「腦部深層刺激」對記憶究竟是好是壞?

■臨床上,「腦部深層刺激」已被用於帕金森氏症的治療,其他若干疾患也試圖以「腦部深層刺激」作為治療方式。有沒有可能以「腦部深層刺激」來改善受損的記憶功能呢?

圖片來源:Nata Luna Sans(CC BY-NC 2.0)

撰文|林雯菁

自第一個以「腦部深層刺激」(deep brain stimulation)治療帕金森氏症的研究問世至今已將近三十年,這之中多數研究都發現腦部深層刺激對於治療帕金森氏症有相當不錯的成效,是以多個國家都已核准在臨床上使用腦部深層刺激作為帕金森氏症的治療方式。同時,不少研究也試圖尋找以腦部深層刺激來作為其他疾患的治療方法的可行性,這些疾患包括自發性震顫(essential tremor)、癲癇、慢性疼痛、阿茲海默氏症、重鬱症、創傷後壓力症候群、強迫疾患、物質成癮、意識疾患…等。

那麼,「腦部深層刺激」到底是什麼?簡單來說,這是一種直接以微弱的電流刺激大腦,改變大腦神經元活動狀態的技術。臨床上,醫師會先透過手術將微小的電極埋到病患大腦深處的特定位置,之後再透過外部儀器控制這些電極發出微電流脈衝。

其實,研究人員也一直想知道如果對人類的海馬迴或其它和記憶有關的大腦區域施予直接電刺激時,對記憶功能會發生什麼樣的影響註1。因為這不但能幫助我們對於人類記憶的運作模式有更深的理解,也能夠為記憶功能受損的病患發展出新的治療方式。但奇怪的是,這些年來相關研究所得到的研究結果非常地不一致,或甚至出現不少互相牴觸的結果。

舉例而言,2012年發表在《新英格蘭醫學期刊》的一項研究中,使用腦部深層刺激趁著實驗參與者進行空間學習時,對實驗參與者的內嗅皮質(entorhinal cortex)註2施予刺激後,參與者的空間記憶變好了。但在另一個研究中,實驗參與者同樣在進行空間學習時接受內嗅皮質和海馬迴的腦部深層刺激,他們的記憶表現卻比沒有接受刺激時變得還差。還有另一個研究,分別在參與者學習、回憶、學習之後回憶之前的空檔這三個不同的時段對參與者的內側顳葉施予刺激,結果發現只有在學習後、回憶前這段期間刺激,才會使參與者的記憶變差。

這些研究的結果好像非常地混亂,這是怎麼一回事?一項發表於《當代生物學》的最新研究,或許能解開這個疑惑。

在這個最新的研究中,研究者首先紀錄參與者在試圖記下一連串字詞時顱內腦電波(intracranial electroencephalography)的訊號。過往研究已經發現,參與者事後能/不能回憶起一個字詞,可以從他們試圖記下這些字詞時的腦電波狀態看出端倪。如果腦電波的高頻(high-frequency)功率(power)有所增加且伴隨低頻功率的降低,參與者之後便很有可能可以回憶出這個詞;相反地,如果腦電波的高頻功率降低伴隨著低頻功率的增加,參與者之後便很有可能會想不起這個詞。研究者便以此為基礎,訓練電腦區分出參與者成功記住字詞時的腦電波訊號是什麼樣的型態、沒有成功記住字詞時的腦電波訊號又是什麼樣的型態。而且,在字詞出現前一小段時間的腦波型態,就已足夠供電腦準確地預測參與者是否能記住一個字詞,顯示彼時就已經存在有‘適合’和‘不適合’記憶形成的腦部狀態的差別。

在後半段的實驗中,參與者進行了另一階段的記憶實驗。與前半段實驗不同的是,在這後半段的實驗中,參與者在試圖記住字詞時,他們腦內的電極會給予腦部50赫茲的電刺激(這些電極的位置位於內側顳葉或前額葉)。雖然若只看全體參與者的平均值,腦部深層刺激確實使得參與者記住的字詞變少了一些。但若進一步分析便會發現,事情沒有那麼簡單。

在字詞出現之前,若參與者的腦波型態處於適合記憶形成的狀態,腦部深層刺激對這個最佳狀態會造成干擾,導致參與者記不住這個詞。但是若在接受腦部深層刺激前大腦正巧處於不適合或不利於記憶形成的狀態,腦部深層刺激卻是會使腦部轉換成適合記憶形成的狀態,於是參與者便記住了這個詞。簡言之,腦部深層刺激並非只是單純地使記憶功能變好或變差而已,還牽扯到施行刺激時大腦的狀態為何。若是原本狀態大好,便會被破壞;若是原本狀態不佳,便會獲得改善。

目前仍不知道的是,如果以後能夠及時偵測實驗參與者的腦電波並即時將其加以分析,並且只在遇到不利於記憶形成的狀態時給予腦部深層刺激,這樣是否就能讓參與者的記憶有趨近於完美的表現呢?

 

註1:這類實驗的實驗參與者來源非常有限。因實驗倫理之故我們不可能單純為了進行實驗便動手術把電極置入參與者的頭顱之中,所以研究者只能招募顱內原本就已經置入電極者來參與實驗。目前這類實驗的參與者幾乎都是頑固型癲癇(intractable seizure)患者-患者的癲癇無法以藥物控制,只能採取侵入性的治療方式。而植入電極便是為了在治療前確認癲癇確切的病灶。

註2:內嗅皮質位於內側顳葉,與海馬迴於結構上和功能上都有緊密的連結,是維持記憶功能正常重要的區域之一。

參考文獻:

  1. Ezzyat, Y., Kragel, J. E., Burke, J. F., Levy, D. F., Lyalenko, A., Wanda, P., … Kahana, M. J. (n.d.). Direct Brain Stimulation Modulates Encoding States and Memory Performance in Humans. Current Biology. doi:10.1016/j.cub.2017.03.028
  2. Hanslmayr, S., & Roux, F. (2017). Human Memory: Brain-State-Dependent Effects of Stimulation. Current Biology, 27(10), R385–R387. doi:10.1016/j.cub.2017.03.079
  3. Jacobs, J., Miller, J., Lee, S. A., Coffey, T., Watrous, A. J., Sperling, M. R., … Rizzuto, D. S. (2016). Direct Electrical Stimulation of the Human Entorhinal Region and Hippocampus Impairs Memory. Neuron, 92(5), 983–990. doi:10.1016/j.neuron.2016.10.062
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  5. Merkow, M. B., Burke, J. F., Ramayya, A. G., Sharan, A. D., Sperling, M. R., & Kahana, M. J. (2017). Stimulation of the human medial temporal lobe between learning and recall selectively enhances forgetting. Brain Stimulation: Basic, Translational, and Clinical Research in Neuromodulation, 10(3), 645–650. doi:10.1016/j.brs.2016.12.011
  6. Suthana, N., Haneef, Z., Stern, J., Mukamel, R., Behnke, E., Knowlton, B., & Fried, I. (2012). Memory Enhancement and Deep-Brain Stimulation of the Entorhinal Area. New England Journal of Medicine, 366(6), 502–510. doi:10.1056/NEJMoa1107212

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作者:英國倫敦學院大學(UCL)認知神經科學博士。研究人類行為的腦神經機制。喜歡在《Wen-Jing的科學文獻報告》上與大家分享地球上最新的科學新知。

 

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