刺激桶中之腦 -科學人雜誌
神經科學

刺激桶中之腦

2021/10/01 曾祥非
以人為方式直接在腦內產生神經活動,讓意識活在虛擬世界, 聽來科幻,但現行腦刺激技術已經能使人產生感官或意識經驗的變化, 進而提升認知能力或改善疾病症狀。

重點提要

  1. 感覺器官接收外界訊號並傳送到腦部,再經大腦詮釋,成為我們感受到的世界。現今科學家藉由腦刺激技術,直接引發不經由感覺器官的大腦神經活動,猶如哲學家所說「桶中之腦」概念。
  2. 目前醫界和學界較常探討及應用的五種腦刺激技術,包括深部腦刺激、顱內電刺激、電痙攣療法、跨顱電刺激和跨顱磁性刺激,其中跨顱電刺激和跨顱磁性刺激是目前腦科學研究主流的刺激工具。
  3. 然而藉由腦刺激技術探討意識產生的腦區,不同研究顯示出不同結果,這可能涉及對意識的定義仍未明朗以及研究方法的差異。
影像來源:Getty Images


如果,今天科學家把你的大腦從頭顱中取出,放在一個充滿營養液的桶子裡維持大腦活性,再用電線與接頭取代所有神經纖維以維持感官功能。多數人應該無法想像、更別說忍受這樣的生活。但如果,接下來科學家會經由那些電線,向你的大腦發送極其擬真的電訊號:海灘景色的影像訊號透過模擬視網膜的電線傳送到你的視覺腦區,海浪拍打的聲音和夏日微風輕拂皮膚的觸感也從模擬各種感官電線傳遞過來,加上口中出現宛如喝下瑪格麗特調酒的味道,這樣的生活似乎比較沒那麼糟了吧?


這個「桶中之腦」(brain in a vat)的假設性問題其實是由20世紀哲學家普特南(Hilary Putnam)所提出的一項想像實驗,重點不在於人們願不願意接受這樣的生活,而是當這件事真實發生,試想我們有任何線索能夠察覺眼前的夏日海灘原來是幻覺,而你我其實只是實驗室桶子裡的一顆大腦嗎?太空探索科技公司(SpaceX)和神經連結公司(Neuralink)的創辦人馬斯克(Elon Musk)就曾大膽推論,我們人類可能只是一堆程式碼,活在某種文明創造出的電腦虛擬世界裡。


是否感覺此論點似曾相識?這不就是20年前電影「駭客任務」的情節嗎?未來人們可藉由一根連接到脊髓的電線,透過大腦解讀這些由0和1組成的電腦訊號,讓意識活在虛擬世界裡,並體驗與真實世界相同的感官經驗,即使身體是躺在一艘黑暗寒冷的太空梭中。駭客任務無疑是向「桶中之腦」問題致敬。


本期《科學人》雜誌30頁〈意識電流〉文中探討潘菲德(Wilder Penfield)、帕維茲(Josef Parvizi)和約書爾(Daniel Yoshor)等人進行各項腦刺激技術實驗,並觀察到可激發某些腦區的功能。當我們思考這些研究結果的意涵時,似乎會得到類似結論:當刺激某人的一個腦區,此人會經歷一些感受,因此,若能跨越技術門檻,同時或按時間差刺激多個腦區,就會像指揮交響樂團般,能讓桶中的大腦得到有意識的豐富體驗。


雖然這聽起來很科幻,但仔細想想,你的大腦一輩子都被關在顱骨裡,就好比桶中之腦。我們出生至今所經歷的一切,都是大腦透過眼睛、耳朵等感官接收並傳送類似摩斯密碼的0和1訊號,建構出我們今天所看到、聽到與感受到的整個世界。


那麼,如果大腦不透過感覺器官,是否也能有所體驗?這不難想像,而且我們每晚都會經歷。在睡夢中,你不僅體驗到了鮮豔的色彩和景象,還有聲音、觸覺,甚至是情感。從這個角度來看,我們每個人的大腦之於桶中之腦,其實並沒有太大差別。


腦刺激技術的用途

有朝一日,當科學家能釐清大腦內神經元與腦區如摩斯密碼般的溝通語言,並用腦刺激技術傳送給大腦,那我們就可以不透過任何一個「仲介」,包括受損的眼睛和耳朵、燒傷的皮膚、癱瘓的四肢,讓患者重拾感官的體驗與能力。甚至改變大腦處理訊息的方式,藉此提升人們在高階認知功能(例如記憶、衝動抑制、注意力)的表現,應用範圍可能包含提升失智症患者的記憶力、注意力不足/過動症(ADHD)兒童的專注力,甚至衝動型暴力犯的衝動抑制能力。


雖然離如此精準的腦刺激技術門檻還有一段遙遠的距離,但這在理論上是可行的(也催生出像馬斯克的神經連結等商業公司),正因如此,腦刺激技術被視為21世紀具有極大潛力(與商機)的研究領域。


對此,科學家主要面臨兩大挑戰:腦神經元的解碼,以及利用腦刺激做為編碼。就像學習世界上任何一種語言,我們需要先學會這語言的符號與規則(解碼),才能運用並組成想表達的意思(編碼)。現今,解碼並了解神經元彼此溝通語言最好的工具,無疑是近年來發展迅速的人工智慧(artificial intelligence, AI),而編碼並把我們想傳遞的訊號傳回給腦神經元的工具則是腦刺激技術。


目前醫界與學界較常討論的腦刺激技術有五種:深部腦刺激(deep brain stimulation, DBS)、顱內電刺激(intracranial electrical stimulation, iES)、電痙攣療法(electroconvulsive therapy, ECT)、跨顱電刺激(transcranial electric stimulation, tES)和跨顱磁性刺激(transcranial magnetic stimulation, TMS)。


其中DBS嚴格來說算是iES的一種,兩者皆屬侵入性技術,需要神經外科醫師開刀執行。DBS普遍用於治療帕金森氏症的顫抖症狀,醫師把針埋在放電不正常的深層腦區,矯正神經訊號,使病人的手不再抖動。


iES須由神經外科醫師把電極放在腦皮質,藉由釋出微電流來活化神經元。iES的空間解析度有高有低,取決於電極大小與刺激面積,但因效果直接,在神經科學有極重要的功用。2012年帕維茲便以iES即時證實梭狀臉孔腦區(fusiform face area)辨識臉部的功能。在那之前,研究人員都是仰賴腦造影技術得到間接證據,無法建立因果關係,或藉由腦傷病人獲得因果關係證據,但腦傷病人通常不只單一腦區受損,損傷的腦區也無法以電極來驗證該腦區的功能與變化。


藉由iES即時開關電極,意識清醒的病人可立即口述視覺經驗的變化,例如「你的臉正在變形,我分不清楚是男是女,但我看你的衣服可猜出你是男性。」這證實了梭狀回(fusiform gyrus)的確是負責處理臉孔辨識,但不影響其他視覺訊息(例如衣服)的處理。然而由於iES是侵入性技術,不可能純粹為了實驗目的而召募健康受試者來進行開腦手術,因此受試者通常是開刀前的癲癇病人,為了找出癲癇病灶而進行iES,同時進行腦科學實驗幫助科學進展。


ECT算是大眾較為熟知、但也誤解最嚴重的電刺激法。電流會通過病人的腦部,強度最高可達1600微安培,利用人工方式引發腦部整合性放電,達到為大腦「重開機」的效果。此療法不需手術,但因電流強大,通常需搭配肌肉鬆弛劑以避免肢體痙攣現象。ECT從1938年首次施行,歷史悠久,對重度憂鬱症有其療效,因此會施用於對藥物沒反應,或有自殺傾向、須立即解緩症狀的憂鬱症患者。然而由於ECT影響到的腦區較廣,無法針對特定腦區或認知功能,因此腦科學家鮮少納入研究使用。


TMS是腦科學主流的刺激工具之一,主要因為在操作上從頭皮表面刺激即可,而且安全風險低。這項技術是利用電流快速流過一個藏在手把裡的線圈產生磁場,當磁場穿透頭殼便能在下方的腦皮質引發電場,進而活化神經元,藉此達成「隔山打牛」的非侵入性效果。TMS的時間解析度(毫秒等級)與空間解析度(毫米等級)皆比tES佳。臨床上,常在神經內科用來活化運動皮質,藉此測量神經傳導功能,精神科用來刺激前額葉進行憂鬱症治療,復健科用來刺激並活化中風後的運動皮質以達四肢復健目的,其他臨床應用包括抑制疼痛與耳鳴等。研究人員則經常使用TMS來干擾特定腦區,再觀察受試者的認知表現(例如記憶),藉此建立因果關係。




探索腦功能的新工具

tES應該是過去20年在神經科學最蓬勃發展的刺激技術。主要利用兩個以上電極片貼於頭皮,藉由直流或交流電來刺激腦部,在原理上與ECT雷同,然而tES的強度只設定在1~2微安培,是ECT的千分之一,成為它最大優點:用電量小,相對副作用也最小,屬於腦刺激中較安全的技術。而且也具有方便攜帶(設備如手機大小)、好操作、價格便宜等優點,近年來已成為神經科學家常運用的新工具。

tES的缺點在於時間解析度(分鐘等級)及空間解析度(公分等級)皆是所有腦刺激技術中最差的。這在臨床用途上不算是缺點,臨床實驗常講求療效,是在問「what」(有效還是無效)的領域,因此刺激面積大與時間長並不是件壞事,有時反而達到良好效果,因為很多腦區都被刺激到了。然而,這個刺激面積大的「霰彈槍」屬性,在認知科學這種愛問「how」(如何有效)或「why」(為何有效)的領域,就顯得不夠精準。舉例來說,tES每次刺激都要以分鐘起跳,很難像TMS可搭配認知作業,做到這一題有刺激、下一題沒有刺激的實驗設計。

這個缺點其實可以克服,例如觀察腦波的腦電圖(EEG)時間解析度極佳(毫秒等級),就可用來搭配tES進行實驗。就算不搭配EEG,實驗設計上發揮創意也可達到相同目的。我在台北醫學大學的實驗室就曾藉由大腦處理記憶的歷程,設計了一項實驗。一般來說,如果在遺忘某件事之前給予提示,記憶就會因為這複習而獲得提升,但若在遺忘以後才給予提示,記憶表現就不會進步。因此我們刻意在不同時間點給予受試者提示,探究tES在提升人們記憶之餘(what),到底背後機制是來自於注意力、還是儲存或提取記憶的時間點(when與how)。研究結果呈現「以上皆是」,顯示tES提升大腦認知功能的機制應是類似整體「頻寬提升」的概念,而非強化特定的認知歷程。

過去10年,我與研究團隊利用tES的陽極直流電刺激前額葉和頂葉,成功提升健康受試者的注意力、記憶與衝動抑制等認知功能。搭配腦造影工具更發現,tES不只活化了受電刺激的腦區,有些沒受電刺激但與執行中的認知功能有關的腦區,也間接提升了活化程度。其中還發現一個有趣且常發生的現象,研究人員使用電刺激嘗試強化注意力、記憶力等高階認知功能時,注意力或記憶力不佳的那群受試者往往獲得的效益最大;反之,注意力或記憶力本來就很好的受試者,通常無法藉由電刺激突破極限,使認知表現更上層樓。

講到這裡,許多人可能心想,自己的前額葉也需要被「電一下」,增強記憶力,但其實目前沒這個必要。因為我們團隊在實驗室所觀察到的認知促進效果,普遍來說都不大,效果量只有10~15%,若不搭配我們設計的電腦程式來精準測量注意力或記憶力,通常受試者本身不太可能感受得到效果。也因此,雖然tES的確可以促進認知,但目前的效果量還沒大到值得大力推廣或甚至商品化(雖然很多商業公司已經開始這樣做了)。我認為,在接下來20年,tES應可在精準化有更顯著的突破,屆時臨床應用才可付諸實行。

「說得出來」才算意識?

看到上述對腦刺激技術的介紹,許多人可能好奇,這類技術可否用於了解意識?其實30頁〈意識電流〉提到了iES的研究結果,許多是在後側(posterior)腦區觀察到電刺激的效果,至於前側(frontal)腦區,套用作者柯霍(Christof Koch)所述:「應該不是意識產生的位置。」然而,這與上述近年來施行tES於前額葉上所發現的認知促進效果,似乎有所差異。這中間涉及到底什麼是意識,而意識又要如何測量?

舉例來說,注意力不算是一種感官型經驗(視覺、聽覺等),卻能強化或豐富個人的感官經驗(例如專心或不專心聽一首歌),那注意力可以算是意識的一部份嗎?意識是否只能局限在感官經驗的範疇呢?而當你的注意力因為前額葉受刺激而變得更集中時,是否意味你的意識經驗也稍有改變呢?我們可從柯霍的字裡行間看出,他似乎認為受試者本身要「說得出來」才算真正有意識。的確,大部份具醫學背景的研究人員也有相同的假設,因此在iES相關文獻中不難發現常有類似帕維茲等人的研究方法:利用iES刺激癲癇病人的不同腦區,再請病人說出本身意識經驗的變化(例如臉孔變形)。

我個人認為,這個「用問的」做法與其產生的結論,還有許多可以討論的空間。其中之一是,也許前額葉的確對意識有所貢獻,但有別於比較簡單可察覺變化的感官型經驗,可能較少有受試者能察覺並說出非感官型經驗的變化。舉例來說,刺激枕葉(視覺皮質)而看到光點視覺(phosphene vision),較容易察覺;但刺激前額葉以致於注意力或短期記憶變好5%,似乎就沒那麼容易在主觀經驗上察覺。

這表示也許每個腦區都很重要,單靠「受試者說出來」這種報告方式可能會低估某些腦區的貢獻。例如刺激前額葉或前額葉損傷,是否就比較能被病人或身邊的人察覺呢?說到這,不禁讓人想到近代醫學史上最有名的前額葉損傷病人蓋吉(Phineas Gage)。

1848年,這位美國的鐵路工人在工地遭一支長鐵棍從左顎由下往上刺入,穿過整個腦殼並損傷了他的左前額葉。雖然蓋吉奇蹟似地活了下來,但往後幾年身邊的同事與好友都發現他的性格變得易怒、暴躁,導致他的主治醫師在筆記中針對此病例寫下經典的形容:「不再是蓋吉(no longer Gage)。」

這似乎暗示,前側腦區對於意識經驗(甚至整個人的性格本質)的確有不可或缺的貢獻,但施以iES微電流刺激的方式,病人通常無法立即察覺自己意識經驗的微小變化並訴諸語言。這也凸顯為何在腦刺激與腦造影等硬體技術蓬勃發展的年代,認知心理學的實驗與作業設計這種「軟實力」還是如此重要,因為我們需要量化科學家看不見、受試者也說不出來的現象。如此看來,桶中之腦不僅難以想像,更在研究方法上有極大挑戰,但也因此有趣!


本文章由元利儀器獨家贊助開放全文閱讀
更多文章
活動推薦更多
追蹤科學人