【Brain】醒醒,大脑!用电来以不同的方式思考和感受

人工智能产业链联盟 2019/07/30 22:57

新知图谱, 【Brain】醒醒,大脑!用电来以不同的方式思考和感受

摘要

你知道当你读这篇文章的时候,你的大脑会发出化学和电信号来帮助你理解单词和它们的意思吗?你的大脑是由叫做神经元的小细胞网络组成的,这些神经元通过电化学的方式进行交流,使你能够思考、感觉和与周围的世界互动。因为电荷负责大脑活动,所以电刺激可以用来改变大脑的功能。大脑刺激已经被用来治疗情绪障碍和压力,它甚至可以帮助人们解决问题、记忆信息,更好地集中注意力。幸运的是,许多控制这些功能的脑区位于大脑皮层,大脑皮层是大脑的外缘,最靠近头骨。通过一种叫做经颅直流电刺激 ( 简称 tDCS) 的方法可以到达大脑皮层。 在本文中,我们将讨论如何使用 tDCS 帮助人们以不同的方式思考和感受。

脑电刺激是一种安全有效的方法,在不需要脑部手术的情况下暂时改变大脑活动。我们为什么要改变大脑活动?有大脑损伤或障碍的人可以通过刺激疗法来解决大脑活动模式的潜在问题。拥有健康大脑功能的人也可以从大脑刺激中受益,改善他们的情绪调节、注意、学习、问题解决和记忆能力。你可能想知道,在不打开头骨的情况下,大脑是如何被刺激的。来自刺激机的电流通过你的头骨,影响负责大脑活动的电信号。在这篇文章中,我们将讨论一种最常用的用于改变大脑活动的脑刺激类型:经颅直流电刺激 (tDCS)

脑细胞使用电和化学物质来交流

神经元是大脑中的细胞。神经元使用电荷和一种叫做离子的化学物质来相互交流。我们说神经元有一个电化学电荷,这个电荷的变化取决于神经元是处于 静息状态还是在发送信号。神经元内部和神经元之间有一种含有离子的液体,离子是带正电荷或负电荷的原子或分子。当一个神经元处于静息状态时,它的内部有更多的负离子,外部有更多的正离子(图 1A) ,这给了神经元膜一个负电荷。当大脑活动发生时,正离子通过神经元膜中的通道涌入 ( 1B) ,当电荷足够高时,神经元发出信号与附近的神经元沟通(图 1C) 。把这想象成一根火柴,需要用足够的力量来划,火花一出,整根火柴就着火了。头皮上的电刺激可以针对大脑的电化学活动,在不需要手术的情况下改变神经元的电荷。因为一次并不只有一个神经元在活动,而是神经元的“群体”在活动,改变神经元群周围液体的电荷对大脑活动会产生重要影响

新知图谱, 【Brain】醒醒,大脑!用电来以不同的方式思考和感受

1 (A) 静息神经元及 (B) 发出信号的神经元电化学状态

黄色的圆圈代表带负电荷的离子,粉色的圆圈代表带正电荷的离子。在静息状态下,细胞内有更多的负离子,细胞外有更多的正离子,这就是为什么神经元的总电压为负。当神经元被激活时,正离子冲进细胞,负离子冲出来,使细胞内的电压总体上更正。 (C) 电荷的变化沿着细胞向下传播,激活相邻的细胞。

经颅直流电刺激是如何影响神经元的 ?

tDCS 可以 一组神经元为目标 tDCS 利用电流改变大脑特定区域的电化学活动。两个橡胶电极放置在头部,以瞄准感兴趣的大脑区域,这些电极通过发送电流穿过皮肤和头骨形成一个电路, 从而 影响 ( 2 ) [ 1]

新知图谱, 【Brain】醒醒,大脑!用电来以不同的方式思考和感受

2 tDCS 电极装置

在本例中,左侧 背外侧前额叶皮层 DLPFC 将受到负电荷刺激。 如图箭头所示,电流从 tDCS 机器通过红线流向负极。 然后电流通过人的头骨和大脑从负极继续流向正极,然后通过蓝线回到机器本身,形成一个完整的电路。由于电流的流动,左侧 DLPFC 中的目标神经元不太可能向大脑的其他部分发送信号,因为靠近电极的大脑中有负电荷。

这些电场是如何改变神经元 活动的 由于 tDCS 向一个方向将电流从一个电极发送到另一个电极,刺激在一个电极下产生正电荷,在另一个电极下产生负电荷。这些电荷以不同的方式影响神经元。回到火柴的 例子 ,不同的条件可能会使火柴 更有可能或更不可能 着火,例如在炎热的太阳下和在潮湿的气候中。 tDCS 的工作原理是增加或减少周围神经元群的电荷,使它们更有可能或更不可能发送信号。如果你把火柴排成一行,点燃一根火柴就会点燃另一根。神经元以类似的方式交流,向邻近的神经元发送信号,然后邻近的神经元再向其他神经元发送信号,以此类推。

TDCS 可以用 来做 什么 ?

  • 调节情绪

生活中 有些 悲伤和压力是很常见的,大多数人在健康的程度上 体验 这些情绪。然而,长时间的抑郁、焦虑和压力有时可能是情绪调节 障碍 的指标,对心身健康造成损害。费鲁奇等人 [2] 使用 tDCS 来减轻一种非常常见的情绪调节障碍的症状,即重度抑郁症 (MDD) 。这种障碍与持续的悲伤感、低 活动 水平、食欲变化和对活动失去兴趣有关。这些症状持续时间很长, 而且 被认为是由大脑活动失衡造成的。脑部扫描显示,大脑前部一个名为 左背外侧前额叶皮层 ( DLPFC 见图 3) 的神经元活动 低于 正常 有时右 DLPFC 的神经元活动高于正常。 DLPFC 与大脑深处的情绪区域有 ,因此在控制情绪方面起着重要作用。在这项研究中,患有 重度 抑郁症的参与者先填写问卷来评估他们的情绪。然后,连续 5 天, 参与者 接受每天两次 左侧 DLPFC 刺激 20 分钟。在 tDCS 完成后,参与者再次完成了情绪问卷,大多数人的情绪都有所改善 即使 一个月后进行测试,参与者的悲伤和抑郁症状仍然有所减轻。

新知图谱, 【Brain】醒醒,大脑!用电来以不同的方式思考和感受

3 与各种功能相关的脑区

还有许多研究将 tDCS 应用于 DLPFC 治疗抑郁症。然而,费鲁奇的研究特别有趣的是,所有的病人都是因为他们之前对抗抑郁药物没有反应 被选中的 tDCS 与药物和其他形式的治疗结合使用时,它能最好地减轻抑郁症的症状,但有趣的是,单独 使用 刺激也能 产生效果

  • 提高认知功能

认知是通过思考来理解我们周围世界的行为。这种理解需要注意、学习、问题解决和记忆的结合。不同的认知过程依赖于大脑的不同部位,而大脑刺激可以应用于不同的区域来鼓励和增强认知的各个方面。我们 tDCS 已经被证明会影响的一些特定的认知功能。

注意

除了在情绪调节中发挥作用 以外 DLPFC 对注意和冲动也很重要。 DLPFC 在患有注意缺陷多动障碍 (ADHD) 的人群中较不活跃。 ADHD 使人很难一次只专注于一件事或一项任务,忽视干扰,控制冲动行为。然而,一项针对 37 ADHD 患者的研究表明使用 tDCS 刺激 DLPFC 可以 增强他们集中注意的能力。参与者执行一系列任务, 在这些任务中 他们 需要 对屏幕上的一些箭头或字母做出反应,而忽略其他的。 tDCS 之后,参与者对他们应该忽略的图像做出反应的可能性更小,这表明他们可以更有效地控制自己的行为 [3]。

学习

学习和问题解决是重要的认知过程,可以通过大脑刺激来 提升 根据人们学习的 内容和方式 激活不同的脑区。 例如,研究 知道,当我们操纵数字时,大脑的右顶叶是活跃的 ( 顶叶位置见图 3) 。了解到这一点,研究 [4] 健康成人学习随机符号与指定数值之间的关系 时, tDCS 应用于 他们的 右顶叶。在学习假数字系统时,三分之一的参与者 接受了 右顶叶的正电荷,三分之一的参与者 接受了 右顶叶的负电荷,三分之一的参与者 接受了 右顶叶的假刺激。在参与者完成学习阶段后,对他们新获得的数字知识进行测试。本研究的结果显示, 接受兴奋性刺激的参与者对假数字系统的理解比接受抑制性刺激和假刺激的参与者更好,并且获得这种理解的速度更快。 此外,研究 6 个月后进行了 追踪测试 ,发现他们对假 数字 系统的 学习效果 持续了一段时间 基于本研究,我们知道在学习时,兴奋性 tDCS 应用于右顶叶可以增强我们的数字学习能力 [4]

问题解决

大脑刺激也能增强问题解决的能力。一组研究 [5] 研究了他们是否可以利用大脑刺激使参与者更好地解决问题。研究 刺激大脑的两个部位 右前颞叶 (rATL) 左前颞叶 (lATL) ( 颞叶位置见图 3) 。颞叶与创造性思维和系统性问题解决有关。一组参与者接受了 rATL 的正电荷和 lATL 的负电荷。另一组则相反 rATL 负电荷, lATL 正电荷。第三组接受假刺激。首先,训练参与者使用特定的策略来解决问题。然后,在接受 5 分钟的 tDCS 后,他们被要求 使用 创造性思维 解决一个类似的问题 接受 rATL 的正电荷和 lATL 的负电荷 的参与者中, 60% 的人 能够在时间结束之前成功地解决问题。 然而,在相反刺激组中, 只有 20%的参与者能够解决问题 与假刺激组 的比例大致相同。本研究是 tDCS 如何提高问题解决能力的一个明显例子 [5]

记忆

当你遇到一个新朋友,你首先要知道他的名字。在接下来的几次与那个人的互动中,你经常要不断地提醒自己那个人的名字,直到你记住为止。这种对 实际 知识的记忆叫做陈述性记忆。当我们睡觉时,我们的大脑会把白天学到的新的陈述性记忆固化成 长时 记忆。德国的研究 发现将 tDCS 应用于睡眠中的大脑可以增强健康成人的陈述性记忆 。在刺激之前,本研究的参与者学习了 46 组单词对 ( ,鸟 - ) 。在学习了单词对之后,一些参与者 去睡觉 ,而另一些人则醒着看视频。 睡觉的参与者中, 一半的 人接受 额叶 兴奋性刺激,另一半 接受 假刺激 ( 醒着的参与者也是如此 ) 。一觉醒来,睡眠 条件 的参与者进行了回忆测试,看看他们对之前的单词对的记忆 怎么样 清醒条件的参与者 看完视频后, 也进行了测试 。结果表明与那些处于清醒 条件以及假刺激条件下的参与者 相比,在睡觉时受到兴奋性刺激的参与者能够记住更多的单词对 兴奋性刺激并没有帮助清醒 条件下 的参与者在回忆测试中比那些接受假刺激的参与者做得更好 [6] 。这个实验不仅证明了晚上睡个好觉的重要性,还证明了大脑刺激增强记忆的 作用

为什么这项研究如此重要

本文所讨论的研究表明 tDCS 可以改善大脑的 各项 功能,包括调节情绪和增强认知功能,如注意、学习、问题解决和记忆。但这项重要的研究也提醒我们还有很多东西需要学习。大脑刺激有可能对我们的思维和 感受 产生积极的影响,但目前 tDCS 只能进入大脑的外层。正因为如此,仍有一些大脑功能没有 采用 这项技术探索过。未来,科技可能会进步,穿透位于大脑皮层下方的更深层次的大脑结构。 tDCS 的使用可能会继续 增多 ,所以请密切关注大脑刺激方面令人兴奋的新发现

术语表

神经元( Neuron ): 位于大脑中的细胞,在大脑内部以及大脑和身体之间加工和传输信息。

离子( Ion ): 带电粒子。

电化学( Electrochemical ): 同时使用电能和化学能。

认知( Cognition ): 我们思考、理解、注意、解决问题、记忆信息和感知周围世界的心理过程。

参考文献

[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

单位:美国,新墨西哥州立大学心理学系

原文编辑: Kathleen Y. Haaland

中文翻译:刘斯漫

中文编辑: 张青

中文审校:左西年

中文翻译版权:中国科学院心理研究所 CLIMB

本文转自公众号: 脑与心智毕生发展研究中心CLIMB

声明

免责声明:部分文章和信息来源于互联网,不代表本订阅号赞同其观点和对其真实性负责。如转载内容涉及版权等问题,请立即与小编联系(微信号:913572853),我们将迅速采取适当的措施。本订阅号原创内容,转载需授权,并注明作者和出处。 如需投稿请与小助理联系(微信号:AI480908961)

编辑:Zero

新知图谱, 【Brain】醒醒,大脑!用电来以不同的方式思考和感受

人工智能产业链联盟
+ 关注

更多新知