【神經科學】飛進腦中的小宇宙:Glass Brain

■鋼鐵人電影裡的3D大腦星雲不再是科幻場景!美國加州大學兩分校的科學家和電腦藝術家合作,結合科學於科技,實作出即時展示大腦活動的3D動態大腦模型 Glass Brain,讓我們能飛進腦中的小宇宙。

2014 Mainly Mozart活動照片。Mickey Hart (中)、Tim Mullen (右)。Photo Credit: James Chute and [2].
2014 Mainly Mozart活動照片。Mickey Hart (中)、Tim Mullen (右)。Photo Credit: James Chute and [2].
撰文|徐聖修

還記得電影《鋼鐵人3》的劇情嗎?壞博士Killian來到鋼鐵人女友Pepper的公司,在桌上丟了三個小鋼珠,頓時就投影出一顆像宇宙星雲般的3D大腦模型。趁著Pepper驚嘆之餘,Killian牽起她的手走進自己的大腦影像,輕聲在她耳邊說......

當我們還跟著Pepper驚豔於那美麗的大腦星雲時,這項技術的真實版本已經悄悄誕生。這個稱為「Glass Brain」的計劃 [1],由美國加州大學舊金山分校 (UCSF) 的神經科學家 Adam Gazzaley團隊、加州大學聖地牙哥分校 (UCSD) 史瓦茲中心 (Swartz Center for Computational Neuroscience) 的計算神經科學家Tim Mullen及Christian Kothe、電腦藝術家Matt Omernick等人共同合作,主旨在實作出能展示實時 (real-time) 大腦活動的3D動態大腦模型。甚至可以藉由遊戲搖桿及虛擬實境,飛進腦中的小宇宙!

場景拉到2014年5月某個周日,一群音樂家及科學家聚集在美國南加州風光明媚的聖地牙哥,他們來參加當地「Mainly Mozart」的音樂與科學盛會 [2]。舞台上坐著已成為經典的搖滾樂團Grateful Dead的鼓手Mickey Hart,他正在敲打著狂野的節奏。不同於一般鼓手的造型,他散亂的頭髮被一頂黑色的帽子緊緊包覆,眼前罩著一副全黑的護目鏡,樣子十分滑稽。那頂帽子其實佈滿電極,能即時量測Mickey的腦波訊號並無線傳播到後台的電腦;那具護目鏡是當時剛推出的虛擬實境頭戴顯示器Oculus Rift,能讓Mickey看到720度全景環繞的虛擬影像。此時蓄著長髮的主持人Dr. Mullen也戴著一副Oculus Rift走上台。他們背後的巨大螢幕牆突然出現兩個影像,左邊是Mickey看到的虛擬場景,像在宇宙中飛行,他敲打的節奏化為實際的影像在空盪的宇宙中迴盪;右邊則是Dr. Mullen看到的虛擬影像,那竟然是顆如宇宙星雲般的半透明3D大腦模型,而且腦中不同區域還變換著色彩,更有光束在腦區之間咻咻咻地飛過。有趣的是,Mickey敲打的節奏及音符影像,與大腦模型的色彩及光束變換有著美妙共鳴。節奏從柔和緩慢轉為激動亢奮時,大腦活動也變得風起雲湧。

Glass Brain。強烈推薦讀者到Glass Brain官網觀看影片[1]
Glass Brain。強烈推薦讀者到Glass Brain官網觀看影片[1] <圖片出處: https://www.youtube.com/watch?v=dAIQeTeMJ-I>
這酷炫的大腦雲,不只是電腦特效與藝術結合下登峰造極的作品,背後更是科學家挑戰即時偵測大腦活動的里程碑。大腦模型、雲彩及光束般的大腦活動,皆根據真實資料數據計算出來。現在,就讓我們深入探究影片背後的科學 [3]。

細看大腦雲,可將其分為靜態結構和動態活動兩部分。靜態結構包含半透明的大腦模型及金黃色的纖維束,這是根據Mickey的大腦核磁共振影像 (Magnetic Resonance Imaging, MRI) 所建構出來。MRI在醫院已成為基本配備,因為它提供高解析度大腦3D影像,並能區分出不同大腦組織例如灰質和白質,半透明的大腦模型即由此而來。至於金黃色的纖維束,則是利用新的MRI技術稱為擴散磁振造影(Diffusion Tensor Imaging, DTI) [4],它能重建大腦神經纖維束(Axon Bundle)的走向,代表腦區之間的神經連結。

動態活動從何而來?原來就是現場取得Mickey的即時腦波(EEG)訊號。不過腦波是在頭皮表面量到的訊號,要如何變成大腦內部之間的訊息傳遞呢?這分為兩個步驟。第一步是定位訊號源 (source localization)。這方法基於一個假設:腦波訊號是由大腦內部訊號源(一群排列一致且同步活化的神經元細胞)的電活動,經由腦組織、頭蓋骨傳遞到頭皮所測得的混合訊號。根據此假設,便可反過來從測得的混和訊號以及對大腦結構的了解,推算出訊號源位置及活動。就像騎車經過棒球場聽到混合了啦啦隊、樂隊、廣播、觀眾的聲音,繞著球場騎了一圈發現在某個路口聽到啦啦隊的聲音最大,我們便能合理推算(根據對球場座位的了解),啦啦隊站在什麼位子。這也是為什麼需要在頭上擺滿電極了。大腦雲的動態雲彩,就反映了該腦區訊號源的活動,顏色代表該活動的頻率(例如紅色是8-12Hz,稱為alpha波的訊號特徵),強弱則反映該活動的振幅。

第二步是計算訊號源之間的訊息傳遞 (source connectivity) [5]。舉例來說,若A訊號源在時間零點出現了某種訊號特徵(根據訊號的統計性質計算),而這像指紋一樣的特徵在隔了不到一秒的延遲之後於B訊號源被發現。我們便推測A訊號源在這段時間內「傳遞訊息」到B訊號源。反映在大腦雲的模型,就是沿著腦區間纖維束咻咻咻飛來飛去的光束。若想更了解技術細節,請參考Glass Brain官網 [1]。

結合科學與科技的Glass Brain立下了幾個重要里程碑。第一,結合高空間解析度的MRI影像與高時間解析度的EEG訊號,以直覺且創意的視覺效果呈現大腦動態影像。第二,從以往只分析各電極的訊號(channel-level),推向看整體電極的訊號分佈進而分析腦內源訊號的訊息傳遞(source-level)。第三,展示即時處理與分析大量腦波數據並即時呈現結果的可能性。

當然,Glass Brain仍存在許多問題,例如源訊號假設不一定正確,定位源訊號及計算訊息傳遞方法也存在誤差。但最重要的還是它無法解決現今神經科學界的大難題:我們仍無法解讀出Mickey的大腦中複雜的思維與情緒。Glass Brain的雲彩和光束只是描繪大腦的活動。

不過這項即時分析與呈現大腦活動的技術,讓我們能親眼看見自己的腦訊號,很可能在未來應用在大腦問題的檢測與治療。例如許多腦傷病人(腦震盪),大腦結構並無變化但功能出現異常,傳統的電腦斷層及核磁共振造影難以檢測,此時像Glass Brain的功能性造影技術就可能派上用場。另外,腦疾病例如憂鬱症患者,藉由即時觀察及偵測自己的腦波,可客觀了解自己的大腦狀態並學會改變及控制,達到治療效果。當然,這項技術也受到許多電動及虛擬實境的玩家的喜愛。就像Mickey Hart玩著音樂的時候看見自己的腦波隨之律動。想像虛擬實境裡的場景、劇情、音樂會隨著自己的情緒或思維轉變,更添加了一分真實感。不過這樣的未來,究竟什麼時候會來到?且讓我們繼續關注下去。

參考資料:
[1] Glass Brain官網介紹
[2] Mainly Mozart 2014的報導:This is your brain on rhythm
[3] Mullen, T., Kothe, C., Chi, Y. M., Ojeda, A., Kerth, T., Makeig, S., ... & Jung, T. P. Real-time modeling and 3D visualization of source dynamics and connectivity using wearable EEG. In Conference proceedings: Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, 2013.
[4] Alexander, A. L., Lee, J. E., Lazar, M., & Field, A. S. Diffusion Tensor Imaging of the Brain. Neurotherapeutics : The Journal of the American Society for Experimental NeuroTherapeutics, 4(3), 316–329, 2007
[5] Mullen, T, Delorme, A, Kothe, C, Makeig, S "An Electrophysiological Information Flow Toolbox for EEGLAB" Society for Neuroscience Conference, San Diego, CA, USA, 2010

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作者:徐聖修 攻讀美國加州聖地牙哥分校生物工程博士班,現為科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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