當您走進藥房時，太陽穴突突直跳。幾個月來，您一直在與每日偏頭痛作鬥爭。您已經嘗試了醫生的每一個建議——多喝水、改變飲食、獲得額外的睡眠——併吞下大量止痛藥。現在，您手持一種完全不同治療方法的處方。
藥劑師引導您到一個頭飾架旁，上面標有不同的腦區。她為您試戴了一頂帽子，帽子的底面有細長的導電金屬條，稱為電極，塗有粘性凝膠，可輕輕粘附在您的頭皮上。電極連線到從帽子後部垂下的一根細電纜。然後，她遞給您處方藥物的關鍵組成部分：電刺激器。
在接下來的一週裡，您每天一次戴上頭飾，並將電纜插入此裝置，接受 20 分鐘的電療。拋開您的恐懼，您在藥劑師面前試用了一下。起初您只感到刺痛感，然後是緩解。
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當您戴上帽子時，電流從電極出發，穿過頭髮、頭皮和骨骼，進入負責偏頭痛的腦區。起初，它只是減輕疼痛，但隨著時間的推移，它也會逐漸重新連線您的神經元，以防止未來發作。藥劑師解釋說，您可以戴著帽子繼續您的一天——完成家務、看電視、去散步——當劑量結束時，刺激器就會自動停止執行。
目前，這一幕仍然是科幻小說中的情節，但許多研究人員認為，在未來幾年內，這種治療形式可能會變得司空見慣。這種稱為經顱直流電刺激 (tDCS) 的技術正在針對數十種應用進行研究，包括幫助人們從腦損傷中恢復、治療抑鬱症、提高警覺性和控制疼痛。
使用電力來改造大腦並不是什麼新鮮事。我們早就知道神經元傳送電訊號進行交流。作為回應，科學家們試圖破解這些資訊，以改變或治癒大腦。然而，大多數努力都顯得笨拙、危險或代價高昂。相比之下，tDCS 具有非侵入性、廉價、使用者友好和便攜的特點。唯一已知的副作用是輕微的皮膚髮紅和刺激，可以透過調整頭飾來糾正。
事實上，一些科學家懷疑 tDCS 可能會開啟治療的新時代，其影響力可與傳統藥物相媲美。幾十年來，研究人員一直在努力開發能夠進入大腦並治癒大腦的藥物，但收效甚微。現在，越來越多的腦科學家希望電力能夠在化學物質在很大程度上失敗的地方取得成功。至少有一家公司——葛蘭素史克——已經在資助電療研究。世界各地的診所和醫院已開始向需要康復的患者提供這項技術。美國國防部已投入數千萬美元用於研究可以提高健康個體認知能力的技術。圍繞這些發展的新聞熱潮激發了一群愛好者的興趣，他們正在摒棄謹慎並在家中嘗試 tDCS。
為了將 tDCS 發展成為一種可靠的療法和增強劑，科學家們需要回答許多懸而未決的問題。他們必須確定最適合不同疾病的電流劑量。他們還必須大幅擴大實驗規模，以闡明這些療法在廣大人群中的安全性和有效性。撇開這些注意事項不談，人們對 tDCS 日益增長的興趣表明，患者和醫生都渴望尋找治療大腦的新方法。在幾年後，小劑量的電流可能正是醫生所要求的。
大腦電力
這項技術的基本元件非常簡單：一個電源和一種將電力傳輸到大腦的方式。這項技術非常簡單，甚至古代人類也探索了其原始形式。例如，公元一世紀，羅馬皇帝克勞狄烏斯的醫生將電鰩（電魚）敷在頭骨上以治療頭痛。十八世紀的電力發現導致了更復雜的實驗。到 1802 年，義大利物理學家喬瓦尼·阿爾迪尼提出了一種治療抑鬱症的方法，即用電池的直流電敲擊患者的頭部。
20 世紀為電療領域帶來了更復雜的技術。在 20 世紀 30 年代，醫生開始透過電擊誘發癲癇發作來治療精神疾病。五十年後，科學家們證明，可以使用大型磁鐵從外部電啟用腦區，這種技術稱為經顱磁刺激 (TMS)，或者藉助外科植入的電極。這些方法涉及昂貴的裝置，在某些情況下還會產生嚴重的副作用，通常被認為是最後的手段。人們認為藥物發現而不是電療干預最有希望治療腦部疾病。
儘管如此，一些研究人員在整個 20 世紀一直在改進一種簡單的電刺激大腦形式，最終演變成現代 tDCS。這些先驅者面臨的挑戰是找到一種方法來證明和測量這種技術可以引起的生理變化。
2000 年，德國哥廷根喬治-奧古斯特大學的神經生理學家邁克爾·尼切和沃爾特·保盧斯開發出了一種巧妙的方法來實現這一目標。他們沒有單獨使用 tDCS，而是使用它來改變大腦對 TMS（一種更成熟的技術）的反應。研究人員首先將參與者的運動皮層置於一個大型磁線圈下。該裝置在該區域誘發了電活動，該區域控制著人的右小指的運動。產生這種活動會導致小指擺動。
尼切和保盧斯還在運動皮層的部分割槽域放置了兩個電極，並將它們連線到電池。開啟電池後，少量電流從一個電極發出，穿過頭骨，進入大腦，然後從另一個電極流出。根據他們配置設定的方式，尼切和保盧斯可以改變電流穿過大腦的方向，他們發現這會增強或減弱 TMS 引發的小指抽搐。本質上，他們可以使用 tDCS 來微調磁線圈的效果。
當時，研究人員已經對 TMS 改變大腦的方式有了深刻的理解。因此，這項實驗能夠令人信服地證明 tDCS 對神經活動具有實際影響。微弱的電流以某種方式影響了神經元的行為，超出了 TMS 預期的變化。
尼切和保盧斯懷疑 tDCS 正在改變腦細胞對電訊號的反應方式。神經元透過稱為突觸的連線釋放電脈衝來發送和接收資訊。訊號本身是由帶電離子進出腦細胞的運動產生的。在 TMS 中，強大的磁鐵可以導致神經元排出和吸入離子，迫使它們放電。
但是 tDCS 產生的電流具有更微妙的效果。它產生一條帶電離子的河流，以迴路形式蜿蜒穿過頭部和大腦。當這種電流在神經元周圍和神經元中流動時，它可以交替地減弱或增強神經元對其他電資訊的反應。靠近將電流引入大腦的電極附近的神經元對電訊號變得更敏感。但是，靠近移除電流的電極附近的神經元則不太敏感。隨後的實驗表明，這種方法不僅可以操縱來自磁線圈的電訊號，還可以操縱大腦中自然產生的電訊號。
自從保盧斯和尼切的開創性實驗以來的 14 年裡，許多科學家不僅證實 tDCS 可以改變大腦的活動，而且還證實它具有治療益處。其他電療方法有效地刺激某些神經元進入活動狀態，而 tDCS 則充當音量調節器。這項技術中的電流可以使神經元更健談或使其安靜下來。
啟動健康
調節神經元活動的能力為神經科學家提供了大量治療疾病的選擇。該技術可用於增強有助於治癒大腦的訊號傳導，或抑制導致功能障礙的活動，或兩者兼而有之。
將 tDCS 用作療法的第一個挑戰是確定針對特定問題最佳的神經元。通常，多個腦區會導致疾病，這意味著許多不同的刺激設定可以為患者帶來緩解。以偏頭痛為例。對患有嚴重頭痛的人進行腦部掃描顯示，在發作前，他們的部分視覺皮層變得更加活躍。因此，保盧斯和他的同事決定看看用 tDCS 使該區域安靜下來是否可以預防頭痛。
在該研究中，該研究於 2011 年發表，12 名偏頭痛患者接受了六週的電刺激。每週三天，每天 15 分鐘，科學家將電流導向以抑制偏頭痛患者視覺皮層的訊號傳導。其餘個體接受了假治療，他們僅僅體驗到刺痛感。八週後，研究人員對參與者進行了隨訪。接受了完整 tDCS 療程的受試者比假治療組的受試者偏頭痛持續時間更短，疼痛明顯減輕。該治療並非萬能藥——它並沒有減少偏頭痛的頻率——但它似乎至少減輕了偏頭痛的打擊。
然而，其他實驗暗示了另一種緩解偏頭痛的方法。即，刺激運動皮層的部分割槽域已知會觸發稱為阿片類藥物的天然止痛藥的釋放。在保盧斯的偏頭痛研究一年後，第二組科學家，由密歇根大學疼痛神經科學家亞歷山大·達席爾瓦領導，其中包括我們中的一位（比克森），選擇用電流刺激運動皮層。在四周的過程中，七名偏頭痛患者接受了 10 次 tDCS 治療，每次 20 分鐘，另外五名患者接受了假刺激。tDCS 接受者沒有立即獲得緩解，但在隨後的幾周裡，他們報告的疼痛程度低於假治療組的個體，並且他們的緩解持續了數月。最終，這些不同的方法可能使臨床醫生能夠為患者制定定製的治療方案。
正如兩項實驗所證明的那樣，tDCS 的全部效果可能會緩慢顯現，並持續數週或數月。這部分是因為調整神經元的放電速率可以在持久的方式上改變大腦的結構。當腦細胞一起啟用時，它們之間的連線會變得更強和更豐富。很少協同放電的細胞逐漸失去它們的連線。因此，新增 tDCS 可以增強大腦自我重塑的能力——即可塑性。
可塑性的增強可能對修復腦損傷具有強大的意義。例如，在卒中期間，大腦某部分的血液供應被阻斷，使神經元飢餓並損害它們的連線。經過數月的康復，人們可以在他們可塑的大腦在倖存的神經元之間建立新的連線時重新學習失去的技能。結合 tDCS 可能會加速他們的康復。
2011 年，哈佛醫學院神經科學家費利佩·弗雷格尼和他的合作者在與 14 名患者合作時研究了這一想法，這些患者花了兩個星期進行常規鍛鍊以恢復運動控制。此外，受試者每天接受 40 分鐘的 tDCS 或假治療。弗雷格尼和他的同事將電流瞄準運動皮層中受傷的腦區，以鼓勵新連線的生長。所有患者在兩週的治療後都獲得了一些運動功能。然而，接受 tDCS 的組恢復得最多。從某種意義上說，tDCS 似乎有助於大腦幫助自己。
康復和疼痛管理只是 tDCS 研究的兩個有希望的方向。隨著我們更多地瞭解與神經和精神疾病相關的大腦網路，許多科學家認為該技術可以緩解多種疾病的症狀，包括痴呆症、癲癇症和精神分裂症。
過去十年科學家們所從事的小型概念驗證研究現在正在讓位於大規模、長期試驗。例如，2013 年，聖保羅大學生理學家安德烈·布魯諾尼領導了一項為期六週、120 名患者的試驗，其中 tDCS 在治療抑鬱症方面具有與常用抗抑鬱藥相當的益處。布魯諾尼現在正在擴大他的努力，納入 240 名患者和其他藥物。這類研究將是闡明該技術全部潛力的最佳途徑。
電擊以集中注意力
除了 tDCS 作為一種療法的前景外，許多人對刺激如何改變健康個體的生活變得著迷。邏輯認為，如果我們能夠找出與批判性思維和創造力等能力相關的核心網路，科學家們就可以增強這些區域。或者他們可以降低不必要的負面情緒和壞習慣。
事實上，越來越多的證據支援這樣一種觀點，即 tDCS 可以增強大腦在多個領域的技能，例如抑制對垃圾食品的渴望和改變情緒。一些研究小組提出，tDCS 可以加速個人掌握新單詞和語法規則以及複雜運動任務（如記憶複雜的捏手指模式）的能力。
這些研究的規模仍然相對較小，其效果也很有限。任何嘗試使用 tDCS 來提高績效的嘗試幾乎肯定需要與傳統的學習方法相結合，而不是取而代之。正如弗雷格尼的康復研究將刺激與傳統的物理療法相結合一樣，尋求認知增強的使用者仍然需要利用大量的練習、鍛鍊和休息。
然而，tDCS 可能會在少數精選領域超越傳統方法。2014 年，美國空軍研究實驗室的生物醫學工程師安迪·麥金利發表了他關於使用 tDCS 提高警覺性的研究結果。麥金利的團隊與 30 名軍事新兵合作，他們必須在保持 30 小時清醒的同時參加一系列注意力測試。四個小時後，研究人員給 10 名新兵進行了 40 分鐘的 tDCS 療程和一些普通口香糖。在這種情況下，該團隊旨在用電流刺激背外側前額葉皮層的活動，該區域支援多種功能，其中包括注意力和工作記憶。
其餘新兵在四個小時的時間點接受了假刺激療程，其中 10 名受試者還獲得了一塊含咖啡因的口香糖。透過這種方式，麥金利可以將 tDCS 與咖啡因（人類最喜歡的警覺性增強劑之一）正面交鋒。在試驗結束時，研究人員發現，接受 tDCS 的組在他們的測試分數中表現出明顯的提高，並且這種警覺性的提高持續了六個小時。相比之下，咖啡因的刺激作用較弱，並且僅持續了兩個小時。沒有什麼比睡個好覺更好了——但也許有一天，用電擊代替咖啡可以幫助睡眠不足的人。
準備好迎接黃金時代了嗎？
使用 tDCS 的科學家現在正處於一個十字路口。一方面，研究人員仍在解開 tDCS 的基本機制，另一方面，患者、政府機構和公司正積極爭取將這項技術推向現實世界。
有待解決的主要問題之一是劑量。到目前為止，研究已經使用了非常弱的刺激水平來產生適度的發現。科學家現在需要弄清楚對於給定的疾病，電極的理想放置位置以及最佳刺激強度。與藥物一樣，增加劑量可能會改善結果——但只能達到一定程度。這種情況的條件對於每種應用都是獨一無二的，但從業人員有可能在某個時候面臨權衡。例如，提高電流來治療偏頭痛可能會進一步減少患者的發作，但刺激本身可能會變得越來越不舒服。如果沒有更大規模的試驗，我們無法充分了解這項技術的侷限性或潛力。
鑑於這些已知的未知數，研究界對個人試圖在家中複製這些研究深感擔憂。儘管該領域的發現非常令人興奮，但關於電刺激，我們還有很多東西需要學習。在此期間，公眾和科學家都必須謹慎對待圍繞 tDCS 的炒作。
只要我們在樂觀的同時保持謹慎，這項研究就能帶來巨大的益處。對 tDCS 的興趣激增甚至引發了對其他生物電療法的研究，例如應用交流電或脈衝電流的技術，這些技術可以為大腦提供獨特的益處。所有這些進步都可能為自我提升開闢新的途徑。數百萬長期與慢性疼痛和抑鬱症等長期無法治癒的疾病作鬥爭的人們最終可能會得到幫助。為了實現這一結果，臨床醫生將不得不在他們的實踐中採用電刺激。在不久的將來，戴上帽子進行治療和思考可能會像服用藥丸或啜飲早晨咖啡一樣司空見慣。