刺激大腦的電極揭示意識體驗的根源

考慮以下體驗

• 你正走向幾英里外的暴風雨，你必須越過一座小山。你問自己：“我該如何越過它，穿過它？”

• 你看到黑色背景上的小白點，就像在晚上仰望星空一樣。

• 你從上方俯視躺在床上的自己，但只看到你的腿和下半身軀幹。

這些可能看起來像是從構成我們日常意識流的廣闊感知、感覺、記憶、思想和夢想宇宙中提取的特有事件。事實上，每一個事件都是透過用電極直接刺激大腦而引起的。正如美國詩人沃爾特·惠特曼在他的詩《我歌唱身體的 электричество》中所預感的那樣，這些軼事說明了身體及其賦予生命的靈魂之間的密切關係。大腦和有意識的思維就像一枚硬幣的兩面一樣不可分割地聯絡在一起。

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最近的臨床研究揭示了意識活動的一些規律和規則，這些發現有時被證明是自相矛盾的。它們表明，參與意識感知的大腦區域與思考、計劃和其他更高階的認知功能幾乎無關。神經工程師們一直在努力將這些見解轉化為技術，以取代失去的認知功能，並在更遙遠的未來，增強感覺、認知或記憶能力。例如，腦機介面現在可以為完全失明的人提供有限的感知光線的能力。然而，這些工具也揭示了完全恢復視覺或聽覺的困難。它們更加突顯了科幻小說般的增強技術所面臨的障礙，這些技術本應使人們能夠像訪問電腦儲存驅動器一樣訪問大腦。

動物電

神經系統透過超密集和超連線的開關元件網路中的電流流動來運作。在過去的兩個半世紀裡，無數的醫生和科學家研究過這個問題，最早可以追溯到 18 世紀後期的義大利醫生路易吉·伽伐尼，他將一隻剛被殺死的青蛙連線到一根長金屬絲上。透過在雷暴期間將金屬絲指向天空，他使青蛙的腿在每次閃電時都跳動和抽搐。伽伐尼的研究表明，神經纖維傳遞“動物電”，這與本傑明·富蘭克林在 1752 年在費城進行的風箏實驗中發現的“大氣電”本質上沒有什麼不同。1802 年，伽伐尼的侄子喬瓦尼·阿爾迪尼在一次公共活動中用電刺激了一名被斬首囚犯暴露的大腦。下巴顫抖了。眼睛睜開了。這一景象可能有助於啟發瑪麗·雪萊創作了 1818 年的經典哥特小說《弗蘭肯斯坦》。

隨後的動物研究表明，刺激特定的大腦區域會引發特定肌肉和肢體的運動。這些研究導致了 1870 年代運動皮層的發現。1874 年，美國醫生羅伯特·巴索洛首次對一位有意識的患者進行了直接的腦刺激——這是一項開創性的行為，但因其給患者帶來痛苦並可能加速其死亡而蒙上了倫理爭議的陰影。顱內電刺激 (iES) 在隨後的幾十年中得到了改進。由於蒙特利爾神經病學研究所的懷爾德·潘菲爾德在 1930 年代至 1950 年代進行的開創性工作，iES 成為神經外科醫生工具箱的一部分，他使用 iES 來繪製處理運動或感覺功能的皮層區域。

在一些癲癇患者中，藥物無法充分控制癲癇發作的次數或嚴重程度。如果癲癇發作起源於皮層（大腦的最外層，涉及感知、運動控制、言語、推理等等）或密切相關的結構（如海馬體）的劃定區域，神經外科手術就成為一種選擇。不受控制的過度興奮是由於區域性線路故障開始的。它可能會增長並最終吞噬大腦的其餘部分。切除多少組織是一個難題：切除太少，癲癇發作可能會繼續；切除太多，患者可能會失去說話、看或行走的能力。外科醫生必須避開對日常行為至關重要的皮層區域，例如主要的聽覺、視覺、體感和運動皮層，以及控制理解和產生言語的區域，這些區域被稱為雄辯皮層。

引入 iES 作為尋找需要保留的組織的一種手段。神經外科醫生將盤狀電極植入顱骨內，位於堅韌、皮革狀的膜（稱為硬腦膜）下方。或者，他們可以將針狀電極插入大腦的灰質中以探測其功能。一旦外科醫生確定了癲癇發作的焦點並移除了電極，他們就會在後續手術中取出該組織，患者通常會不再癲癇發作。

iES 的另一種用途是慢性電刺激，其中電極永久性地留在原位。透過電極傳送的輕柔電流脈衝可以控制帕金森病的震顫和僵硬（一種稱為深部腦刺激的技術）或減少癲癇發作的發生率和嚴重程度。初步臨床實驗已經評估了使用這種植入電極作為視覺假體裝置，使視力障礙人士能夠導航，以及作為強迫症和抑鬱症的療法。

熱門與否

2020 年 7 月，《自然人類行為》雜誌發表了一份圖譜，重點介紹了皮層各處的位點，當用電極刺激這些位點時，會引發意識體驗，例如前面提到的風暴和身體分離感。在斯坦福大學醫學院神經病學教授約瑟夫·帕爾維茲的領導下，臨床團隊收集了 67 名癲癇患者的資料。研究人員記錄了來自皮層中 1500 多個位點的電活動，主要使用硬膜下電極。他們將來自這些位點的記錄對映到數字大腦模型上的點，以便他們可以比較來自不同大腦的資料（使該器官看起來像一個超大核桃的脊和谷的模式因人而異）。研究小組尋找“響應性”電極，這些電極會觸發一些視覺或觸覺、肌肉抽搐或言語中斷。如果患者在受到刺激時沒有任何感覺，則該電極被標記為無響應。

患者報告了一系列電極誘發的 субъективные 體驗：類似於星光的短暫閃爍點；像薩爾瓦多·達利繪畫中那樣的扭曲面孔；身體感覺，如刺痛、瘙癢、灼燒、搏動和所謂的出體體驗；恐懼、不安、性喚起、歡樂；移動肢體的願望；在面對一些偉大但未被認識到的挑戰時堅持不懈的意志。僅僅用一點電流刺激神經組織就足以喚起這些感覺。在假刺激（未施加電流）期間，患者沒有任何感覺。

雖然 iES 安全有效，但它也很粗糙。低阻抗電極的面積為 6 到 10 平方毫米，並在相鄰電極之間輸送高達 10 毫安的電流——足以調節一百萬或更多神經細胞的興奮性。儘管如此，iES 引起的效果可能非常區域性化。響應性可能會在幾毫米內或跨越腦溝（皮層表面的凹槽）從完全有到完全沒有。

帕爾維茲團隊發現，專用感覺和運動區域的電極比皮層中處理更高階認知功能的區域的電極更可能具有響應性。視覺和觸覺（體感）皮層區域上方一半到三分之二的電極觸發了一些意識感知；在參與更高階思維過程的側前額葉皮層和前內側前額葉皮層區域，最多隻有五分之一的電極這樣做。換句話說，皮層後部的電極（負責感覺體驗的區域）比前部的電極更活躍，前部由對認知活動（如思考、計劃、道德推理、決策和智力）重要的皮層區域組成。

儘管這些區域對於思考很重要，但它們與意識幾乎無關。事實上，在過去的一個世紀裡，神經外科醫生觀察到，只要雄辯皮層得到保留，前額葉皮層的大片區域就可以被切除，而不會對這些患者的日常意識流造成明顯的缺陷。這些非雄辯皮層區域可以調節意識，但總的來說，它們不是意識體驗似乎發源的地方。這種特權屬於更靠後的區域——頂葉、顳葉和枕葉。為什麼我們精神體驗的物理基質應該位於大腦的後部而不是前部仍然是一個謎。

看與不看

將 iES 應用於視覺皮層會觸發被稱為光幻視的光學現象，即類似於閃電劃過黑暗平原的短暫閃光。這一觀察結果是一個長期夢想的來源，即開發一種能夠為盲人恢復部分視力的假體裝置。全球數百萬人的雙眼因視網膜色素變性、年齡相關性黃斑變性、青光眼、感染、癌症或外傷而存在缺陷。

醫生、科學家和工程師從 1960 年代開始追求視覺假體，但直到最近才能夠利用適當的技術來幫助盲人。一個突出的例子是 Orion 裝置，由洛杉磯的 Second Sight Medical Products 開發。安裝在眼鏡上的微型攝像頭將影像轉換為脈衝，並透過無線方式將其傳輸到位於視覺皮層上的 60 個電極。已經將這種實驗性裝置植入大腦的人們感知到點狀雲，這使他們能夠導航。“每次我開啟它仍然很興奮，”一位研究參與者報告說。“在什麼都看不到之後，突然看到小光點移動，並弄清楚它們意味著什麼。再次擁有某種形式的功能性視覺真是太棒了。” Orion 顯著提高了以前生活在完全黑暗中的人們的生活質量。它使他們能夠安全地過馬路或找到門口。但是它不允許他們重新獲得識別圖形、形狀或字母的能力。

正如《細胞》雜誌所述，加利福尼亞大學洛杉磯分校和貝勒醫學院的一個團隊在神經外科醫生丹尼爾·約肖爾的領導下確實完成了這項壯舉。他們刺激了視覺皮層中附近的位點，以觸發彼此靠近出現的光幻視，這表明外部視覺環境以規則的方式對映到視覺皮層的表面。這一觀察結果導致了一種錯誤的信念，即單個光幻視就像計算機顯示器上的畫素一樣——也就是說，如果你同時刺激皮層表面上一系列呈十字形狀的點，受試者應該看到形成十字的點。然而，這並沒有發生。

刺激多個位置會產生不可預測的結果。在一位參與者中，同時刺激五個電極（每個電極與一個離散的光幻視相關聯）觸發了兩個大的光幻視的照明，這兩個光幻視沒有合併成一個字母或任何其他連貫的形式。然而，如果研究人員在時間上交錯啟用電極，受試者就可以識別形狀。交錯反映了追蹤字母形狀所需的延遲，就好像研究人員在受試者的手上或一張紙上勾勒出一個字母。以這種更動態的方式，植入物視力受阻的受試者可以透過描繪 Z、N、V 和 W 來識別刺激，快速區分向上和向下運動或區分字母序列。

看到單個字母的形狀與看到荷馬酒色海洋上壯麗的日落截然不同，但這代表著進步。為什麼及時交錯刺激可以改善感知尚不清楚，並且揭示了我們在功能性皮層迴路方面的無知。

未來的展望

所謂腦機介面的技術進步正在快速進行。埃隆·馬斯克的公司 Neuralink 在 2021 年 4 月釋出了一段令人印象深刻的影片，展示了一隻猴子在沒有任何控制器的情況下玩電腦遊戲 Pong。這是透過在動物的左右運動皮層中植入兩個小晶片來實現的。每個晶片都有 1,024 個髮絲狀電極，可以記錄單個神經元的喋喋不休。它們共同傳達了猴子快速向上或向下移動螢幕上的槳以將球返回到另一側的意圖。一切都是無線完成的；猴子的頭部沒有伸出任何電子裝置或懸掛的電線。許多人認為，外科醫生很快就會常規地用更優越的電子替代品來替換或繞過有缺陷的生物元件——有缺陷的眼睛或耳朵、衰退的記憶。這種樂觀情緒忽略了一個事實，即所有這些都需要顱骨環鋸術。一般來說，將科學見解轉化為實際療法需要數十年而不是數年。我非常有信心這種增強功能不會在我的有生之年發生（我現在 66 歲）。

在通往這種烏托邦式（或可能是反烏托邦式）未來的道路上，最“容易”克服的障礙是技術障礙——可靠、快速且精細地讀取和寫入大腦電訊號。Neuralink 的裝置代表了當前可用技術的最佳水平，並且肯定會在未來的迭代中得到改進。但是，我們還有很長的路要走，才能確定藜麥大小的任何大腦物質中的 50,000 甚至更多神經元中的哪些參與了任何給定的感知或動作。只有當這種情況發生時，才有可能將電刺激限制在這些神經元上，而不是附近細胞的輸出電纜上。帕爾維茲及其同事未能在一半以上的受刺激部位引發意識感知，這表明我們缺乏能夠透過電刺激可靠地引發任何感覺的工具，更不用說能夠喚起任何高度特定的感覺了。

更具挑戰性的是外科和監管障礙，這些障礙要求假體裝置可以透過鑽穿堅硬的顱骨進入下方的灰質來常規且安全地植入，同時最大限度地降低感染、出血和癲癇發作的風險。此外，電子裝置必須在溫暖、潮溼和鹹的生物組織內部執行多年——這絕不是最佳的操作方案。您不希望您的假體裝置腐蝕或凍結，出現相當於藍色畫面宕機的故障。因此，神經植入物對於那些患有嚴重感覺或運動障礙的人來說仍然是最後的手段。隨著神經假體裝置透過臨床試驗，它們將幫助視力障礙人士看到東西，並幫助身體殘疾人士執行諸如用思想控制輪椅等動作，就像玩意念乒乓球的猴子一樣。對於其他人來說，高度侵入性腦外科手術的好處不太可能超過成本。

但前方真正的安納普爾納峰在於理解三磅重的興奮性大腦物質是如何負責觀看、移動和痛苦的。是的，天堂和地獄的物理基質紮根於遵循自然規律的生物電訊號。但這並沒有告訴我們多少關於每秒鐘激增的萬億個電訊號，流經數百億個異質細胞網路，如何構成視覺、聲音或情感的資訊。

顱內腦刺激突出了大腦的水變成意識之酒的每日奇蹟。然而，問題仍然存在：大腦，這個已知宇宙中最複雜的活性物質，究竟是什麼將 860 億個神經元的活動轉化為生命本身的感覺？