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梵高：星空（圖片來源於網路）
原文作者：Helen Thomson，科學記者，著有《不可思議：穿越世界上最奇特的大腦的非凡旅程》（Unthinkable: An Extraordinary Journey Through the World s Strangest Brains）。
2015年3月，Li-Huei Tsai在她的實驗室為老鼠建造了一個「舞廳」。她每天都會把它們放在一個有閃光燈的盒子里，讓它們在裡面待一個小時。這些小鼠被研究人員特殊處理過，它們的大腦能產生β-澱粉樣蛋白血小板，這是阿爾茨海默病的一個標誌。Tsai後來解剖它們，發現與同時段身處暗處的老鼠相比，暴露在閃光燈的老鼠的血小板水平顯著降低。
Tsai是麻省理工學院的神經科學家，她將結果檢查了一遍又一遍。她說：「我簡直不敢相信。」她的研究小組用閃爍的光清除了老鼠中的一部分澱粉樣蛋白。閃光燈的頻率被調到40赫茲，旨在操縱嚙齒類動物的腦電波，引發一系列生物學效應，消除促進血小板形成的蛋白質。儘管將阿爾茨海默病小鼠模型的研究結果複製於人類是非常困難的，但這項實驗提供了一些誘人的可能性。「結果很令人難以置信，但是證據確鑿，無可挑剔。我花了一段時間才能理解這個結果，但我知道我們需要想方法在人類身上嘗試同樣的事情。」Tsai說。
「腦波領域的研究呈井噴狀態……你的每個腦區都承擔著某種功能，不同的人正在嘗試使用額外的顱刺激。」神經科學正在各個領域掀起浪潮。
科學家們在大約100年前發現了大腦中持續不斷的電活動，但他們一直努力發現這些電波在行為或大腦功能方面的決定性作用。已有的研究結果將腦電波與睡眠過程中的記憶鞏固緊密聯繫起來，表明腦電波涉及處理感官信息的輸入和意識的協調。然而，並不是每個人都相信腦電波是有意義的。「我們目前真的不知道腦電波在做什麼。」哥倫比亞大學的神經科學家Michael Shadlen如是說到。
現在有越來越多的證據，包括Tsai的發現，有助於我們了解神經系統疾病，比如阿爾茨海默病和帕金森病。研究工作可以提供預防或逆轉這些疾病造成的損害的方法。有二十多個臨床試驗嘗試用閃光燈和音樂的節奏來調節腦電波，但大多數試驗都是直接用電流刺激大腦或頭皮。這樣做的目的是治療失眠、精神分裂症和焦慮障礙等一切病症。
Tsai的研究是初次觀察腦電波操縱的細胞反應。「她的研究結果真是個大驚喜，」美國國家神經疾病與中風研究所主任Walter Koroshetz說，「這是一個新奇的發現，這將引發非常有趣的跟風。」
腦電波是由德國心理學家Hans Berger首先發現。1929，他發表了論文描述他觀察到的重複電流波形，當時他將電極放在人的頭皮上。這是世界上第一次腦電圖記錄，但當時沒有人對此給予重視。Berger是一個頗具爭議的人物，他在他的大部分職業生涯中都試圖找出心理現象的生理基礎。幾年後，他的同事才開始證實結果，Berger的發明被認為是進入大腦活動的窗口。
離子流進出神經元細胞會產生電脈衝，神經元以這種電脈衝進行交流。雖然單個神經元的放電活動無法被電極拾取和記錄成圖，但當一組神經元一次又一次同步放電時，相應的電信號就會穿透大腦，被電極捕捉到。
頻率最高的腦電波是γ波，範圍從25到140赫茲。人們通常在注意力高度集中時表現出這種腦電活動。在頻率譜的另一端是δ波，它的頻率最低，大約在0.5到4赫茲之間，通常發生在深度睡眠。
來源： H. Marzbani, H. R. Marateb & M. Mansourian BasicClin. Neurosci. 7, 143–158 (2016)
在任何時刻，往往都有一種腦電波佔主導地位，儘管其他腦電波在一定程度是同時存在的。科學家們一直在想，腦電波的嗡嗡聲究竟有何用途。在過去的30年里，已經出現了一些研究成果。例如，1994年一項對老鼠的研究表明，睡眠中的腦電活動的不同模式反映了以前的學習經歷。科學家們認為，這些腦電波可能有助於鞏固記憶。
腦電波似乎還會影響知覺。加州大學伯克利分校的Randolph Helfrich和他的同事們想出了一個辦法來將γ波的頻率提高或降低40赫茲左右，他們使用的是一種被稱為「經顱電刺激」的非侵入性技術。通過調整腦電波，他們能夠影響一個人是否能感知視頻中的做水平或垂直運動的圓點。
腦電波還提供了一種潛在的機制，即大腦如何從一次刺激感官的混亂交響樂中產生連貫的體驗，這就是一個被稱為「捆綁問題」的難題。你接受到的視覺、聽覺等信息總是捆綁在一起的，而不是脫節的。通過同步對同一事件的神經元放電頻率，腦電波會確保所有有關某個對象的相關信息在正確的時間到達正確的腦區。加州大學伯克利分校的認知神經學家Robert Knight說，協調這些信息是感知的關鍵，「你不能只祈禱它們自己組織起來」。
但是這些腦電波在某些疾病中會被打亂。例如，在帕金森病患者中，當身體運動功能受損時，大腦的運動區域通常會開始出現β波增加的現象。在健康的大腦中，β波在身體運動前受到抑制。但在帕金森病中，神經元似乎被困在一種同步的活動模式中。這就導致了僵硬和運動困難。英國牛津大學研究帕金森病的Peter Brown說，目前治療該病癥狀的方法是使用腦深部刺激和藥物左旋多巴，它們可能通過減少β波來起作用。
阿爾茨海默病患者的γ波在減少，因此Tsai和其他研究者想知道γ波的活動是否能夠恢復如昔，以及這種恢復是否會對阿爾茨海默病產生療效。
他們開始利用光遺傳學，讓腦細胞能夠直接回應閃光。2009年，Tsai的團隊與Christopher Moore合作，首次證明可以利用光遺傳學技術激發老鼠大腦特定區域的γ波。
Tsai和她的同事後來發現，調控腦電波會引發一系列生物事件。具體來說，它能引發基因表達的改變，導致小膠質細胞（大腦中的免疫細胞）改變形狀，然後這種細胞進入清道夫模式，處理大腦中的有害雜物，比如β-澱粉樣蛋白。Koroshetz說，腦電波與神經免疫的聯繫是新奇的和驚人的。他說：「像小膠質細胞這樣的免疫細胞在大腦中的作用是非常重要和難以理解的，是目前研究中最熱門的領域之一。」
如果說調控腦電波為治療方案帶來了曙光，那麼Tsai和她的同事們必須找到一種操縱腦電波的微創方式。特定頻率的閃光燈能影響到大腦某些部位的電波，所以研究人員轉向了光控方式。他們從一開始就把澱粉樣物質聚集在閃爍的LED燈上。這導致了遊離澱粉樣蛋白的下降，但這是暫時的，持續時間不到24小時，而且僅限於視覺皮層。
為了在動物身上產生更持久的效果，他們在一周內每天重複一個小時的實驗，這一次使用已經開始形成澱粉樣蛋白的老年小鼠。實驗結束二十四小時後，這些動物與對照組相比，視覺皮層的澱粉樣蛋白減少了67%。研究小組還發現，該技術降低了tau蛋白，這是阿爾茨海默病的另一個標誌。
見文章《Nature: 重磅！破解阿爾茲海默病特徵性的tau蛋白纖維結構》。
老年痴呆症的澱粉樣蛋白最早會對海馬產生負面影響，而不是視覺皮層。為了激發需要的腦電波，Tsai和她的同事們正在研究其他技術。例如，在嚙齒類動物身上施加40赫茲的噪音，似乎會導致海馬中澱粉樣物質的減少——也許是因為海馬靠近聽覺皮層而不是視覺皮層。
Tsai的同事Ed Boyden是麻省理工學院的神經科學家，他們現在已經創辦了一個名為「CognitoTherapeutics」的公司，在人身上測試類似的治療方法。去年，他們開始了一項安全試驗，其中包括對12名老年痴呆症患者進行測試。
值得警惕的是，阿爾茨海默病的小鼠模型並不是這種疾病的完美反映，許多在嚙齒類動物中顯示出希望的治療方法在人類中都已經失敗了。「我曾經告訴人們，如果你將要得老年痴呆，那就先成為一隻老鼠。」美國國家精神衛生研究所的神經學家和心理學家Thomas Insel 如是說到。
其他人也在尋找操縱腦電波的方式以幫助阿爾茨海默病患者。「我們認為Tsai的研究是傑出的。」哈佛醫學院的Emiliano Santarnecchi說。他的團隊已經使用經顱電刺激技術刺激大腦，他不知道這是否會比閃光帶來更好的效果。「與直接作用於視覺感受器的閃光燈相比，這種電刺激能更精確地作用於大腦。我看到了Tsai的研究結果，我認為明智的做法是在阿爾茲海默病患者中嘗試比較這兩種方法。」
他的團隊已經開始了早期的臨床試驗中，十位阿爾茨海默病患者接受經顱電刺激，時間為連續兩周，每天一小時。第二次試驗時，他與Boyden和Tsai的合作，尋找激活的小膠質細胞的信號和測量tau蛋白水平。預計兩個試驗結果將在年底前完成。
Knight說，Tsai的動物研究清楚地表明，腦電波對細胞代謝有影響，但同樣的效果是否會在人類身上發生是另一回事。他說：「最終，數據會證明一切。」
這些研究也可能揭示風險。斯坦福大學的神經科學家Dora Hermes說，γ波最有可能誘發患有光敏性癲癇的人的病症。她回憶起日本動畫片中的一個著名片段，它閃爍著紅色和藍色的燈光，引起了一些觀眾的癲癇發作。「那麼多人看了那集動畫，那天幾乎有700人去急診室。」
儘管如此，使用神經調控療法治療神經系統疾病帶來的興奮之情顯然越來越多，相比之下製藥公司備受冷落。「有很好的證據表明，通過改變神經迴路的活動，我們可以改善帕金森病、慢性疼痛、強迫症和抑鬱症。」Koroshetz補充說，科研資助機構迫切希望獲得新的、無創的、可以很快投入市場的治療方法。
Phyllis Zee和她的同事們給健康的老年人開發出了一種叫做「粉紅噪音」的聲音脈衝，這種聲音聽起來有點像瀑布一樣，在老年人睡覺的時候發出。他們特別感興趣的是引起深度睡眠的δ波隨著年齡的增長而減少，並且與記憶力下降有關。
到目前為止，她的研究小組發現，這種聲音刺激增加了慢波的振幅，並且老年人記住前一天晚上學習的單片語的數目增加了Knight 說：「外部大腦刺激的作用目前有點弱。」他還說，許多方法都是開環（對研究結果沒有持續跟蹤）的，這意味著他們不會使用腦電圖跟蹤神經調控的效果。他說，閉環研究會更實用。一些實驗，如Knight說：「我認為這一領域正在出現轉機，這吸引了一些嚴肅的研究。」
除了潛在的治療方法外，這些研究還可能打破常規的腦活動領域，有助於更堅定地將其與行為聯繫起來，以及有助於理解大腦作為一個整體是如何運作的。
Shadlen說他對腦電活動在人類行為和意識中起著特定作用的觀點持開放態度。但就目前而言，他仍然不相信腦電對後者具有直接的決定作用——他指的是人們將腦電視為「魔法咒語」，念一句咒語就能控制行為和意識。他說，他完全接受這些大腦節律是大腦過程中的重要信號，「但前提假設是同步脈衝的活動是有意義的，但是以特定頻率刺激大腦如何能影響我們的意識？這需要更多的解釋。
不管腦電波的角色是什麼，Cognito Therapeutics公司剛剛獲得了第二項更大的試驗的批准，它將研究這種療法是否對老年痴呆症患者的癥狀有任何影響。與此同時，Tsai來說，她的研究工作離不開她的個人經歷。她的祖母養育了她，卻患上了老年痴呆症。「她那張困惑的臉在我的腦海里留下了深深的印記，」Tsai說，「這是我們一生中最大的挑戰，我將全力以赴。」
β-澱粉樣蛋白血小板是阿爾茨海默病的一個標誌，與認知功能障礙有關。腦電波與睡眠過程中的記憶鞏固有密切聯繫。
腦電波是由德國心理學家Hans Berger於1929年首先發現。
頻率最高的腦電波是γ波，範圍從25到140赫茲。人們通常在注意力高度集中時表現出這種腦電活動。在頻率譜的另一端是δ波，它的頻率最低，大約在0.5到4赫茲之間，通常發生在深度睡眠。
使用非侵入性技術「經顱電刺激」調整腦電波，可以影響一個人是否能感知視頻中的做水平或垂直運動的圓點。
捆綁問題：我們的各種感覺和知覺是如何稱為一個統一體的？
在帕金森病患者中，大腦的運動區域通常會出現β波增加的現象。目前治療該病癥狀的方法是使用腦深部刺激和藥物左旋多巴，它們可能通過減少β波來起作用。阿爾茨海默病患者的γ波在減少。
神經反饋在治療一系列病症方面取得了一些成功，包括焦慮、抑鬱和注意力缺陷多動障礙。
δ波引起深度睡眠。這種波隨著年齡的增長而減少，並且與記憶力下降和輕度認知障礙有關。
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