大腦接受外界資訊的刺激，如視聽信號以物理、化學形式存在，而神經系統只能以神經脈衝的形式傳遞資訊，因此必須把各種物理、化學信號轉變為頻率、節奏、波長等神經脈衝來表示不同的資訊，這一過程稱為編碼。就像人們調節收音機的頻率，科學家目前已在利用一種腦皮層電流描記的方法，精確描記大腦活動時的頻率、波長等神經脈衝並對其進行分析，以獲得有關大腦意識的更多詳情，幫助人們從一個全新角度理解大腦的工作機制。
腦生理學的三種工具
多年來，神經科學家一直在分析大腦在何時何地會活躍。最近，華盛頓大學醫學院研究人員使用了腦皮層電流描記法，這是一種用臨時放置於大腦皮層表面的電極陣列來監測大腦的技術。“分析大腦功能，通常集中於大腦的哪個部位、什麼時候產生活躍。”醫學院的埃裏克·裏奧薩德 (Eric C. Leuthardt)說，而分析大腦活動的頻率、波長為研究腦生理學提供了除腦電圖(EEG)、功能性核磁共振成像(fMRI)以外的第三種主要手段。
功能性核磁共振成像技術主要是利用磁振造影來測量神經元活動所引發的血液動力的改變，在大腦中定位某個功能區。腦電圖則是將電極放在頭皮上，許多神經元同時放電就產生了腦電波，經腦電圖機放大後記錄在專門的紙上，得出一定波形、波幅、頻率和位相的曲線即為腦電圖。放電頻率決定了大腦活躍頻率或波長，這是可以用赫茲或秒週期來計量的。腦電圖對癲癇診斷價值最大，用腦電圖監控外傷或癲癇病人的意識，可以幫助確定診斷和分型，對診斷腦腫瘤或損傷有一定幫助，也可用來研究睡眠。
相比於腦電圖，腦皮層電流描記法( electrocorticography , ECoG)能直接記錄來自大腦皮層的腦波數據。在臨床上，裏奧薩德和其他神經外科醫生用這種方法來鑒別抗癲癇藥物作用源區，繪製出這些區域以便通過外科手術清除病灶。得到病人允許後，他們將電極陣列放在癲癇病人顱骨以下的大腦皮層表面，監控大腦活動波譜，以找到抗癲癇藥物在大腦中的作用源區，與傳統的腦電波監控手段相比，這種方法獲得的結果要更加詳細。
精細解碼腦電波
利用電極陣列收集大腦活躍性頻率的數據，可以獲得更多重要的內部觀察資料。裏奧薩德既是神經外科教授，也是神經生物學與生物醫學工程教授。他說：“EEG只能監控40赫茲及以下的頻率，但是腦皮層電流描記法讓我們能對500赫茲以下頻率的腦電波活動進行監控，從而能完整地研究大腦活動的生理機制，得到更好的信號，並能更準確地定位信號的來源去向。”
裏奧薩德和同事通過電極陣列來觀察外科麻醉後的意識減弱和恢復過程，研究結果發表在去年12月出版的美國《國家科學院院刊》上。他們發現，每個頻率都產生了不同的資訊，這顯示出不同的神經回路會如何隨著意識的減弱而變化。
在失去意識過程中，按某種順序發生了一系列變化，在恢復意識的過程中以相反的順序重復。某個頻率區的活動性稱為伽瑪帶，被認為是神經元與其附近神經元之間交流傳輸資訊的表現，隨著伽瑪帶頻率的下降或回歸，病人失去或恢復意識。
“不管病人麻醉得有多深，某個大腦網路總是以很低的頻率保持活躍性不變，”裏奧薩德說，“大腦活躍性頻率高低頻之間有著某種關聯，這種關聯也不會變，我們推測這可能與某些記憶回路有關。”
在另一篇發表於2月9日《神經科學雜誌》上的研究論文中，裏奧薩德和同事證明了，大腦特定區域的波長可以用來測定該區域在當時執行的功能。他們將一個電極放在多個不同的腦區，包括語言中樞測量腦活性數據，集中分析這些數據顯示，病人的許多資訊可通過腦區中的活性高頻帶獲得。比如：是否聽到了一個單詞？是否準備說出一個他聽到或看到的單詞？是否正在說一個他聽到或看到的單詞？
“一直以來，我們把大腦活動頻率作為一個整體，用來研究一個現象，但我們發現這些頻率並非毫無差別，而是非常多樣。”裏奧薩德說，“我們用腦皮層電流描記法分析這些頻率，可解碼更多的體現大腦活動和認知意向的電流脈衝，因此可更多地從大腦無線電台中獲得資訊。”
科技日報 2011/03/02
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