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“电一电”大脑就会学数学了?目前来说是想太多

2018-03-10 12:07:00 《科学美国人》中文版《环球科学》 分享
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  对大脑施加电流的经颅电刺激疗法相当流行,但它们真的有宣称的疗效吗?

  无创脑刺激现在很流行,科学家和爱好者们都在寻找不需要开颅,也不需要植入电极就能改变神经元活动的方法。经颅电刺激疗法(TES)就是其中一种,其方法是将电极粘在头皮特定位置,将电流传导至脑部的目标区域。近几年,一系列的研究都认为TES的益处很广泛,包括提高记忆力,增强数学技能,减缓抑郁,甚至促进脑中风后的恢复。这类结论催生了一个行业,向那些增强自己大脑性能的人提供有偿的TES服务。

  但很少有研究指出TES到底是怎样作用于大脑的,还有部分研究对这类疗法严肃地提出质疑。2月2日发表在《自然-通讯》的一项研究前所未有地指出,传统的TES疗法传至大脑的电流并不足以刺激脑回路,也不足以调节大脑频率。大部分电流在经过头皮和颅骨时就已耗尽。来自纽约大学医学院,这项研究的第一作者Gyrgy Buzsáki说,“在这个领域,那些发表了关于TES有益的科学家可能不会喜欢我们的文章”。

  TES的原理依然是个谜团,部分是由于测量不能穿过颅骨,当大脑受到刺激时,研究人员无法得知神经元的具体反应。传统的TES疗法产生的电噪声会干扰一切头皮上检测到的大脑活动。

  为了避免受到电噪声的干扰,Buzsáki的团队首次将电极植入了小鼠的脑部,当对小鼠进行体表TES疗法时对神经活动进行测量。在对刺激参数进行分析后,他们找到了能引起神经元兴奋或调节脑频所需的最小电场强度。

  随即,研究人员想要探究,对人体头皮施加多少电流才能在脑内产生同等的电场强度。但这种侵入性实验不能在人体上进行,所以Buzsáki的团队选了次优方案,对人类尸体进行了实验。通过在尸体的脑部植入记录电极,并在体外进行TES后,研究人员发现:他们需要对头皮施加4~6毫安的电流才能产生所需电场,这远远超过了传统TES中的电流强度。

  一般来说,TES使用的电流不大于2毫安,因为大于2毫安的电流会产生许多副反应,比如刺痛感、晕眩、味觉不良、幻觉和幻听。这是因为诸如眼睛、耳朵和面部神经的软组织,对电流的阻抗小于颅骨。事实上,无论是对于小鼠还是人类尸体进行实验,Buzsáki团队都发现发现,对头皮施加的电流中,大约有75%会在穿过颅骨、头皮或体表组织时被耗尽而无法到达脑部。

  这项发现与许多质疑TES声音不谋而合,其中包括来自澳大利亚墨尔本大学的神经科学家Jared Horvath。在2015年一项分析中,Horvath收集了大概400篇论文,这些论文记录了大量使用tDCS(使用直流电的TES方法)的案例,并报告了其对认知能力和某些行为的影响。

  当他把这些论文结果汇集起来时,他的团队发现,尽管个别文章报道了一些TES的益处(如在一项任务中缩短反应时间或提高准确率),但从这些研究中并不能得出TES是可靠的这一结论。“一直以来许多人对tDCB的电流能否进入脑部提出质疑,而现在,我们有足够的数据可以证明tDCB疗法中电流根本无法进入脑部。”

  为了将足够的电流输进大脑,一项新研究的第一作者,匈牙利塞格德大学的神经学家Antal Bernyi设计了一套新的TES系统。新系统摒弃了只使用一对电极的做法,而是采用了6对电极对以快速脉冲方式,各自提供一部分电流,叠加进入靶向神经元。对健康志愿者的试验表明,这种方式减少了电流过高导致的副作用。Buzsáki希望在进行更多调整、使用更多电极后,能最终消除不必要的反应。

  有些研究者并不打算放弃使用传统的TES。Buzsáki团队发现传统的TES电流强度不足以直接影响脑回路,但他们的研究关注的是电刺激脉冲后的即时效应。没有参与这项研究的纽约市立大学生物医学工程师Marom Bikson指出:“大多数TES的刺激时间长达数十分钟。Bikson认为目前TES仍然可以对神经元产生微妙的影响,而这些神经元对脑功能的调节有时间累加效应。

  Buzsáki承认,传统TES可能通过许多方式来间接或长期调节神经元活动。一个可能的原因是安慰剂效应,所谓的疗效可能是人们由于相信治疗效果而产生的心理暗示。但也有其他可能:刺激头皮上的神经可以将信号传回大脑或影响回路;除了神经元以外的其他类型的细胞可能会受到电场影响,并逐渐改变大脑功能。然而,Buzsáki指出,大多数理论的证明还缺乏强有力的证据。他说:“我认为现在该让那些声称TES有益的人解释一下,‘益’从何来?”

责编:陶宗瑶(实习生)