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超声波可以改变大脑、调整情绪吗?

医疗上超声波使用超过人类听觉最高频率 20000Hz的声波,按照其频率高低可以分成两大类。治疗用超声波频率较低,如康复物理治疗;而诊断用超声波频率较高,经过处理形成影像,可以扫描人体器官变化进行诊断。已经发表的科学研究显示超声波还可以调节实验动物如羊、猪、猴子的神经细胞活动。不止如此,超声波在人体临床实验也成功暂时改变许多脑部区域的活动、以及改变视觉、身体感觉如触觉、压觉、痛觉等。

美国亚利桑那大学 (University of Arizona) 心理系与意识研究中心研究团队携手合作想知道超声波会对人体情绪造成什么影响。他们征求健康的自愿民众进行两阶段实验,第一个实验想探讨经颅聚焦式超声波(transcranial focused ultrasound,tFUS) 对情绪的影响,而第二个实验要测量经颅聚焦式超声波对人体大脑与情感、情绪调节相关部位的影响。

经颅聚焦式超声波(transcranial focused ultrasound,tFUS) 是持续发展的神经调控新科技,低强度超声波越过头骨让医师、科学家可以用来影响人体脑波模式而产生不同的认知效果像是改变思考推理、问题解决、记忆学习等。比起另外两种同样用来改变脑波的非侵入性科技:跨颅磁刺激 (transcranial magnetic stimulation,TMS) (可用来治疗忧郁症)、跨颅直流电刺激 (transcranial direct current stimulation , tDCS) (可用来治疗帕金森氏症),经颅聚焦式超声波让科学家可以更精准来达到人体脑部深处。

第一个实验共有五十一位自愿民众参与,性别组成有男性二十四人女性二十七人,平均年龄 19.7 岁。研究团队把参与实验的民众随机分成两组,第一组接受针对大脑前额叶皮质的右侧额下回 (right inferior frontal gyrus ,rIFG) 经颅聚焦式超声波500 kHz 作用三十秒,第二组为对照组接受相同的实验程序但是没有超声波作用。大脑右侧额下回与情感、情绪调节有关,这部位的神经活动增加会减少负面情绪。为了使实验结果客观,受试民众和进行数据分析的研究人员都不知道那些人有接受超声波作用。

研究团队事先通知受试民众,实验目的是了解超声波对心情的影响,不过没有告诉他们超声波会让他们心情变好还是变坏。受试民众分别在实验前后第十分、二十分、三十分钟都要填写视觉类比心情量尺 (visual analog mood scale, VAMS) 来评估情绪的变化。研究发现接受超声波刺激的受试民众在第二十分、三十分钟开始,填写心情量尺的整体分数提高,显示受试民众心情变得更好。

超声波让脑部活动变慢

第二个实验有九位自愿民众,性别组成有男性五人女性四人,平均年龄 19.2 岁。与第一个实验不同的地方是这九个人全都接受经颅聚焦式超声波500 kHz 作用120秒,而且在超声波作用前,以及二十分钟后还加上使用功能性磁振照影 (fMRI) 来测量脑部活动。同时自愿者也分别要在实验前后第十分、二十分、三十分钟填写视觉类比心情量尺。

功能性磁振造影的原理是利用磁振造影来测量神经细胞活动所造成血液流动变化。在我们感觉、记忆、思考同时,大脑内部相关区域神经讯号增加,造成血流量上升,改变脑血管中血红素浓度形成不同的磁化系数,在磁振影像上产生讯号的高低,可用来研究大脑活动、结构功能的关系。

研究团队发现健康民众接受经颅聚焦式超声波作用会改变大脑与情绪相关区域的脑波,超声波刺激让脑部磁振造影数值下降,也就是大脑活动变慢。之前研究显示这些区域大脑活动偏高会让人更能管理控制自己的情绪、进行深沉思考,这两者都和情绪低落有关。

第二个实验也发现超声波作用让受试民众心情变好。这个研究发现的重要性在于证实经颅聚焦式超声波可以影响健康民众的心情。之前研究都是针对罹患身心症或神经疾病的病患,发现大脑左侧额叶皮质活动高与正面情绪、动机高昂有关,而右额叶皮质活动高则是与负面情绪、动机低落有关,也较容易焦虑、沮丧。

目前科学家认为超声波可能是通过对细胞膜相关构造、构成细胞骨架的微管产生影响造成改变,而微管在神经可塑性、意识都扮演重要的角色。不过超声波为何可以改变人们的脑波以及如何达成,进而影响心情的机制仍然不清楚,需要进一步研究。

参考资料:

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