當基因技術的魔盒深埋地下之時，大腦的研究同樣不見天日。那些迷霧般的歲月裡，電刺激是腦科學領域為數不多的曙光。俯瞰腦科學的研究歷史，電刺激不僅照耀著腦科學的過去，同樣也照耀著腦科學的現在。
電刺激和初級運動皮層的發現
1870年，柏林生理研究所的兩位青年科學家Gustav Fritsch和Edvard Hitzig，正在對一隻長毛的灰狗做一場殘忍的實驗。
他們嫻熟地移去灰狗的部分顱骨，乾淨利落地切開硬腦膜，暴露出白潤紅織的大腦皮層。爾後，在額葉插入一根電極，電極的另一端接有電池，電池能提供直流電。當短暫的電流滋滋地輸入腦皮層某些位置時，大狗身體對側的肢體肌肉應聲而動。例如，脖子抽搐、面部扭曲、前肢收縮等。
這是大腦運動皮層的首次發現。之後的1947年和1968年，同樣是在電刺激的鼎力相助下，人類和猴子的初級運動皮層相繼被確認。
獼猴初級運動皮層
初級運動皮層身處額葉，位於中央前回。中央前回像一條又長又粗的蚯蚓盤窩在我們頭頂的位置。
系統全面的電刺激讓初級運動皮層上著名的“運動侏儒”現形。
初級運動皮層和身體各部位的對應關係
初級運動皮層分配資源的方法取決於運動的精細度。越精細的運動，大腦給予的皮層面積越大。
手、唇、舌因其複雜靈活的運動需求，佔據了初級運動皮層較大的面積。而雙腿和軀幹的運動樣式相對簡單，所以只覆蓋了運動皮層很小的一片兒。如果按此比例將人體重塑出來，一個雙手巨大、嘴巴像鱷魚一樣的小矮人就出現了。這個好似馬戲團裡的小矮人形象就是大腦“運動侏儒”名字的來源。
大腦運動侏儒真身重塑
在運動皮層發現的歷史中，電刺激扮演了至關重要的角色。其實，就算在如今的神經科學研究中，電刺激依然頻頻露臉。
這主要是因為電刺激作為一種興奮神經元的方法，簡單，卻行之有效。簡單，不單是實驗操作上的簡單，其背後的原理也不復雜。
神經元的膜電位
在安靜狀態下，神經元膜外正電荷要多於膜內，這使得膜外電位要高於膜內，即外正內負。
靜息狀態下神經元外正內負
當興奮性神經遞質接觸神經元細胞膜，結合其上的受體門控鈉離子通道後，受體門控鈉離子通道會像城門一樣打開，開放的鈉離子通道允許鈉離子自由通過。由於鈉離子膜外濃度高於膜內，鈉離子受濃度梯度的驅動會跑向膜內。這會使膜外電壓相對膜內變低，即膜電位去極化。
而神經元膜上存在另一種鈉離子通道，對電壓敏感。膜電位去極化後，少量電壓門控鈉離子通道也會打開。
膜電位去極化，電壓門控鈉離子通道會打開
當興奮性神經遞質足夠多，受體門控鈉離子通道開放的足夠多時，膜內外電壓差會去極化到某一關鍵位置，即動作電位的閾值。一旦膜電位衝破這道閾值門檻，電壓門控鈉離子通道大量開放。鈉離子也會洪水般內流，致使外正內負的電位差短時間內拉昇反轉，變為內正外負。一個動作電位就這樣起始了。
動作電位形狀
（詳細過程請參考： ）
而我們的主角電刺激，通過外部電流的輸入，直接改變膜外電位，同樣也可以引發動作電位。
電刺激興奮神經元
電刺激實驗中，科學家在大腦裡插入一根電極，電極是一根金屬細絲，材質通常為鉑銥合金。因為鉑銥合金絲穩定，反覆電刺激下電阻能保持穩定。同時也不易發生電化學反應，生成鉑離子或銥離子。
電極通體緊塑絕緣漆，只在尖端處露出金屬的光澤。電極連通著電源的陰極，通電後，大量帶負電荷的電子在電極尖端聚集。根據同性相斥、異性相吸原理，腦組織裡的正離子會被吸引過來，負離子會被排斥走。
陰極尖端吸引陽離子，排斥陰離子
我們考慮電極尖端附近的一個神經元，其膜外的陽離子被陰極吸走，陰離子大量湧來，這會讓膜外電位降低，膜電位去極化。如果電流刺激足夠大，會使膜內外電勢差達到動作電位產生的閾值，電壓門控的鈉離子通道就會大量開放，神經元就會興奮起來。
這便是電刺激興奮神經元的基本原理。但簡單的原理背後，卻隱藏著容易忽視的安全隱患。
電刺激的安全性
陰極尖端不僅會作用於溶液中本身就存在的陽離子和陰離子，也會讓電中性的分子發生氧化和還原反應，生成帶電離子。
電刺激會產生氧化和還原反應，生成離子。
氧化還原反應產生的離子，其中一些有毒性。因此，科學家需要一個反向電流逆轉這些氧化還原反應，從而將毒性離子反轉成初始的非毒性狀態。
另外，陰極屬性的電極尖端向大腦輸入了大量電子，安全考慮也需要收回。並且，電極附近聚集了大量的陽離子，同樣要驅散。
完全地反轉氧化還原反應，必須注入相同量的反向電流。所以，電刺激通常包含兩個時相，一相用來刺激神經元，另一相緊隨其後，用來反轉氧化和還原反應。
電刺激通常包含兩個電流相反的時相
深度腦刺激
深度腦刺激是一種實施於人腦的電流刺激，刺激電極通常深埋在大腦深處，故稱深度腦刺激。其基本原理如上所述，極其簡單，但卻廣泛應用於多種大腦疾病的治療，例如，癲癇、帕金森等，這些疾病通常伴隨著大腦異常放電。
以帕金森為例。帕金森是一種常見的神經系統退行性疾病，主要影響運動神經系統。病人的常見症狀為震顫、運動功能退化等。
帕金森是影響運動神經系統的退行性神經疾病
對某些病人，簡單的藥物治療對顫抖無能為力。此時，深度腦刺激可承擔起重任。通常，神經刺激器（neurostimulator）會植入大腦深處的一些核團，如內側蒼白球、丘腦、下丘腦核、橋腳核等，通過一連串高頻電流刺激興奮這些核團。這會改變大腦神經網絡的發放模式，改變神經遞質的釋放，最終達到控制病情的目的。雖然深度腦刺激控制病情的原理並不是非常透徹，但效果卻很顯著。
深度腦刺激，白色的線為埋置的電極裝置
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