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发信人: reise (旅行), 信区: Health
标  题: 给大脑充电 
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年12月09日21:23:11 星期二), 站内信件


　　大脑是一个“电力器官”，利用脉冲磁场激活大脑神经线路，可以缓解压力、
增进认知，甚至克服疲劳。

　　飞行员一边喝着走了味的咖啡，一边睡眼惺忪地盯着仪表盘，咖啡快喝完了，
雷达屏 
幕也一片空白。这时，他警觉油箱也快空了，就像他自己快耗尽的精神一样；就算
再来一杯咖啡，帮助也不会大。副驾驶也在他身边打着瞌睡；他们为了将急需的人
道主义物资运送到世界的另一端，已经连续飞行了好几个航程。飞行员想要吃颗提
神药丸，转而又打消了念头，提神药丸会使神经过敏，这对于复杂的夜间加油操作
来说，可不是好的感觉。

　　突然，雷达显示在其上方有一个飞行物。飞行员知道必须尽快集中注意力，才
好在多云的天空中找到加油机的导航灯。于是他摁了一个开关，一种如射钉枪一样
的“达达”声在他的头盔里回荡，疲劳则迅速离他的大脑远去。他第一次感觉到几
天来从未有过的清醒，似乎马上就看到了朦胧的远方有一闪一闪的灯光。他用肘碰
了碰副驾驶，后者一边打着哈欠，一边也不自觉地打开自己的开关，低沉的“达达”
声又响了。在完全清醒之后，两位飞行员驾驶飞机向在上方盘旋的加油机飞去。

　　在上面的场景中，飞行员头盔里发出“达达”声的电磁器会产生磁场，激活飞
行员大脑中负责疲劳和清醒的特殊区域。研制这种非侵入式技术的科学家，称这种
技术为“跨颅磁性刺激”(TMS)。TMS利用戴在头上的金属线圈，产生短暂但很强的
磁场脉冲，直接作用于大脑的特定区域，进而安全无痛地在人的神经线路上产生微
小的电流。

　　上述飞行场景还只是想像，但将这一有很好前景的技术变成现实的研究正在稳
步地进行中。目前，美国国防高级研究计划署(DARPA)正在资助数项关于TMS的研究
，以期用以改善长期战役中精疲力竭的美军的表现能力，因为它是除药物之外，将
人脑特定区域开关的最可行的技术之一，因此，对TMS感兴趣的，不只是DARPA一个
单位。

　　例如一些TMS研究者，正在利用这种技术使健康者的脑部产生暂时性的“损伤
”，以便了解语言和空间感等基本神经机制。他们利用磁脉冲抑制某项基本的大脑
功能，进而比较受试者在这之前和之后的表现。另一些研究人员则正在研究是否可
以利用磁场使过份活化的大脑区域(如在癫痫发作时)安静下来。还有一些科学家正
试图利用TMS来改变特定神经细胞网的运作，以提高人的学习和记忆能力。我的许
多同事正在寻找一种途径，以利用TMS替代电痉挛疗法治疗抑郁症，因为电痉挛疗
法会引起癫痫。不管目标如何，作为了解大脑如何工作的工具，TMS具有巨大的潜
力，可以用来矫正功能失常，甚至增进大脑能力。

　　电力的大脑TMS技术是基于这样一个事实：大脑从根本上讲是一个电学器官，
能将电信号从一个神经细胞传给另一个细胞。当一个TMS线圈在头皮附近启动时，
一个迅速变化的强磁场就会不受阻碍地穿过皮肤和头骨。虽然这个磁场磁通量达到
1.5斯特拉，是地磁场的几万倍，但每次脉冲却不超过1毫秒。当TMS的绝缘线圈中
有电流通过时，它就会发出“达达”声[参见下页图文]。在大脑中，磁场碰到静止
的神经细胞时能在细胞上产生一个电流。电能在铜线圈(通常装在类似球拍的棒子
里)中转化为磁能，而磁能又在大脑的神经元中转变为电流。一些价格在3-4万美元
的TMS仪器，已经由英国威尔士惠特兰市的磁激有限公司、丹麦与美国明尼苏达州
岸景市的丹技/医疗电子公司、以及宾州马尔文市的神经学公司等生产。

　　TMS不像ECT及其他纯电学技术那样需要将电极贴紧头皮甚至插入大脑或神经组
织中[参见51页附表]，而是利用可进入大脑的磁场，不需要与大脑有直接的接触，
因此这一技术可以认为是无电极的电刺激。虽然磁性也会与一些生物组织在一定程
度上相互作用，但TMS技术的功效大部分并非由磁场直接产生，而是由其在神经元
中产生的电流引起的。

　　磁性刺激利用电磁来改变神经功能的想法，至少可追溯到20世纪初。与佛洛伊
德同住一条街的维也纳精神科医生Adrain Pollacsek和Berthold Beer，申请了一
项治疗抑郁与神经官能症的专利。他们使用的电磁装置，与今天的TMS仪器在外形
上出奇地相似。

　　今天的TMS技术成型于1985年。那一年英国雪菲尔大学的医学物理学家Anthony
 T. Barker和他的同事制造了一种电磁设备，它能在脊髓中引起电流。他们很快意
识到，这种仪器也能直接非介入性地刺激大脑，由此便开创了TMS的研究领域。不
幸的是，TMS仪器只能激活大脑的表层皮质，因为离开线圈一定距离后磁场强度会
急剧下降(最大的距离只有2-3厘米)，能够安全穿过并激活大脑中央区域的磁场仍
然是TMS研究的梦想，因为这提供了治疗如帕金森氏病等顽固疾病的可能[参见50页
附文]。

　　当研究人员向受试者大脑的运动皮质发送单一的磁脉冲时，会引起手、臂、脸
或腿等部位的一次抽搐，具体部位取决于线圈放置的位置；而向大脑后面发出一个
脉冲，则会使眼产生光感。不过单脉冲TMS产生的效果，也就这些了。而连续的有
节奏的磁脉冲(称为重复TMS，简称rTMS)能产生一些单脉冲所不能产生的效果，对
这些效果的研究目前很热。在进行刺激的短时间内，rTMS能抑制某项大脑机能。例
如将rTMS置于控制语言的大脑皮层上头，会使受试者暂时不能讲话。认知神经学家
正在利用这种称为“功能关闭”的能力，来重新探究与证实我们关于“哪些脑区控
制身体哪些部位”的认知，那可是几十年来研究中风病人点滴得来的知识。

　　现场学习当使单独的神经细胞反复放电，它们就能形成具有功能的回路。研究
人员发现，用低频电信号刺激神经原能引起一种叫作“长效抑制”(LTD)的现象，
这种现象会使细胞间信号传导下降，而高频刺激则引起相反的效应，称为“长效活
化”(LTP)。科学家相信，这些细胞层面的行为参与了学习、记忆以及与神经网路
有关的脑中动态变化。磁性脑刺激以类似于LTD或LTP的方式来改变大脑线路这种可
能性，吸引了很多研究者。虽然关于这种方法的争议尚无结果，但多项研究已经表
明，经rTMS刺激后神经细胞网路的抑制或兴奋，可以延续数个小时。这种结果的意
义可能非同寻常。如果有人能利用rTMS重塑大脑线路，进而改善学习和记忆能力的
话，将出现无尽的可能性：TMS将可以用来治疗中风病人，使大脑未受损伤的部分
承担起以前由被损伤部分所承担的功能；或者降低过分活跃而导致癫痫的大脑线路
，使发作次数减少。

　　最近，笔者位于美国南卡莱罗那州的实验室及其他一些地方的研究显示，不论
是在刺激的当时还是在刺激停止后一小段时间内，rTMS都能短暂地提高认知力。例
如，美国国家神经疾病与中风研究所的研究人员发现，用TMS刺激受试者的额叶前
部皮质，可以加快他们解开几何难题的速度。这一领域的大部分研究者，是在受试
者进行某项工作时刺激他们的额叶前部皮质或头顶的皮质。为了避免测试的主观倾
向性，神经科学家同时使用了不启动(假)rTMS线圈，以资对照。笔者的实验室得到
DARPA资助，来研究rTMS是否可以让睡眠不足的人在短时间内表现更好一些；实验
的初步结果较乐观。另一个由DARPA资助的哥伦比亚大学研究小组，由Yaakov 
Stren和Sarah H.Lisanby领导，他们研究的是利用将神经活性转移到其他细胞网路
的方式，rTMS或许可以重新训练受试者以不同的做法完成工作，因而对压力的睡眠
不足有更好的应对能力。

　　近期媒体报道说，澳大利亚研究人员宣称，在健康的受试者身上利用TMS使受
一侧的大脑半球暂时失去功能，可以解放潜在的学者技能(不经训练就能精通困难
工作的能力)[参见本刊2002年第10期《智障造就的天才》一文]。这项研究尚未发
表在科学刊物上，事实上，大部分神经科学家认为这一报道不可信。研究人员已经
在数以千计的受试者身上监测TMS的进行，并未发现有所谓“学者才能”的变化现
象。虽然既有的艺术才能偶尔会随着失智症的出现而有所进步，但我们还没有见过
由于类似TMS而出现学者才能的例子，其中受试者包括由于外伤、中风、手术或脑
区注射麻醉剂所造成的局部脑功能丧失。

　　这些潜在的应用很迷人，但同时也引发了一些问题。科学家也想确认受刺激后
哪些神经元受rTMS影响及受激后发生的神经生物学细节。除了要确定何种电磁频率
、强度和剂量产生何种效果外，研究人员还要确定(对任何个体)rTMS线圈放置的位
置，并决定是否在一个人正在执行任务时启用它。科学家还需要知道更多rTMS在细
胞层面(包括神经传导、基因表达、突触变化等产生的效果)以及在线路层面究竟做
了什么。由于每个人的大脑线路连接都不一样，因而控制行为的脑区位置也不同，
这使问题更复杂了。如果某个人的运动区域靠近颅骨，TMS可能会有较明显的效果
；而对于另外一个人来说，他的运动区域位在大脑较深部，TMS对于动作的的作用
可能不大，甚至没有。为了更好地了解rTMS对大脑线路的影响，美国南卡罗来纳医
学大学的物理学家Daryl E. Bohning和我们小组的其他人，发明了将rTMS与功能磁
共振成像(fMRI)相结合的方法。过去许多研究者认为fMRI中不可能产生很强的TMS
磁场，或这样做不明智，然而当受试者在fMRI中进行某项活动时，我们对其施以
rTMS，就能准确知道刺激在何处发生，并且看到神经网路因为刺激而发生变化的情
况。我们小组发现，引起大拇指动作的TMS刺激所产生的脑部变化，与自发性移 动
大拇指所产生的变化型态类似。德国的两个小组也成功地实现了rTMS与fMRZ扫描仪
的联用。

　　“跨颅磁性刺激”疗法理论上，TMS技术可以用于治疗任何由神经线路功能损
伤引起的大脑失常行为。研究人员已经尝试过用这一技术来治疗强迫症、精神分裂
症、帕金森氏病、肌张力障碍(非自主性肌肉收缩)、慢性疼痛以及癫痫。在大多数
情况下，所进行的研究只有少数没有定论或自相矛盾的结果，因此有关TMS疗法对
这些疾病的疗效，目前尚无定论。这方面的研究大部分疑问集中在缓解抑郁症上面
。1990年代中期，笔者是第一批(另有几个欧洲小组)研究每天以rTMS治疗抑郁症的
人之一。我们认为TMS或许能够达到ECT对抑郁患者的效果，同时又能避免癫痫发作
。我的研究(在美国国家精神健康研究院进行)主要集中于刺激额叶前部皮质，因为
许多抑郁症患者的内部成像显示，该区域可能有异常，同时它又控制着参与情感和
情绪的深层边缘区域。不久，双盲实验也显示这种做法确实有小幅度但显著意义上
的抗抑郁作用。美国国家精神健康研究院有一些病人，对其他疗法都没有反应，但
却因这种疗法摆脱了抑郁症，得以重返家中。

　　从那以后，已经有20多次利用前额叶rTMS来治疗抑郁症的试验结果发表，其中
受试者都以随机分配且具有对照组。绝大部分研究显示，与使用假电极的对照组相
比，试验组都有明显的抗抑郁作用。这一结论被随后对这些实验所做的进一步整合
分析所证实。尽管现在公认rTMS具有统计学上显著的抗抑郁作用，但这一作用是否
大到足以在临床上应用，目前还存在争议。因为还没有商家开始将TMS用于抗抑郁
治疗，而且上述研究规模都比较小，美国食品与药品管理局(FDA)仍然只是将rTMS
视为实验性的抑郁症疗法。然而这一技术在加拿大已经被批准应用了。目前，由企
业界资助的寻求FDA批准的大型试验正在计划中。即使这项治疗获得了FDA的批准，
它仍然需要更多的研究以便完善。

　　还必须提醒的是，rTMS可能会在健康的受试者身上引起癫痫发作，这取决于磁
性刺激的强度、频率、治疗时间及刺激间隔。在该技术的应用史上，共引起过8例
非预期的癫痫；但自数年前发表了安全准则之后，再未见癫痫个案的报道。一些科
学家正在研究这一结果的潜在利用价值。哥伦比亚大学的Harold A. Sackeim和
Sarah H. Lisanby发现，使用大强度的TMS(他们称之为磁性癫痫疗法MST)，可产生
有益于抑郁症患者的癫痫(受试者先经麻醉)。与ECT不同，MST可针对产生癫痫的部
位集中刺激，对癫痫有较好的控制，可以阻止它扩散到其他脑区，而不致像ECT一
样引起失忆。初步的数据表明，MST与传统的ECT技术相比，认知方面的副作用更少
。不过这方面还需要更多的研究，才能确定MST是否有疗效以及对什么病症效果最
好。

　　TMS的技术同样也在不断完善。例如，笔者在南卡莱罗纳医学大学的研究小组
最近研发出可携带的TMS仪，也许有一天它会变成本文开头所说的那种安装在头盔
里的抗疲劳装置。新设计的线圈，以及能刺激脑部更深处的线圈原型，也正在研究
开发中：有些能使它的刺激位置更精确；有些能够以相互协同的方式工作。我们的
行为和思想都不是由单一脑区的活性引起的，而是由多个脑区协同完成的。如果能
使用多个TMS线圈，分别作用于不同的脑区上方，并能以协调的方式刺激细胞，那
么作为神经科学的治疗手段和科研工具，也许TMS将开创全新的前景。经过10多年
的实验，FDA仍然未批准TMS作为缓解精神紧张的手段。但是许多研究者相信，利用
安全的磁场开启和关闭特定的大脑区域，是直觉上可行的做法，他们对研究仍然保
持着浓厚的兴趣。如果TMS技术最终证明可行，它还有可能对民间所说的“人类只
用上了一小部分大脑”提供佐证。

 

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