說是一件費力費時的工作,而且一旦電極移動就會產生雜訊。現在已經有較靈敏的乾式電極,EEG也從臨床工具轉變成一般消費者也能購買的設備,可以連續使用好幾個小時以進行生物回饋,例如運動員或想親身嘗試的「大腦駭客」都可藉此技術來讓自己更專注,失眠者也可藉此追蹤自己的自然睡眠時間,並讓睡眠更深更久(譯註:透過即時測量,反映當下的生理和心理狀況,藉由嘗試調控自身的狀態,進而達成改變的目標)。


從1940年代後期開始,「活躍的EEG訊號」一直是受試者具有意識的跡象,這個狀態的腦波特徵是低電壓、波形快速起伏,而且每個電極的波動不一致。整體來說,當腦波訊號變得較低頻時,受試者通常沒有意識;但是仍有許多例外,顯示這個規則並非判斷一個人是否具有意識的通用標準。有鑑於此,科學家和臨床醫師一直在尋找更可靠的判斷標準,現在已經發現各種意識經驗共同具有的基本特質。


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