本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，僅反映作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點。
本部落格是慶祝《大眾科學·思想》創刊十週年而推出的關於技術與大腦的系列客座文章中的第四篇。該雜誌的十一月/十二月特刊同樣強調了程式碼與思想之間的介面，描繪了一個未來更加數字化的你。
想象一下，有一種醫療裝置，構造簡單，價格低廉，任何有網際網路連線和當地無線電商店的人都可以用它來調整自己的大腦——變得更聰明、更專注、更平靜或更快樂。 這種裝置名義上是存在的。 經顱直流電刺激 (tDCS) 是指透過仔細放置在頭皮上的電極將低電流電力輸送到大腦中。 我們目前最好的猜測是，電流使神經元處於一種狀態，使它們在接收到來自其他神經元的輸入後更容易放電（發出訊號）。 結果是大腦的暫時性變化，理論上，這可能對那些想要更快學習、改善情緒或以任何方式改變心理功能的人有所幫助。
越來越多的科學研究開始詳細描述 tDCS 如何提高注意力、改善情緒和增強記憶力。 例如，在 2014 年《神經科學雜誌》的一篇文章中，範德堡大學的神經科學家羅伯特·萊因哈特和傑弗裡·伍德曼證明，對內側前額葉皮層施加 tDCS 可以使個體更快地學習簡單的反應時任務，並在出錯後更容易糾正自己。 此外，反轉刺激的極性會逆轉效果，使人們在糾正錯誤方面比接受假刺激時更差，假刺激模擬電流的感覺，但不傳遞電力。 這些結果在四個實驗中得到重複，並在兩種型別的任務中觀察到。 簡而言之，作者發現，改變與認知控制相關的大腦區域的啟用可以提高人們的認知控制能力，這支援了內側前額葉皮層確實控制著這一功能，並且這種控制是可以被修改的觀點。 這項工作是對功能性磁共振成像 (MRI) 等技術的補充，功能性磁共振成像 (MRI) 使科學家能夠尋找大腦區域和認知過程之間的關聯，但無法證明這些區域的活動真正構成記憶、注意力或語言的基礎。
關於支援科學新聞業
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。 透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
因此，tDCS 是一項令人興奮的技術，它有望增進我們對大腦如何運作的理解，並以特定和有針對性的方式改善大腦功能。《大眾科學·思想》雜誌中的馬羅姆·比克塞姆和彼得·託舍夫設想了一種可能的未來，建議用 tDCS 裝置取代藥瓶，擺滿當地藥房的牆壁。在我們的研究實驗室中，我們目前正在研究 tDCS 在提高創造力方面的潛在作用。 透過對參與類比推理的前額葉皮層區域應用 tDCS，我們希望提高人們發散思維解決問題的能力。 這些實驗尚處於早期階段，但可能有助於我們瞭解大腦如何進行創造性思維以及我們如何能夠改進這些過程。
與此同時，這些裝置已經走出實驗室，進入人們的家中。 快速的網際網路搜尋顯示，從 The Brain Stimulator 等零售商處可以購買到不到一百美元的預製裝置，但絕大多數人選擇熔合、焊接和連線自己的作品。 在業餘 tDCS 中，沒有電子經驗的好心人會用電池、電纜和吸水海綿製造腦刺激裝置，併為此付出巨大的努力和自豪感。 對自制 tDCS 裝置的熱情很大程度上可能是由於少量但不斷增加的科學文獻支援其效用。 人們可以理解地可能希望透過一種承諾良好效果和幾乎沒有副作用的機器來改善認知功能。 還有一些人可能是受到參與公民科學的機會的激勵，希望透過 YouTube 這個免費媒介為公眾知識做出貢獻。
公民科學家為了自我提升和公共知識而願意給自己“通電”的興起，是一種有趣且略微令人擔憂的現象。 過度充電的電極和鮮為人知的電子套件造成的燒傷比比皆是； 由於在家中放置電極既粗糙又不比有根據的猜測好多少，人們可能會無意中刺激到意想不到的大腦區域和網路，從而造成無法預料的後果。 關於用電刺激大腦的長期影響，我們知之甚少； 這些裝置在主流科學中的廣泛使用仍然很新，以至於我們尚不清楚長期刺激會在多年時間尺度上如何影響大腦。 因此，牛津大學的心理學家羅伊·科恩·卡多什和神經倫理學家朱利安·薩夫列斯庫等專家在 2012 年的《當代生物學》雜誌上撰文指出，他們不建議廣泛使用該技術，尤其是在兒童身上，因為迄今為止幾乎沒有工作來確定 tDCS 在該群體中的安全性和有效性。
由於業餘愛好者群體已經繞過了這些學術擔憂，因此問題不在於人們是否應該製造和使用自己的 tDCS 機器，而在於這些機器是否真的能帶來任何好處。 目前，關於自制 tDCS 裝置產生了認知或其他益處的傳聞性說法很難評估，原因有很多。 首先，業餘研究人員無法合理地將治療與對照條件進行比較——也就是說，與在其他重要方面與治療相當但在沒有其關鍵成分的情況下進行比較。 為了測試 tDCS，科學家將其與假刺激進行比較：受試者感覺到頭皮略有刺痛，但沒有接受電流。 理想情況下，科學家和參與者都不知道刺激是真實的還是虛假的，從而減少了參與者的期望（這可能會影響結果）以及科學家無意識地偏向他或她的假設。 尤其，證實偏差，即尋找證據來證實我們假設的傾向，可能非常強大。 這種偏見發生在日常生活中，例如，當我們“看到”更多證據表明我們已經標記為混蛋的人有令人討厭的行為時。 同樣，如果我將 tDCS 裝置綁在頭上，並且我選擇了一個特定的蒙太奇（電極排列），預計可以提高我的注意力，那麼我很可能會看到我的注意力有所提高——無論治療是否真的有效。 既擔任實驗者又擔任參與者違反了收集資料時保持公正的目的。
此外，在業餘設定中，精確放置電極非常困難。 例如，如果一個人的目標是提高記憶提取能力，那麼刺激左側下額葉皮層 (LPFC) 將是一個好的開始。 但是 LPFC 在語言產生中的作用呢？ 我們又如何確定我們正在針對 LPFC 中引導記憶提取的特定子區域？ 大多數家庭愛好者無法獲得腦電圖帽，這使得準確定位相對自動化。 一些科學實驗室還使用個體參與者的 MRI 掃描來進一步明確皮層的特定褶皺可能位於顱骨下方的確切位置。 相反，自制裝置包括單獨使用膠帶或貼紙固定在頭部的電極。 一種放置策略是儘可能遵循稱為國際 10/20 系統的通用腦圖，該系統指示電極相對於其下方大腦葉的位置。 使用這種方法，人們可以透過測量自己頭皮上的各種地標，並相對於標準腦電圖帽放置電極的位置插值距離來放置電極。 這顯然不是一個萬無一失的系統。 此外，用於電極放置的通用地圖實際上可能不適合任何人，因為每個人的大腦都有某種獨特的結構。 因此，外行人很難確定他或她實際刺激的是大腦的哪個區域。
即使在給定的實驗中，電極被完美地放置在頭部，這種定位仍然不能保證控制特定大腦功能的精確神經元的興奮性增加。 儘管在某些情況下，心理學家已經能夠識別出似乎控制特定功能的區域，例如注意力、動機或記憶力，但越來越多的神經影像學研究表明，不同大腦區域之間存在相互聯絡，以及某些功能在多大程度上無法定位到離散的大腦區域。 因此，使用 tDCS 靶向特定大腦區域的效果尚未完全瞭解。 與普遍看法相反，我們根本無法確定刺激大腦區域 X 會影響認知過程 Y 而不會影響 Z，因為神經科學不支援這種程度的特異性。 在某些情況下，這種策略是有效的，但我們不能指望它。 在對特定大腦區域支援的認知過程沒有廣泛而深入的文獻理解的情況下進行操作，會造成一些危險的猜測； 這一事實將家庭愛好者與那些透過深入瞭解大腦如何運作而建立事業的科學家們區分開來。 這一事實決定了我們如何確信，例如，萊因哈特和伍德曼的工作可能會產生關於大腦功能的新知識，而業餘 tDCS 管理更有可能混淆認知論的界限。
儘管存在這些注意事項，但人們願意以科學的名義進行自我實驗這一事實是一件好事。 透過更好的教育和對支援性科學的理解，公民大腦刺激器可能會在科學領域有所貢獻。 網際網路的一大優勢在於眾包； 想象一下，成千上萬知識淵博且經過審查的業餘愛好者走進他們的車庫，大規模複製科學期刊上發表的發現，並證明，實際上，應用於內側前額葉皮層的標準 tDCS 方案確實可以對認知控制產生可衡量且持久的改善。 也許我們正處於一場革命的門檻，這場革命將快速複製繁瑣且昂貴的傳統科學研究。
>>本系列下一篇：“只需照亮一束光即可揭示大腦的結構”