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当基因技术的魔盒深埋地下之时，大脑的研究同样不见天日。那些迷雾般的岁月里，电刺激是脑科学领域为数不多的曙光。俯瞰脑科学的研究历史，电刺激不仅照耀着脑科学的过去，同样也照耀着脑科学的现在。 电刺激和初级运动皮层的发现1870年，柏林生理研究所的两位青年科学家Gustav Fritsch和Edvard Hitzig，正在对一只长毛的灰狗做一场残忍的实验。 他们娴熟地移去灰狗的部分颅骨，干净利落地切开硬脑膜，暴露出白润红织的大脑皮层。尔后，在额叶插入一根电极，电极的另一端接有电池，电池能提供直流电。当短暂的电流滋滋地输入脑皮层某些位置时，大狗身体对侧的肢体肌肉应声而动。例如，脖子抽搐、面部扭曲、前肢收缩等。 这是大脑运动皮层的首次发现。之后的1947年和1968年，同样是在电刺激的鼎力相助下，人类和猴子的初级运动皮层相继被确认。  猕猴初级运动皮层 初级运动皮层身处额叶，位于中央前回。中央前回像一条又长又粗的蚯蚓盘窝在我们头顶的位置。 系统全面的电刺激让初级运动皮层上著名的“运动侏儒”现形。  初级运动皮层和身体各部位的对应关系 初级运动皮层分配资源的方法取决于运动的精细度。越精细的运动，大脑给予的皮层面积越大。 手、唇、舌因其复杂灵活的运动需求，占据了初级运动皮层较大的面积。而双腿和躯干的运动样式相对简单，所以只覆盖了运动皮层很小的一片儿。如果按此比例将人体重塑出来，一个双手巨大、嘴巴像鳄鱼一样的小矮人就出现了。这个好似马戏团里的小矮人形象就是大脑“运动侏儒”名字的来源。  大脑运动侏儒真身重塑 在运动皮层发现的历史中，电刺激扮演了至关重要的角色。其实，就算在如今的神经科学研究中，电刺激依然频频露脸。 这主要是因为电刺激作为一种兴奋神经元的方法，简单，却行之有效。简单，不单是实验操作上的简单，其背后的原理也不复杂。 神经元的膜电位在安静状态下，神经元膜外正电荷要多于膜内，这使得膜外电位要高于膜内，即外正内负。  静息状态下神经元外正内负 当兴奋性神经递质接触神经元细胞膜，结合其上的受体门控钠离子通道后，受体门控钠离子通道会像城门一样打开，开放的钠离子通道允许钠离子自由通过。由于钠离子膜外浓度高于膜内，钠离子受浓度梯度的驱动会跑向膜内。这会使膜外电压相对膜内变低，即膜电位去极化。 而神经元膜上存在另一种钠离子通道，对电压敏感。膜电位去极化后，少量电压门控钠离子通道也会打开。  膜电位去极化，电压门控钠离子通道会打开 当兴奋性神经递质足够多，受体门控钠离子通道开放的足够多时，膜内外电压差会去极化到某一关键位置，即动作电位的阈值。一旦膜电位冲破这道阈值门槛，电压门控钠离子通道大量开放。钠离子也会洪水般内流，致使外正内负的电位差短时间内拉升反转，变为内正外负。一个动作电位就这样起始了。  动作电位形状 （详细过程请参考：大脑电信号光速传播？其实，速度只比京沪高铁快一些） 而我们的主角电刺激，通过外部电流的输入，直接改变膜外电位，同样也可以引发动作电位。 电刺激兴奋神经元电刺激实验中，科学家在大脑里插入一根电极，电极是一根金属细丝，材质通常为铂铱合金。因为铂铱合金丝稳定，反复电刺激下电阻能保持稳定。同时也不易发生电化学反应，生成铂离子或铱离子。 电极通体紧塑绝缘漆，只在尖端处露出金属的光泽。电极连通着电源的阴极，通电后，大量带负电荷的电子在电极尖端聚集。根据同性相斥、异性相吸原理，脑组织里的正离子会被吸引过来，负离子会被排斥走。  阴极尖端吸引阳离子，排斥阴离子 我们考虑电极尖端附近的一个神经元，其膜外的阳离子被阴极吸走，阴离子大量涌来，这会让膜外电位降低，膜电位去极化。如果电流刺激足够大，会使膜内外电势差达到动作电位产生的阈值，电压门控的钠离子通道就会大量开放，神经元就会兴奋起来。 这便是电刺激兴奋神经元的基本原理。但简单的原理背后，却隐藏着容易忽视的安全隐患。 电刺激的安全性阴极尖端不仅会作用于溶液中本身就存在的阳离子和阴离子，也会让电中性的分子发生氧化和还原反应，生成带电离子。  电刺激会产生氧化和还原反应，生成离子。 氧化还原反应产生的离子，其中一些有毒性。因此，科学家需要一个反向电流逆转这些氧化还原反应，从而将毒性离子反转成初始的非毒性状态。 另外，阴极属性的电极尖端向大脑输入了大量电子，安全考虑也需要收回。并且，电极附近聚集了大量的阳离子，同样要驱散。 完全地反转氧化还原反应，必须注入相同量的反向电流。所以，电刺激通常包含两个时相，一相用来刺激神经元，另一相紧随其后，用来反转氧化和还原反应。  电刺激通常包含两个电流相反的时相 深度脑刺激深度脑刺激是一种实施于人脑的电流刺激，刺激电极通常深埋在大脑深处，故称深度脑刺激。其基本原理如上所述，极其简单，但却广泛应用于多种大脑疾病的治疗，例如，癫痫、帕金森等，这些疾病通常伴随着大脑异常放电。 以帕金森为例。帕金森是一种常见的神经系统退行性疾病，主要影响运动神经系统。病人的常见症状为震颤、运动功能退化等。  帕金森是影响运动神经系统的退行性神经疾病 对某些病人，简单的药物治疗对颤抖无能为力。此时，深度脑刺激可承担起重任。通常，神经刺激器（neurostimulator）会植入大脑深处的一些核团，如内侧苍白球、丘脑、下丘脑核、桥脚核等，通过一连串高频电流刺激兴奋这些核团。这会改变大脑神经网络的发放模式，改变神经递质的释放，最终达到控制病情的目的。虽然深度脑刺激控制病情的原理并不是非常透彻，但效果却很显著。  深度脑刺激，白色的线为埋置的电极装置 |
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