用电池提升脑力

微电流也许可以使人精神更集中，创造和记忆能力增强，甚至使人放松，产生欣快或“high”那样的只有成瘾性药物才能造成的感觉。因此最保守地说，将来为大脑“充电”的产品至少会拥有护肤品市场那么大的规模。不过，大脑对人类而言基本上还是个黑盒子，比你桌上的计算机，手边的智能手机复杂得多。计算机也是靠电来传达信号，如果有人对你说用电池就可以使计算机的性能升级，你肯定是不会相信的。想要利用微电流增强脑的功能，必须真正搞清其科学机制。这些科学机制现在还没有完全搞清，所以本文介绍的是一个神经科学领域的正在进行时。

文／吴建永 

用几根导线把一节９V电池和一些电阻连接起来，用其产生的微弱电流通到太阳穴上，就可以有效地增强脑力。你相信吗？这可不是民间科学家在乱搞。类似的研究至少有几百篇正式发表的文章了。在《自然》杂志的科普新闻（Nature 472:156, April 14 2011）里有几个例子：新墨西哥州立大学心理系的克拉克（Vincent Clark）教授有一项美国国防部高级研究项目，旨在用微电流使战场上士兵的头脑更敏锐。他让志愿者在打电子游戏时在头皮上通过由电池产生的微弱电流。结果十分惊人，只需要２毫安左右的电流就可以使人学习能力倍增，而这么微弱的电流基本不会被感觉到。美国国立卫生研究所（NIH）的科恩（Leonardo Cohen）领导的一项研究发现，流过大脑的微弱电流可以明显地提高手眼协调的能力，可以帮助中风偏瘫患者恢复手的运动功能。

更早一些，1960年代英国心理学医生瑞德芳（Joe Redfearn）发现微弱电流可以影响人类情绪，使病人更健谈，甚至傻笑。他宣布用此“傻笑疗法”可以治疗抑郁症患者。他的研究结果虽然轰动一时，但并没有被后人重复。直到多年后，哈佛医学院的福礼格尼研究组肯定了微电场对情绪的作用：通过大脑的微弱电流可以增强人对赌博的抑制能力，减少成瘾行为。

任何东西只要能影响人的精神和心理状态，就一定会引起公众的兴趣。于是有不少楞头青小子拿自己脑袋做实验，并在互联网上交流“high”的体会。一个垒球帽，缝上几个手表电池，这种方法太便宜，太容易DIY了。所以有人担心这方法会被滥用，成为一种另类毒品。很多从事高度创作性工作或处在高度压力下的人往往要靠大麻或其他非治疗性药物（recreational drugs）来提高灵感或减少压力。微弱电流和毒品相比，看起来危害似乎会小些，但很多潜在危险还是不清楚的。

我们的心脏能跳，脑子能想，肌肉能收缩，眼睛能看耳朵能听，所有这些生理功能都需要电来做信号。大脑皮层中有200亿个神经细胞，个个都是小电池。在我们清醒的时候，大脑皮层中大多数神经细胞在静息的状态下细胞内维持一个大约负0.06伏的电压，叫作静息电位。只要使一个神经细胞的静息电位改变百分之一伏，就可能大大改变它的兴奋性。大脑皮层内神经细胞的静息电位只要下降百分之一伏（达到负0.07伏左右），人就会出现完全没有意识的深睡或麻醉状态。反之，我们在实验中常常人为地把静息电位提高百分之一伏，神经细胞就会变得非常兴奋。百分之一伏只是我们日常９伏电池的千分之一左右。所以只要让微弱的电流流进大脑，就很可能会与大脑皮层中的神经细胞互动，进而影响大脑的功能。

但仔细分析，事情又不那么简单。想得到我们希望的效果（如加强记忆，增强创造性）而非伤害（如癫痫、精神症状和上瘾等）还是非常难的。大脑对人类而言基本上还是个黑盒子，比你桌上的计算机，手边的智能手机复杂得多。所以，前面的几个实例，还有医学文献库里的几百篇文献，只不过是像中医实证那样的个案罢了。想要利用微电流增强脑的功能，必须真正搞清其科学机制。这些科学机制现在还没有完全搞清。

首先通过大脑的电流是非常微弱的。经过头皮和颅骨的阻挡和扩散，到达神经细胞时产生的电场可能已经减弱到十万分之一，所以不会直接引起任何神经活动（因此也不会被感觉到）。早在2000年，华盛顿大学的雪夫教授来乔治城大学做了一个报告，讲他关于微电场对大脑皮层的影响的一个课题。当时，我和很多神经生理学家一样，深受教科书知识的洗脑。教科书告诉我们，神经细胞的活动是“全或无”（即0和1，与计算机的数字信号一样）。所谓“无”状态就是我们前面说的静息状态，膜电位在-60毫伏。而所谓“1”的状态则是一个非常短暂的“动作电位”，就是膜电位从静息状态上跳约90毫伏，然后立即返回静息电位。整个过程不过千分之一秒左右。神经细胞利用这些短暂的动作电位像打电报那样传递信息。要使神经细胞的状态从0变到１，需要使静息电位上扬并达到负45毫伏的门槛(阈值)。自19世纪以来神经科学兴起，在大多数电生理研究中，使神经细胞兴奋的办法是用一个短促而强的电流，使神经细胞的膜电位从静息的-60毫伏上升20-30毫伏并跨过阈值。与此相比在雪夫教授的实验中，微电场只能使静息电位改变0.1毫伏，远不能达到使神经细胞兴奋的阈值。

究竟这么小的微电场是否真能改变神经系统的活动，还是必须要用实验来证明。两年后，雪夫教授请我去给他的学生福朗西丝（Josef Francis）当博士答辩的外聘委员。福朗西丝的博士论文详细地描述了雪夫教授的微电场实验。他们用大鼠的脑组织在体外验证微电场对大脑皮层的影响。福朗西丝把大鼠的大脑皮层切成卡片纸那样薄的脑片并沁入温暖的人造脑脊叶，这样脑组织就可以在没有血液循环的环境中存活很多小时。然后他在溶液中加入药品，使神经细胞活动产生一个大约每秒一次的放电节律，用此来模拟大脑皮层永远不停地活动的状态。在这种状态下他加上一个均匀的微电场，看看神经细胞放电的节律是否会有改变。结果十分惊人，福朗西丝发现只要非常低的电场就可以改变神经细胞发放的节律，比预料的整整低了一个数量级。

弗朗西丝的博士论文引述了1960年代一组神经科学家提出的一个划时代的想法：既然神经细胞活动能在脑皮层内产生电场，而外源的电场也能影响神经细胞的活动，那么神经活动产生的电场是否能反过来影响神经活动呢？那个时候实验能力没有现在发达，但是他们还是用脑片的实验证实，癫痫活动引起的电场确实能影响癫痫活动本身。

时间到了2009年，耶鲁大学麦康米克（D.McCormick）教授的一位博士后弗理克（F.Frohlich）把这个想法做到了极致。他们巧妙地把脑片和电子线路连在一起，利用脑片里神经细胞的电活动来控制对脑片施加的微电场。他们让脑片在体外产生一种像深度睡眠一样的慢波电活动。然后通过电子线路测量这个电活动的频率和相位，让产生一个于此几乎一样的微电场回馈到脑片上。这样，外加的微电场与脑片自己产生的慢波电场就能叠加在一起。他们发现改变外加电场的相位就可以使脑片慢波的节律加快或减慢。这就证明，即使像睡眠波那样非常微弱的微电场也能明显影响脑皮层的神经电活动。

为什么这些实验的结果和教科书知识大相庭径？因为教科书里讲的是经典的，静止的单个神经细胞的情况，并没有考虑微电场与大脑皮层中大群不停活动的神经细胞互动的具体情况。首先，大脑中的神经细胞只要动物活着就永远处于活动状态。不停活动的神经细胞是没有阈值的。静息电位的变化，不论多么小，也会改变细胞产生动作电位的几率，使其动作电位的频率变得快些或慢些。这就象当一辆汽车处于静止状态时，一阵小风肯定不会使之由静到动。但当汽车处于行驶状态时，小风也可以使它的瞬时速度变得快些或慢些。第二，在大脑皮层内主要兴奋性神经细胞，“锥体细胞”(占皮层内神经细胞总数的70%)是整齐地排列地由内向外排列的，经头皮的弱电流虽然很弱，但会同时对整齐排列的上亿神经细胞产生同样的效果。这样虽然对每个细胞的影响小得不可测量，但上亿细胞综合起来的效果也许就很可观了。第三，一般施加微电场的时间比较长，通过时间的积累也许会使弱效应增加。因为如果按时间乘以电流来计算影响能力，微电场注入系统的影响也许会超过一个强但非常短的电刺激。

我是在2008年左右开始对微电场与大脑皮层互动这个问题产生兴趣的。我实验室的主要课题是研究脑皮层里面的“群体事件”(population events)，就是大一群神经细胞怎样动态地协同活动以完成一个功能。大脑皮层的所有活动，无论是感觉，运动还是睡眠，都是由此起彼伏的群体事件产生的。这些神经群体事件虽然是微观的脑细胞的活动，但由于包含了亿万个细胞，就能造成在脑壳外边都能看到的宏观现象，这就是在脑电图上波动。

大脑皮层很像人类社会，亿万个神经细胞就象活在世上的亿万个人。大脑的功能必须由成千上万个神经细胞的群体事件来实现，这就象人类社会中只有成千上万成员组成的集团如国家、大财团或大政治集团的行为才能左右世事；单个神经细胞的对整个大脑的影响是微不足道的，就象个人的行为对整个社会运行是微不足道的一样。可是，有时候单个神经细胞的活动也可以瞬间引起上亿神经细胞的群体事件。我的研究，就是搞清在什么情况下一个神经细胞的活动可以星火燎原，引起神经群体事件，而又在什么情况下个别神经细胞的活动会被完全忽略。

我实验室的一个专长是用光学成像方法研究群体神经电活动。我们用一种特殊的染料把神经细胞染色，当神经细胞兴奋时染料分子的颜色就会改变，这样通过观察颜色改变的成像技术，就可以研究神经群体事件的产生并以怎样的时空特征持续下来。在我十几年的研究中所看到的神经群体事件，都是以兴奋波的形式存在并扩布。图五右边是用成像观察法看到的一个典型的神经群体事件，神经振荡。如果不用成像方法，只观察一个点，就只能看到一串波动，好象是一个群体事件。但是我们用成像方法看两维空间，就会发现实际上是一连串群体事件，每一个振荡波都有自己的起始点，并由起始点向四周扩布。

我们的实验也是在小鼠大脑皮层的脑片上进行。当大脑皮层切成脑片后就脱离了从皮层下结构传来的节律性活动，会变得异常安静。在这种异常安静的状态下更容易研究在外加电场下神经群体事件的形成机制。

用光学成像方法研究电场作用有个明显的优点，就是让被测量的神经电位不受外加电场的干扰。上面说过微电场对神经细胞膜电位的影响在0.1毫伏的数量级，而电场在测量电极上引起的干扰却可信号大几百倍，在这种情况下测量是很困难的。我们用光学方法测量神经电活动就不受外源电场的干扰，就可以观察到用别的方法看不到的现象。

我的助手伟峰教授和研究生拜仁进行了一系列实验，明确证明微电场确实能在脑片这个十分安静的神经环境下引起一系列神经群体事件。在我们的光学成像中，这些神经群体事件向火焰一样，从一个个小亮点向四周扩散，在神经细胞群里形成一大片“兴奋云”。

看到微电场造成的兴奋云，我们也很兴奋。首先，我们直观地看到兴奋云是从一个小点开始的，这就说明当一大群神经细胞同时受到电场作用时，只要有个别细胞或一小群细胞最敏感，最先兴奋起来，就会通过兴奋云感染周围同样受到电场作用却没有达到兴奋阈值的神经细胞，由此兴奋云越来越大，甚至会影响到电场作用之外的神经细胞，在一大片脑皮层中造成一个群体事件。前面讲过大脑皮层的所有活动都是由群体事件产生的。由微电场产生的群体事件和皮层本身活动的群体事件可以互相加强或减弱从而改变皮层的功能。

其次，这个实验能够解释为什么很小的电场就能引起皮层的大规模神经群体事件，而同样的电场却不能引起单个神经细胞的兴奋。在大脑皮层中总有少数神经细胞处于活动状态，即使在脑片的安静环境中也大约有1%的神经细胞在随机地自发活动。百分之一虽然是个小概论事件，但在一片脑片中有几百万个神经细胞，几百万的１％就是几万个细胞。在没有电场时这些细胞的活动是随机的，像噪音一样彼此消涨。当电场作用于皮层时，阳极电场（皮层表面为正极，深层为负极）或阴极电场（皮层表面为负，深层为正）会分别提高或降低神经细胞的自发活动概率。这样微电场就把原来是随机的活动整合起来，并通过神经细胞之间的广泛的相互联系产生可以扩散的兴奋云。由此分析神经细胞之间的广泛相互联系是产生兴奋云的基础。为了证明这点，伟峰和拜仁在实验中用化学药品减弱了神经细胞之间的联系。在此条件下即使把电场增加十倍也不能引发一个群体事件。如果没有细胞间的互相联系使随机活动变成可以扩散的兴奋云，自发活动的神经细胞再多也不能形成具有规模的群体事件。

我们的研究结果提示，微电场像一只看不见的神秘之手，悄悄地改变大脑皮层中神经细胞活动的概率。虽然对于单个神经细胞来说，其活动概率的微小变化是几乎不能察觉的，但对于一块脑区这样的宏观尺度，上亿神经细胞在微电场作用下同步地改变活动概率就可能触发可以扩布的兴奋云，进而改变这个脑区的活动。我们下一步的工作是从离体脑片实验进步到整个动物的整体实验,看看微电场引起的兴奋云是否能与大脑在感觉，运动等功能时产生的兴奋云互动。

在医学临床方面深部大脑的电刺激已经普遍应用，但是深部大脑刺激必须经过有创伤的手术过程，如果无创的经头皮微电场能够影响大脑的功能，也许能有其临床应用价值。

神经科学是个大系统，我们的研究小组就像其中的一个细胞，我们的日常工作，比如把小鼠脑片放在显微镜成像或在溶液里加点什么药品，看起来好象是和社会没有多少联系。但是这些看似无用的基础研究也会有小的概率触发神经科学中的群体事件，甚至持续下去引发应用研究（translational research），导致价值万亿美元的商业行为。

前面讲过微电流也许可以使人精神更集中，创造和记忆能力增强，甚至使人放松，产生欣快或“high”那样的只有成瘾性药物才能造成的感觉。因此最保守地说，影响大脑的商品至少会拥有像影响皮肤的商品那样大的市场。与女性化妆品商业类似，广告商至少可以利用那种似是而非的“科学”宣传来推销各种健脑产品。

当然，微电场影响大脑这个事实对公众引起的担忧也可以是惊人的。自从开始商业用电，公众就对电磁辐射这个看不见摸不着的东西隐隐不安。您听说过用手机辐射能致癌的谣言吧？手机发射的电场比福朗西丝加在脑片上的电场要强几万倍呢。如果谁证明了手机辐射可以改变大脑活动，那么手机产业这个万亿美元的帝国就会受到威胁。手机发射的电场都是百兆赫兹以上的高频，而福朗西丝用的电场0.1-５赫兹的极低频。我曾经让我的博士生拜仁沃夫（Brian Wolff）做过在不同频率下电场对脑片的影响。他发现频率每升高10赫兹，电场的作用就减一半。当频率升到30赫兹，电场的持续效果基本就没了。照这个指数递减的尺度，手机的频率比有作用的频率高了上亿倍，是不可能直接影响脑细胞活动的。

(2013年８月３日于盖瑟斯普镇)