摘要
你知道當你讀這篇文章的時候，你的大腦會發出化學和電信號來幫助你理解單詞和它們的意思嗎？你的大腦是由叫做神經元的小細胞網絡組成的，這些神經元通過電化學的方式進行交流，使你能夠思考、感覺和與周圍的世界互動。因為電荷負責大腦活動，所以電刺激可以用來改變大腦的功能。大腦刺激已經被用來治療情緒障礙和壓力，它甚至可以幫助人們解決問題、記憶信息，更好地集中注意力。幸運的是，許多控制這些功能的腦區位於大腦皮層，大腦皮層是大腦的外緣，最靠近頭骨。通過一種叫做經顱直流電刺激(簡稱tDCS)的方法可以到達大腦皮層。在本文中，我們將討論如何使用tDCS幫助人們以不同的方式思考和感受。
腦電刺激是一種安全有效的方法，在不需要腦部手術的情況下暫時改變大腦活動。我們為什麼要改變大腦活動？有大腦損傷或障礙的人可以通過刺激療法來解決大腦活動模式的潛在問題。擁有健康大腦功能的人也可以從大腦刺激中受益，改善他們的情緒調節、注意、學習、問題解決和記憶能力。你可能想知道，在不打開頭骨的情況下，大腦是如何被刺激的。來自刺激機的電流通過你的頭骨，影響負責大腦活動的電信號。在這篇文章中，我們將討論一種最常用的用於改變大腦活動的腦刺激類型：經顱直流電刺激(tDCS)。
腦細胞使用電和化學物質來交流
神經元是大腦中的細胞。神經元使用電荷和一種叫做離子的化學物質來相互交流。我們說神經元有一個電化學電荷，這個電荷的變化取決於神經元是處於靜息狀態還是在發送信號。神經元內部和神經元之間有一種含有離子的液體，離子是帶正電荷或負電荷的原子或分子。當一個神經元處於靜息狀態時，它的內部有更多的負離子，外部有更多的正離子(圖1A)，這給了神經元膜一個負電荷。當大腦活動發生時，正離子通過神經元膜中的通道湧入(圖1B)，當電荷足夠高時，神經元發出信號與附近的神經元溝通(圖1C)。把這想象成一根火柴，需要用足夠的力量來劃，火花一出，整根火柴就著火了。頭皮上的電刺激可以針對大腦的電化學活動，在不需要手術的情況下改變神經元的電荷。因為一次並不只有一個神經元在活動，而是神經元的“群體”在活動，改變神經元群周圍液體的電荷對大腦活動會產生重要影響。
圖1 (A)靜息神經元及(B)發出信號的神經元電化學狀態
黃色的圓圈代表帶負電荷的離子，粉色的圓圈代表帶正電荷的離子。在靜息狀態下，細胞內有更多的負離子，細胞外有更多的正離子，這就是為什麼神經元的總電壓為負。當神經元被激活時，正離子衝進細胞，負離子衝出來，使細胞內的電壓總體上更正。(C)電荷的變化沿著細胞向下傳播，激活相鄰的細胞。
經顱直流電刺激是如何影響神經元的?
tDCS可以以一組神經元為目標，tDCS利用電流改變大腦特定區域的電化學活動。兩個橡膠電極放置在頭部，以瞄準感興趣的大腦區域，這些電極通過發送電流穿過皮膚和頭骨形成一個電路，從而影響大腦(圖2)[1]。
圖2 tDCS電極裝置
在本例中，左側背外側前額葉皮層（DLPFC）將受到負電荷刺激。如圖箭頭所示，電流從tDCS機器通過紅線流向負極。然後電流通過人的頭骨和大腦從負極繼續流向正極，然後通過藍線回到機器本身，形成一個完整的電路。由於電流的流動，左側DLPFC中的目標神經元不太可能向大腦的其他部分發送信號，因為靠近電極的大腦中有負電荷。
這些電場是如何改變神經元的活動的？由於tDCS只向一個方向將電流從一個電極發送到另一個電極，刺激在一個電極下產生正電荷，在另一個電極下產生負電荷。這些電荷以不同的方式影響神經元。回到火柴的例子，不同的條件可能會使火柴更有可能或更不可能著火，例如在炎熱的太陽下和在潮溼的氣候中。tDCS的工作原理是增加或減少周圍神經元群的電荷，使它們更有可能或更不可能發送信號。如果你把火柴排成一行，點燃一根火柴就會點燃另一根。神經元以類似的方式交流，向鄰近的神經元發送信號，然後鄰近的神經元再向其他神經元發送信號，以此類推。
TDCS可以用來做什麼?
- 調節情緒
生活中有些悲傷和壓力是很常見的，大多數人在健康的程度上體驗這些情緒。然而，長時間的抑鬱、焦慮和壓力有時可能是情緒調節障礙的指標，對心身健康造成損害。費魯奇等人[2]使用tDCS來減輕一種非常常見的情緒調節障礙的症狀，即重度抑鬱症(MDD)。這種障礙與持續的悲傷感、低活動水平、食慾變化和對活動失去興趣有關。這些症狀持續時間很長，而且被認為是由大腦活動失衡造成的。腦部掃描顯示，大腦前部一個名為左背外側前額葉皮層(DLPFC，見圖3)的神經元活動低於正常，有時右DLPFC的神經元活動高於正常。DLPFC與大腦深處的情緒區域有關，因此在控制情緒方面起著重要作用。在這項研究中，患有重度抑鬱症的參與者先填寫問卷來評估他們的情緒。然後，連續5天，參與者接受每天兩次的左側DLPFC刺激20分鐘。在tDCS完成後，參與者再次完成了情緒問卷，大多數人的情緒都有所改善！即使在一個月後進行測試，參與者的悲傷和抑鬱症狀仍然有所減輕。
圖3 與各種功能相關的腦區
還有許多研究將tDCS應用於DLPFC治療抑鬱症。然而，費魯奇的研究特別有趣的是，所有的病人都是因為他們之前對抗抑鬱藥物沒有反應才被選中的。當tDCS與藥物和其他形式的治療結合使用時，它能最好地減輕抑鬱症的症狀，但有趣的是，單獨使用刺激也能產生效果。
- 提高認知功能
認知是通過思考來理解我們周圍世界的行為。這種理解需要注意、學習、問題解決和記憶的結合。不同的認知過程依賴於大腦的不同部位，而大腦刺激可以應用於不同的區域來鼓勵和增強認知的各個方面。我們來談一談tDCS已經被證明會影響的一些特定的認知功能。
注意
除了在情緒調節中發揮作用以外，DLPFC對注意和衝動也很重要。DLPFC在患有注意缺陷多動障礙(ADHD)的人群中較不活躍。ADHD使人很難一次只專注於一件事或一項任務，忽視干擾，控制衝動行為。然而，一項針對37名ADHD患者的研究表明使用tDCS刺激DLPFC可以增強他們集中注意的能力。參與者執行一系列任務，在這些任務中他們需要對屏幕上的一些箭頭或字母做出反應，而忽略其他的。在tDCS之後，參與者對他們應該忽略的圖像做出反應的可能性更小，這表明他們可以更有效地控制自己的行為[3]。
學習
學習和問題解決是重要的認知過程，可以通過大腦刺激來提升。根據人們學習的內容和方式激活不同的腦區。例如，研究者知道，當我們操縱數字時，大腦的右頂葉是活躍的(頂葉位置見圖3)。瞭解到這一點，研究者[4]在健康成人學習隨機符號與指定數值之間的關係時，將tDCS應用於他們的右頂葉。在學習假數字系統時，三分之一的參與者接受了右頂葉的正電荷，三分之一的參與者接受了右頂葉的負電荷，三分之一的參與者接受了右頂葉的假刺激。在參與者完成學習階段後，對他們新獲得的數字知識進行測試。本研究的結果顯示，接受興奮性刺激的參與者對假數字系統的理解比接受抑制性刺激和假刺激的參與者更好，並且獲得這種理解的速度更快。此外，研究者在6個月後進行了追蹤測試，發現他們對假數字系統的學習效果持續了一段時間！基於本研究，我們知道在學習時，興奮性tDCS應用於右頂葉可以增強我們的數字學習能力[4]。
問題解決
大腦刺激也能增強問題解決的能力。一組研究者[5]研究了他們是否可以利用大腦刺激使參與者更好地解決問題。研究者刺激大腦的兩個部位：右前顳葉(rATL)和左前顳葉(lATL)(顳葉位置見圖3)。顳葉與創造性思維和系統性問題解決有關。一組參與者接受了rATL的正電荷和lATL的負電荷。另一組則相反：rATL的負電荷，lATL的正電荷。第三組接受假刺激。首先，訓練參與者使用特定的策略來解決問題。然後，在接受5分鐘的tDCS後，他們被要求使用創造性思維來解決一個類似的問題。在接受rATL的正電荷和lATL的負電荷的參與者中，60%的人能夠在時間結束之前成功地解決問題。然而，在相反刺激組中，只有20%的參與者能夠解決問題，與假刺激組的比例大致相同。本研究是tDCS如何提高問題解決能力的一個明顯例子[5]。
記憶
當你遇到一個新朋友，你首先要知道他的名字。在接下來的幾次與那個人的互動中，你經常要不斷地提醒自己那個人的名字，直到你記住為止。這種對實際知識的記憶叫做陳述性記憶。當我們睡覺時，我們的大腦會把白天學到的新的陳述性記憶固化成長時記憶。德國的研究者發現將tDCS應用於睡眠中的大腦可以增強健康成人的陳述性記憶。在刺激之前，本研究的參與者學習了46組單詞對(即，鳥-翼)。在學習了單詞對之後，一些參與者去睡覺，而另一些人則醒著看視頻。睡覺的參與者中，一半的人接受額葉的興奮性刺激，另一半接受假刺激(醒著的參與者也是如此)。一覺醒來，睡眠條件的參與者進行了回憶測試，看看他們對之前的單詞對的記憶怎麼樣。清醒條件的參與者看完視頻後，也進行了測試。結果表明與那些處於清醒條件以及假刺激條件下的參與者相比，在睡覺時受到興奮性刺激的參與者能夠記住更多的單詞對！興奮性刺激並沒有幫助清醒條件下的參與者在回憶測試中比那些接受假刺激的參與者做得更好[6]。這個實驗不僅證明了晚上睡個好覺的重要性，還證明了大腦刺激增強記憶的作用。
為什麼這項研究如此重要？
本文所討論的研究表明tDCS可以改善大腦的各項功能，包括調節情緒和增強認知功能，如注意、學習、問題解決和記憶。但這項重要的研究也提醒我們還有很多東西需要學習。大腦刺激有可能對我們的思維和感受產生積極的影響，但目前tDCS只能進入大腦的外層。正因為如此，仍有一些大腦功能沒有采用這項技術探索過。未來，科技可能會進步，穿透位於大腦皮層下方的更深層次的大腦結構。tDCS的使用可能會繼續增多，所以請密切關注大腦刺激方面令人興奮的新發現！
術語表
神經元（Neuron）：位於大腦中的細胞，在大腦內部以及大腦和身體之間加工和傳輸信息。
離子（Ion）：帶電粒子。
電化學（Electrochemical）：同時使用電能和化學能。
認知（Cognition）：我們思考、理解、注意、解決問題、記憶信息和感知周圍世界的心理過程。
參考文獻
[1] Paulus, W. 2011. Transcranial electrical stimulation (tES–tDCS; tRNS, tACS) methods. Neuropsychol. Rehabil. 21:602–17.
[2] Ferrucci, R., Bortolomasi, M., Vergari, M., Tadini, L., Salvoro, B., Giacopuzzi, M., et al. 2009. Transcranial direct current stimulation in severe, drug-resistant major depression. J. Affect. Disord. 118:215–9.
[3] Allenby, C., Falcone, M., Bernardo, L., Wileyto, E. P., Rostain, A., Ramsay, J. R., et al. 2018. Transcranial direct current brain stimulation decreases impulsivity in ADHD. Brain Stimul. 11:974–81.
[4] Hauser, T. U., Rotzer, S., Grabner, R. H., Mérillat, S., and Jäncke, L. 2013. Enhancing performance in numerical magnitude processing and mental arithmetic using transcranial Direct Current Stimulation (tDCS). Front. Hum. Neurosci. 7:244.
[5] Chi, R. P., and Snyder, A. W. 2011. Facilitate insight by non-invasive brain stimulation. PLoS ONE. 6:e16655.
[6] Marshall, L., Mölle, M., Hallschmid, M., and Born, J. 2004. Transcranial direct current stimulation during sleep improves declarative memory. J. Neurosci. 24:9985–92.
原文
Berg M, Morrow A and Hout M (2019) Wake Up, Brain!: Using Electricity to Think and Feel Differently. Front. Young Minds. 7:62.
作者：Mary A. Berg，Audrey M. Morrow，Michael C. Hout
單位：美國，新墨西哥州立大學心理學系
原文編輯：Kathleen Y. Haaland
中文翻譯：劉斯漫
中文審校：左西年
中文翻譯版權：中國科學院心理研究所CLIMB
本文轉自公眾號： 腦與心智畢生發展研究中心CLIMB
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