超音波改變大腦、調整心情

圖片來源: pixabay

撰文/陳敦理

●運用超音波探索神經可塑性

醫療上超音波使用超過人類聽覺最高頻率 20000Hz的聲波,按照其頻率高低可以分成兩大類。治療用超音波頻率較低,如復健科物理治療;而診斷用超音波頻率較高,經過處理形成影像,可以掃描人體器官變化進行診斷。已經發表的科學研究顯示超音波還可以調節實驗動物如羊、豬、猴子的神經細胞活動。不止如此,超音波在人體臨床實驗也成功暫時改變許多腦部區域的活動、以及改變視覺 、身體感覺如觸覺、壓覺、痛覺等。

美國亞利桑那大學 (University of Arizona) 心理系與意識研究中心研究團隊攜手合作想知道超音波會對人體情緒造成什麼影響。他們徵求健康的自願民眾進行兩階段實驗,第一個實驗想探討經顱聚焦式超音波 (transcranial focused ultrasound,tFUS) 對情緒的影響,而第二個實驗要測量經顱聚焦式超音波對人體大腦與情感、情緒調節相關部位的影響。

經顱聚焦式超音波 (transcranial focused ultrasound,tFUS) 是持續發展的神經調控新科技,低強度超音波越過頭骨讓醫師、科學家可以用來影響人體腦波模式而產生不同的認知效果像是改變思考推理、問題解決、記憶學習等。比起另外兩種同樣用來改變腦波的非侵入性科技:跨顱磁刺激 (transcranial magnetic stimulation,TMS) (可用來治療憂鬱症)、跨顱直流電刺激 (transcranial direct current stimulation , tDCS) (可用來治療帕金森氏症),經顱聚焦式超音波讓科學家可以更精準來達到人體腦部深處。

第一個實驗共有五十一位自願民眾參與,性別組成有男性二十四人女性二十七人,平均年齡 19.7 歲。研究團隊把參與實驗的民眾隨機分成兩組,第一組接受針對大腦前額葉皮質的右側額下回 (right inferior frontal gyrus ,rIFG) 經顱聚焦式超音波 500 kHz 作用三十秒,第二組為對照組接受相同的實驗程序但是沒有超音波作用。大腦右側額下回與情感、情緒調節有關,這部位的神經活動增加會減少負面情緒。為了使實驗結果客觀,受試民眾和進行數據分析的研究人員都不知道那些人有接受超音波作用。

研究團隊事先通知受試民眾,實驗目的是瞭解超音波對心情的影響,不過沒有告訴他們超音波會讓他們心情變好還是變壞。受試民眾分別在實驗前後第十分、二十分、三十分鐘都要填寫視覺類比心情量尺 (visual analog mood scale,  VAMS) 來評估情緒的變化。研究發現接受超音波刺激的受試民眾在第二十分、三十分鐘開始,填寫心情量尺的整體分數提高,顯示受試民眾心情變得更好。

●超音波讓腦部活動變慢

第二個實驗有九位自願民眾,性別組成有男性五人女性四人,平均年齡 19.2 歲。與第一個實驗不同的地方是這九個人全都接受經顱聚焦式超音波 500 kHz 作用120秒,而且在超音波作用前,以及二十分鐘後還加上使用功能性磁振照影 (fMRI) 來測量腦部活動。同時自願者也分別要在實驗前後第十分、二十分、三十分鐘填寫視覺類比心情量尺。

功能性磁振造影的原理是利用磁振造影來測量神經細胞活動所造成血液流動變化。在我們感覺、記憶、思考同時,大腦內部相關區域神經訊號增加,造成血流量上升,改變腦血管中血紅素濃度形成不同的磁化係數,在磁振影像上產生訊號的高低,可用來研究大腦活動、結構功能的關係。

研究團隊發現健康民眾接受經顱聚焦式超音波作用會改變大腦與情緒相關區域的腦波,超音波刺激讓腦部磁振造影數值下降,也就是大腦活動變慢。之前研究顯示這些區域大腦活動偏高會讓人更能管理控制自己的情緒、進行深沉思考,這兩者都和情緒低落有關。

第二個實驗也發現超音波作用讓受試民眾心情變好。這個研究發現的重要性在於證實經顱聚焦式超音波可以影響健康民眾的心情。之前研究都是針對罹患身心症或神經疾病的病患,發現大腦左側額葉皮質活動高與正向情緒、動機高昂有關,而右額葉皮質活動高則是與負向情緒、動機低落有關,也較容易焦慮、沮喪。

目前科學家認為超音波可能是透過對細胞膜相關構造、構成細胞骨架的微管產生影響造成改變,而微管在神經可塑性、意識都扮演重要的角色。不過超音波為何可以改變人們的腦波以及如何達成,進而影響心情的機制仍然不清楚,需要進一步研究。

 

參考資料:

1、Joseph L. Sanguinetti, Stuart Hameroff, Ezra E. Smith et al. Transcranial Focused Ultrasound to the Right Prefrontal Cortex Improves Mood and Alters Functional Connectivity in Humans. Frontiers in Human Neuroscience,  2020 .

2、陳睿正、呂明桂、蔡崇豪。磁振造影導航聚焦超音波,治療顫抖與巴金森病的新科技。中國醫訊第181期。2020。

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