腦科學

腦科學研究發展史

古文明

在古文明以前人類最初的醫療,與動物大致相同,依照本能而為之,包含撫摸傷處、食用藥草,有效的方法就留存,無效方法就捨去。而後人類開始相信惡魔、神明等超自然的力量,因此出現了巫醫、薩滿或魔法師。隨者文明的萌芽,醫學才得以跟著發展。

四大古文明:埃及、美索不達米亞、印度與中國在醫學上,接有不同的發展(賴敏裕譯,2010),與腦科學相關的包含埃及與美索不達米亞文明。最早的腦功能定位見於1862年Edwin Smith的埃及外科紙莎草紙(papyrus)抄本,根據內文,腦科學的研究大約公元前2500年至3000年間就已經存在。這本紙莎草紙抄本裡共有48例觀察報告,詳細描述身體不同部位的病變,當中有8例為腦部相關外傷等,就內文來看,大多為戰爭所導致的傷害,以此推論這可能是透過研究戰爭所造成的腦部傷害與行為變異關係的最早記載,而此類型也是20世紀初期常見的研究方法。轉至另一個古文明發源地-巴比倫,以用楔形文字在黏土板上記載醫學內容(賴敏裕譯,2010),但由於粘土書版易碎,目前收藏在費城大學博物館的黏土板還能勉強辨認出內容(詹克明譯,1987)。

古希臘

人類歷史上對於腦的好奇心。可追溯於古希臘時代,西元前四百年左右,現代醫學始祖,Hippocrates(B.C. 460~377)將醫學從古希臘盛行的思辨哲學中解放出來。當時,Hippocrates學派的醫生已經知曉癲癇是因為腦部受傷而引起。但是,實際上這個學派只有解剖過動物的頭顱,因為那時的希臘人是非常厭惡人體解剖,但對於腦的解說在希波克拉底的文章中,針對癲癇病人有詳細說明,也提及當一側大腦半球受傷,身體令儀測會產生痙攣或抽蓄,也提醒不要在顱骨顳葉的傷口做盲目穿刺,以免發生對對側身體麻痺(詹克明譯,1987),Hippocrates過世後,希臘的醫學存在的各種派系。西元2世紀,Galenus(129~199)認為由感覺器官出來的神經是傳到腦部。在當時,Galenus為了證實此一論點,而對腦部進行壓迫,他發現壓迫腦不會造成人體運動停止而死亡(陳成福譯,1990)。由於當時的羅馬法律是禁止人體解剖,因此Galenus主要是對動物進行解剖,在人體解剖上,只有從受傷的戰士的傷口中觀看內部的臟器,對於動物的所有實驗,皆為了完成他獨門的「精氣論」,其醫學觀與後來的基督教的世界觀不謀而合(賴敏裕譯,2010)。

中世紀

中古世紀的歐洲,為教會所控制,在教會的庇護下,Galenus的「精氣論」學說獨霸歐洲醫學界,天主教徒完全抹殺Galenus之外的醫學,因此,歐洲的醫師將希臘與羅馬的醫學從拜占庭帶到東方的阿拉伯(賴敏裕譯,2010)。

文藝復興

當時,官方已經頒布:精神的活動,實質上是由腦部所掌管。1300年,Reisch,(1467-1525)出版:《睿智的珍珠》(Margarita Philosophica,1504),以圖示描繪出不同腦區,掌管不同事務,例如:感覺、想像、幻想由前腦所掌管(相當於今日所說的左右側腦室)。但是,以上皆為透過人類想像。大腦實際的樣貌,需要等到Da Vinci(1452-1519)於1490年左右畫出腦部的解剖圖才讓人得以關其全貌。

在教會的壓抑底下,醫學教育都困於Galenus的學說內,停滯不前,再加上天主教禁止人體解剖,直到十三世紀才允許以學問或研究為目的的人體解剖。醫學發展的轉機,要講到文藝復興的解剖學者Vesalius, A.(1514~1564)的人體解剖學書出現,Vesalius年僅23歲,就當上帕多瓦大學的外科學與解剖學教授,在當時,當局為了配合他,還調整死刑犯的處刑日期,因此,Vesalius有非常多的機會可以觀察人體內部的機會,也發現Galenus根本沒做過人體解剖。由於在大學任教,他瞭解視覺可加深印象,特別請專業的畫家、雕刻師等將詳細的解剖圖解重現於木板畫上,1543年人體構造論(Fabrica)七卷問世(賴敏裕譯,2010)。

工業革命後

18世紀末葉,各個腦科學主要分為兩個學說。其一為主張「功能定域化論」者(localizationist),該學說認為不同的腦區,會負責不同的功能(楊玉齡譯,2012)。其中代表學者為維也納的醫生Gall(1758~1832),他以顱相術著名,認為人類的性格是根據腦的形狀所掌控,當某一種能力增強,支配該區的腦就會增大,附蓋於上方的腦蓋骨也會因此隆起,在當時Gall將腦的功能,劃分出41區,而有趣的是,語言功能被劃分於前額葉,與現在的腦科學認知的布洛卡區(Broca)完全符合(陳成福譯,1990;詹克明譯,1987;楊玉齡譯,2012)。

相對學說則為「多工分散論」者(distributionist),該學說認為大腦需視為同一群體,透過神經網路、腦皮質,將彼此聯繫(楊玉齡譯,2012)。其中代表學者為巴黎的生理學家Flourens(1794-1867),他用不人道的方式破壞動物各部位的實驗結果,主張大腦皮質的各部份機能等值,而所有的活動皆由大腦皮質全體做用所產生,但Flourens主要觀察的動物為鳥類,而鳥類的大腦皮質並不如人類,因此在當時有受到質疑(郭俊顯譯,2004;陳成福譯,1990;詹克明譯,1987)。

Broca區的發現

Bouillaud(1796-1881)從觀察腦炎的患者得出,語言與前額葉有相關,並公開支持Gall腦部分區說。1861年法國生理學家Broca(1824-1880)提出一份觀察報告,發現左前額葉受損的病患,嚴重者會喪失語言能力以及右半身癱瘓。布洛卡區掌管語言,與人類生活息息相關,因此,在19世紀,局部論能獲得較多的支持者(陳成福譯,1990;郭俊顯譯,2004;詹克明譯,1987;楊玉齡譯,2012)。

直至19世紀末,英國神經科醫生Hughlings-Jackson(1835-1911)提出大腦功能階層論,他認為語言,屬於複雜的行為,需由高層腦區單一作用,如:Broca區,相對於語言來說,簡單的反射動作,則由大腦皮質區做用即可,並不需要由特定的大腦區塊才能運作。但在19世紀末,大腦功能階層論並不受到醫學界的重視,直到20世紀Head(1860~1940)再次提出此論點,醫學界才重新重視此學說(陳成福譯,1990)。

腦波的發現

1875年,英國的Caton(1842-1926),於兔子頭表皮放置電極,接上檢流器後,發現腦會產生電流的現象,實驗結果於英國醫學會上展示,但並無受到太大的注意,直到1890年,波蘭的生理學家Beck(1863-1941)利用狗來做實驗,也得相同結果,並發表於當時廣為閱讀的雜誌Centralblatt für Physiologie上,此時卡頓向雜誌投書,聲明他為最早發現的人,卡頓於15年前的實驗,才為人所知。

卡頓實驗後,經過40年左右,德國精神科醫生Berger(1873-1941)才成功完整記錄人腦電位變化記錄。1929年貝爾格發表關於人的腦電圖的論文,提出人腦流出的電流活動會因為睡眠而變化,並於論文中提及腦中缺氧與麻醉劑對於腦電波的影響。而最早發現的腦電波段為1908年記錄正常人靜靜閉上眼睛所呈現10Hz左右的規則波,特用希臘字母第一個字Alpha為其命名,睜眼凝視東西時,α波會漸漸消失,會20Hz左右低振幅的波形,貝爾格將其命名為β波。而後經由英國著名生理學家Adrian(1889-1977)實驗證實之後,很快受到世人的注意。而艾德里安為了表示對被貝爾格的尊敬,特將α波也稱之為Berger rhythm(貝爾格波)(陳成福譯,1990;郭俊顯譯,2004)。

腦研究之方法

研究腦科學相關議題的方法非常多,包含:神經解剖學、神經生理學、神經藥理學、神經化學、生理心理學等,針對腦與行為所用之方法可分以下四種:破壞法、刺激法、電流活動記錄法、神經化學測定法。

以時間前後來分,破壞法與刺激法早在西元1世紀左右就出現,對象通常為死刑犯或是動物。1892年左右,腦定位固定裝置發明,1930年,技術達純熟後,便應用此方法證明視丘下部與大腦邊緣系統關係到進食行為、飲水行為和攻擊行為。破壞法包含,有外科手術切除法、電流破壞法、切斷法、可還原破壞法;刺激法則包含,有電流刺激法與化學物質刺激法,但不論是破壞法還是刺激法都非常不人道,從1930年代後期至1960年間,所有實驗的動物從未被麻醉,就直接進行實驗。

同一時期,電流活動記錄法也慢慢盛行,主要到1950年才真正應用到睡眠品質研究,但在此時,如要收集完整的腦波,還是需要用鑽子將腦蓋骨鑽開一個洞,讓電極可放入。最後為神經化學測定法直到20世紀末期(包含腦內葡萄糖、腦內神經傳達物質),科技發達後,技術才純熟(陳成福譯,1990;郭俊顯譯,2004;詹克明譯,1987;楊玉齡譯,2012)。

腦波概述與測量

腦波一般分為:δ波(delta,3Hz 以下)、θ波(theta,4-7Hz)、α波(alpha,8-12Hz)、β波(beta,14-30Hz)、γ波(gamma,31-55Hz)、λ波(lamba)、σ波(sigma)、κ波(kappa,α波的一種)、μ波(mu節律),共九種。

δ波,又稱沉睡波,通常出現於第三與第四期睡眠,或是大腦損傷或昏迷病患的睡眠;θ波為潛意識的腦波,與記憶、情緒、信念、個性有關,是靈感與創造力的來源;α波,又稱鬆弛波,為1908年由德國精神科醫生Hans Berger所發現,由於是第一個被發現的腦波波段,因而使用希臘字母第一字Alpha來命名,α波是意識與潛意識之間的橋樑腦波,是想像力的來源,通常在個體閉眼,或放鬆的狀態下出現,主要分布位置為腦部後方,枕葉(occipital lobe)與頂葉(parietal lobe)的位置最強;β波,又稱為忙碌波,屬於低振福,高頻率的腦波,通常出現瑜為清醒時,主要是智力(邏輯思考、推理、計算)所需的腦波來源,壓力較大或是過於緊張也會出現β波,主要分布位置為大腦前方,額葉(frontal lobe)位置最強;γ波,是覺醒與專注的代表腦波,在大腦活動增加或執行特定工作時,相關的局部大腦皮質會有增強的現象,通常與認知有相關(莊佩旻,2005;孫光天、許家彰、李耀全、孫嘉臨,2007;楊玉齡,2012;歐秀慧,2006;關尚勇、林吉和,2007;Guðmundsdóttir,2011)。

後四種波形,一般在非醫學類的學術論文較少提及。λ波,為視覺誘發電位(visual evoked potential,簡稱VEP),為眼睛受到光線刺激後100毫秒時,枕葉位置會記錄到的正電波,如同希臘字母「λ」的型狀,會出現在枕葉位置,故名之。σ波,為睡眠紡錘波(sleep spindle),現在已少用此名詞。κ波,特指在額葉或前顳葉(anterior temporal lobe)所記錄到的α波,出現原因為人腦在做計算時,眼球會快速轉動而造成的干擾波(artifact),若壓住眼球,此波變會消失,因此,又稱為眼球撲動波(eye flutter)。μ波,為出現於左右腦之中央區的α波,因為波形像梳子,又像希臘字母「μ」,故名之,此種α波並不會因為張開眼睛而受到抑制,除非想要移動對側的四肢才會消失,通常出現在年輕人的大腦中,左右不對稱出現(關尚勇、林吉和,2007)。

腦波訊號的強度僅為數十微伏特(μV),因此需要透過機器將數值放大一萬倍才能辨認,因此往往容易受到外界干擾或雜訊的影響而失真。腦波主要是神經學的檢查,對於非腦結構性病變引起的腦功能異常最有診斷效果,但如果要判定受傷區塊,需使用電腦斷層攝影(computerized axial tomography, CAT)或磁振造影(magnetoencephalography, MEG)。

目前昂貴的大腦顯影儀器如下:腦電圖儀(electroencephalography, EEG)、電腦斷層掃描、正子放射掃描(positron emission tomography, PET)、功能性核磁共振腦造影(functional magnetic resonance imaging, fMRI)、大腦磁振造影、區域性腦血流量(regional cerebral bloodflow, rCBF)(郭俊顯譯,2004;歐秀慧,2006)。