【探索17-3】從疾病了解人類意識之神經基礎

講師|杜培基 醫師
撰文|林雯菁

自從知道頭顱裡面的腦才是掌管人類行為之所在後,人們開始好奇記憶儲存在大腦的什麼地方、大腦是不是有所謂的語言中樞、腦內不同的功能網絡如何運作才能維持注意力…等諸多問題,當然也會想知道我們的意識究竟是如何從腦中產生及運作的。

對於不同認知功能的神經機制的理解,人類至今為止已經累積許多知識,而這些知識的起點,多源自於病患研究。舉例而言,我們會知道額葉的布洛卡區對語言的產生至為關鍵,是拜失語症病患所賜;我們會發現海馬迴是特定類型的記憶要形成不可或缺的腦部結構,始於對海馬迴被切除的病患H.M.(Henry Molaison)的觀察;同樣的,衝動控制能力需要前額葉的正常運作這項發現也是因為觀察了頭部受傷的鐵路工人蓋吉(Phineas Gage)才得到的。而我們對意識的神經機制的了解,很大部分也奠基於針對不同類型病患的病患研究。在此將介紹以猝睡症患者、植物人、和先天失明者等病患為研究對象的意識相關研究。

●猝睡症

我們每個人每天至少會在兩種不同的意識狀態之間切換,一種是清醒的狀態,一種是入睡後意識喪失的狀態。一般情況下,人們的清醒-睡眠循環處於穩定的狀態,並不會隨意在這兩種狀態之間切換。但患有猝睡症的患者卻可能在無預警的情況下立刻進入無意識狀態,也就是突然昏睡。

這個盛行率約萬分之五的疾病由法國醫師Gélineau於1880年所命名,其臨床症狀包括:過度睡意、猝倒、將睡未睡之幻覺十分清晰、睡眠麻痺、夜間睡眠被切割。如果能找到猝睡症的病因,是不是就能知道切換清醒與無意識這兩種狀態的開關了呢?

歷經一百多年的時間,綜合昏睡性腦炎患者、猝睡症的狗、動物睡眠實驗、以及人類猝睡症患者的研究之後,如今咸信猝睡症是因為下視丘分泌素(hypocretin)不足所致。而下視丘分泌素既能夠刺激清醒迴路,同時又能夠抑制睡眠中的快速動眼迴路。因此有學者認為下視丘分泌素不足之所以會導致猝睡症,是因為在缺乏下視丘分泌素的情況下,清醒與睡眠兩個狀態之間的轉換變得不穩定之故。

●植物人

植物人同多數人一樣,具清醒與睡眠週期,但過去普遍認為植物人的意識是一片空白的。但是,有沒有可能有部分的植物人其實是有意識的,只因受限於身體無法動作,無法做出讓外界可以觀察到的反應,而讓外界誤以為他們沒有意識呢?這是一個合理的懷疑,但要驗證這個懷疑,還得仰賴腦造影技術才行。另一方面,少數植物人得以從植物人狀態回復至最低限度意識狀態。那麼當病患從一個狀態改變成另一個狀態時,腦部出現了什麼變化呢?再者,處於不同狀態的病患彼此間腦部差異最大之處何在?

2006年,由英國神經科學家歐文(Adrian Owen)所主持的一項以植物人為研究對象的研究引起廣泛的注意和討論。在該研究中,歐文等人以功能性磁振造影(functional magnetic resonance imaging)來掃描一名因腦部外傷而被診斷為植物人的年輕病患。從功能性磁振造影的結果可以得知,該名病患能夠正確地遵照指示想像自己在打網球,或是在屋內的不同房間之間移動,顯示她並非完全沒有意識。在另一個規模較大的研究中,研究者利用相似的方法檢驗54名有意識障礙(disorders of consciousness)的患者,發現其中有五名患者能夠遵照指令想像自己進行不同的活動。

另一個研究主軸的研究發現,病患自植物人狀態回復至清醒有意識的狀態後,腦中代謝量改變最大的區域位於楔前葉(precuneus)。同時,比較不同意識清醒程度的個體的楔前葉代謝量也可以發現,普通人的最高,閉鎖症候群病人次之,最低限度意識狀態者更低,而最低的則是處於植物人狀態的患者。除了活動程度與意識程度相關之外,楔前葉和其他腦部區域之間的功能連結與意識程度也有正相關。

●先天失明者的感覺經驗

人類的意識內容之中,視覺佔據了非常大的一部分,畢竟在哺乳動物的大腦皮質中,處理視覺訊息的區域就佔了總數的1/3。但先天或早期失明者的枕葉(也就是視覺皮質所在之處)長期缺乏視覺刺激的輸入,這會使得他們的大腦發生什麼變化?如果以穿顱磁刺激(transcranial magnetic stimulation,簡稱TMS)對枕葉施予刺激,他們會出現什麼樣的主觀感覺經驗?

先天失明者的大腦和一般人的大腦最大之差異處,在於先天失明者的枕葉與其它眾多視覺處理相關區域的體積較小,但他們枕葉的代謝量卻比較高。雖然先天失明者的枕葉不是用來接收或處理視覺訊息,但這不代表他們的枕葉無所事事。相反地,在已知紀錄中,先天失明者的枕葉可能被用在語言處理、注意力、口語記憶、工作記憶、點字閱讀…等多種不同的認知功能上。人類大腦之可塑性由此可見一番。

接下來,假設一位先天失明者將枕葉做為點字閱讀之用,如果使用穿顱磁刺激(TMS)這項儀器短暫地刺激他的枕葉,那他會產生觸覺亦或是視覺經驗呢?當我們刺激一般人的枕葉時,被刺激的人會產生主觀的視覺經驗。也就是,他們會‘看到’某些實際上並未出現在眼前的影像。研究顯示,當先天失明者的枕葉接受刺激時,他們所經歷的主觀經驗是觸覺的而非視覺的。換句話說,他們不像明眼人一樣會‘看到’影像,而是會出現‘手指頭被碰觸的感覺’。

●總結

藉由比較一般人和病患兩者之間大腦的異同,我們得以知曉負責特定功能的神經機制。從猝睡症患者、植物人、以及先天失明者的病患研究結果來看,可以發現人類腦中有一個龐大而多層次的意識神經網絡,包括下視丘、中腦、楔前葉、額葉與頂葉關聯皮質、視丘、和感覺皮質。憑藉著這個網絡的運作,我們才得以在清醒時感知複雜而種類繁複的意識經驗,又能穩定地在不同的意識狀態之間順利切換。

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本文整理自:106/4/15 由杜培基醫師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「從臨床醫學看人類意識的神經機制」演講內容。

 

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