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閒話腦神經科學_使用腦深部刺激喚醒腦傷病人
by 陳怡蓁, 2012-08-28 15:51, Views(3116)

使用腦深部刺激喚醒腦傷病人

 

臺灣大學  謝豐舟教授

 

嚴重腦創傷(severe traumatic brain injury)引起的溝通(communication)以及有目的行為(goal-directed behaviors)的障礙一般認為是源自於腦部聯結的廣泛喪失(widespread loss of cerebral connectivity)。嚴重腦創傷之後的知覺障礙(disorders of consciousness)一般認為是無法改變的,迄今也沒有可以回復功能的有效治療。

  近來的研究發現在最低知覺狀態(minimally conscious state, MCS)的嚴重腦創傷病人,意外地有相當規模的腦部聯結仍然倖存。MCS的病人會有偶而且短暫的證據顯示他們仍有對「自我」和「環境」的知覺(intermittent evidence of awareness of self or the environment紐約市維爾康乃爾醫學院(Weill Cornell Medical College)的Schiff及其團隊認為MCS病人的進一步恢復可能是因為這些可能倖存的大規模腦部聯結(large scale connectivity of the brain)的活化程度不足所致。因此他們對一位處於MCS狀態已經六年的病人施以雙側深部腦刺激(Deep brain stimulation, DBS)。刺激的目標是中央腦視丘(central thalamus)。在六個月的雙盲交叉實驗中,證明特定認知所引起的行為(specific cognitively mediated behavior)、功能性的肢體運動及進食均因DBS而改善。Schiff等人認為DBS的效果是因為它補償了正常時由額葉所控制的清醒功能(arousal),此一功能因腦傷而缺損,以致清醒功能不足,使病人的知覺發生障礙。此一研究結果顯示了腦部嚴重創傷病人在長時間之後,仍有恢復某些功能的可能性,因此對MCS病人不應早期就放棄治療。

 

  Jean-Paul Sartre寫道:就某方面而言,選擇是可能的,不可能的反而是不去選擇」(In one sense choice is possible, but what is not possible is not  to choose)。對神經學家而言,獲得知覺是沒有知覺的腦在做選擇要不要獲得知覺。哲學家和科學家也許對知覺的定義有所爭論,但神經學家卻對知覺的沒有的判定沒什麼困難之處。Schiff等人的報告不僅對腦部嚴重創傷的治療帶來了一線曙光,更對知覺的神經生物學基礎開了一扇探索的門戶。

           

刺激視丘內核神經核開啟未受損區大腦皮質

  近年來神經科學的基礎研究開始揭露負責監控與維繫我們與週遭世界互動的腦部系統(brain systems that are responsible for monitoring  and sustaining engagement with world around us),其中一個關鍵部位就是視丘(thalamus),它位於腦幹(brainstern)與大腦半球之間,是進入腦皮質的必經之地(gateway)。

  視丘是由許多神經核組成,其中我們最為了解的是含有從眼睛、耳朵、皮膚傳遞訊息到適當的感覺皮質(sensory cortex)的神經元。不過對大部份的視丘,我們仍一無所知。非人類靈長類研究顯示:有一組視丘神經元可能廣泛地作用於活化皮質網絡(operate more generally in activating cortical networks)。這類可以用鈣結合蛋白(calcium-binding protein calbindin)染上的神經元在視丘所有的神經核均可發現。雖然我們對這類神經元所知甚少,但他們對皮質的聯結似乎與前述傳遞感覺訊號的神經元不同,他們的軸突在腦皮質分佈更廣並且抵達前述傳遞知覺的神經元所未至的皮質層(cortex layer)。此類鈣結合蛋白陽性的神經元占了視丘核(intralaminar nuclei)的大部分,而此區素來已知在清醒(arousal)的功能有其角色。

       

  Schiff等人因此假設:MCS的病人之所以還會有最低程度的知覺,可能是由於清醒系統本身原始的傷害(primary impairment of the arousal system itself),這些病人的腦皮質雖然已經發生不可逆的傷害,不過不少基本的區域仍然保存,藉由刺激視丘內核神經核,Schiff希望能開啟未受損的大腦皮質。神經學家以及神經外科醫生早已使用電極來監測癲癇病人的腦活性,也用來治療嚴重的巴金森氏症,由於腦部本身沒有感覺受器,這些電極並不會引起不適。這些經驗使該研究的倫理問題較易被接受。

  實驗結果,極為戲劇化。在手術置入電極後48小時,此一處於MCS狀態已達六年的病人,顯示增多的清醒以及持續的睜眼動作,還有能跟隨聲音的雙側頭部轉動。Schiff在植入電極後50天才啟動刺激功能,以確定電極刺激的效果並非而來手術本身。在18個月的微調以找出最佳刺激方式的過程中,本來不能言語的病人可以叫出物件的名稱,並且以雙手使用物件,例如將杯子拿到口邊,更令人驚喜的是他可以吞嚥食物,並且由口部進食,顯示他已經不需用胃管進食。

  在微調期之後,Schiff將刺激做系統性的開啟和關閉,以期對DBS的效果有更好的評估。Schiff發現最高程度的清醒和最好的肢體活動確與刺激的開啟有關;與手術前相較,許多功能即使在刺激關閉後仍然比之前進步,顯示刺激的效果可以延伸到刺激停止之後(carry over)

  這些結果為某些腦傷的病人帶來希望,不過有兩點必須注意:

  第一,這只是單一病例,我們需要進一步的對照實驗來回答以下問題,諸如:這種治療對哪一類的腦傷有效?有沒有可以預測療效的臨床解剖或功能性(如影像)指標?

  第二,並非所有知覺障礙的病人都可由視丘刺激得到助益。此一病人具有互動行為的清楚表徵(clear signs of interactive behavior)。手術前許多重要的皮質結構也完整保留。視丘刺激可能增加殘留皮質構造活性的強度與持續性,進而導致較好的清醒狀態與行為改善。此種刺激對已無重要皮質構造的病人應該無所助益,例如缺氧或缺血導致的植物人。

  除了給予某些病人帶來希望之外,Schiff等人的觀察可能給知覺的神經生物學基礎帶來新的線索。認知神經科學正待開始解析導致目的(goal)和行動(action)的資訊處理結構,有人稱之為Intentional framework

 

知覺理論更待突破

  基本上,腦之處理資訊並非獨處於一個抽象的空間,而是必須參考由感覺和記憶得到的資訊,去考慮可能的行動和策略。人腦給我們許多選項─在何種背景(context)之下如何去與周遭的世界互動(how and in what context to engage with the word  around us腦子在無意識狀態下做了許多決定,事實上決定與環境互動本身就是一個無意識決定要我們去有意識(The decision to engage at all is , in effect, an unconscious decision to be conscious)。因此,睡覺中的母親,腦子隨時監測環境中有無她的新生兒的哭聲。我們推測一個正常的無知覺腦子監測其環境有無跡象讓它決定是否要清醒過來,並與環境互動,此一機制當然會因不同的知覺障礙如MCS嗜睡(hypersomnolence)、腦震盪、缺乏意志(abulia, lack of will嚴重憂鬱症而喪失功能。

  以前的知覺理論是依靠一個魔術般的中央執行生理現象(例如共振迴盪(synchronized reverberation))將腦從次知覺狀態提升到知覺狀態。不過若將知覺視為互動的決定(a decision to engage),則知覺也可以用「決定」(decision)以及「注意力的分佈」(attention allocation)那樣的架構來加以解釋。不同於一個中央執行機制,似乎有個腦區網絡來組織休息狀態並且維持對環境的整體導向(There seems to be a network of brain regions that organize the resting state and maintain overall orientation toward context)。此一機制決定是否與周遭互動,及如何互動,它們做的正是沙特認為不可能的事,選擇要不要選擇(They choose whether to choose or not to choose

  這個腦部網絡與視丘內核或腦視丘中那些鈣結合蛋白陽性(calbindin-positive)的神經元有什麼關連當然是個問題,不過知覺狀態需要此區的開啟讓我懷疑,這一清醒現象是否與鈣結合蛋白陽性神經細胞及其相關網絡有關。果真如此,則這些鈣結合蛋白陽性神經細胞可能比電刺激更值得研究。

  以上的討論對知覺的探索只是皮毛,不過似乎已經開始將神經學家與哲學家所說的知覺拼湊在一起。

 

 

推薦讀物

1. Michael N. Shadlen & Roozbeh Kian: Neurology: An awakening. Nature 448:539, 2 August 2007.

2. Sartre, JP: Existentialism and human emotion(Carol, New York, 1984)

3. Schiff ND et al: Behavioural improvements with thalamic stimulation after severe traumatic brain injury, Nature 448:600, 2 August 2007.