Adolf Beck对大脑自发性节律的发现

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19世纪80年代，脑科学家们专注于确定大脑的哪些部分执行特定的功能。第一种实验方法是切除实验动物脑组织的特定部位，并观察结果。这种方法在20世纪初就已被广泛应用。在许多情况下，这种方法很有用。例如，人们发现一侧大脑半球某些区域的皮质损伤会导致身体另一侧瘫痪，从而找到运动功能的定位，但有时这种方法无法提供任何线索。例如，早在20世纪20年代，美国心理学家卡尔·拉什利就训练大鼠跑迷宫，然后系统地切除它们的一部分大脑，并让大鼠再次执行跑迷宫的任务，目的是探明记忆的存储位置。拉什利发现，大脑皮质的什么部位被切除似乎并不重要。经过数十年的研究，他最终放弃并承认失败。他于1950年得出的结论是，不可能在大脑的任何地方给“记忆痕迹”进行定位[1]。如今，我们在如何对心理功能进行大脑定位的方向上已经走了很长一段路，并且知道，“寻找特定心理功能在大脑中的定位”这个根本假设是错误的。尽管大脑的某些位置确实与具有特定功能的神经元群体相对应（例如，大脑的背侧与视觉功能相关，大脑皮质的布罗卡区与语言表达功能相关），但许多心理功能的完成，需要在大部分脑区的神经网络间进行广泛的信息传递。尽管如此，探索与特定的心理、运动或感觉功能相关的大脑区域和大脑回路这项工作依然非常重要，它不仅有助于我们理解大脑的工作原理，而且对于治疗颅脑损伤和进行神经外科手术也是必要的。

图1 波兰科学家阿道夫·贝克（Adolf Beck, 1863—1942），他在1891年发表的博士论文中记录了放置在实验动物裸露的大脑和脊髓上的电极所产生的脑电波。贝克在第一次世界大战期间被俄国人囚禁了两年。第二次世界大战期间，纳粹分子要把贝克带到亚诺夫斯卡集中营，当时贝克就快要过80岁生日了。他吞下一颗氰化钾胶囊，结束了自己的生命

19世纪80年代，通过简单地破坏一部分大脑皮质来定位控制运动功能区的实验取得了丰硕成果，但是要确定感觉信息在哪里进行处理的问题却复杂得多。人们很早就知道，神经是通过电脉冲来传递信息的。19世纪发展起来的用于记录电信号的设备也为确定传递感觉信息的神经回路提供了一种新技术：在大脑的某个点上放置一个记录电极，来检测对感觉刺激的反应，就像电工用电压表探测电子设备的电路一样。

但是，相比电工使用电压表，19世纪后期的神经科学家所做的事情要困难得多。要知道，对神经系统电活动的所有开创性研究都远远早于电子放大器以及我们现在耳熟能详的任何电子设备的发明。这些实验是在用煤气灯和蜡烛照明的房间里进行的。那时人们使用的交通工具还是马车，更谈不上了解电的基本性质了。请想象一下，没有电气设备，只能用简陋的装置和厨房里可以找到的东西来记录实验动物大脑的电反应，你会怎么做？

当时，用于检测大脑和神经系统中电现象的最灵敏的仪器是弦线检流计。在弦线检流计中，一根磁化的针被一根细线悬在两个线圈之间。当电压通过电路时，针周围的电场会受到干扰，使指针略微偏转，就像指南针在靠近金属物体时那样。由于神经系统的电活动非常微弱，指针的偏转角度非常小，所以需要借助放大镜进行观察；但是，就像在演示PPT时使用激光笔，手的轻微颤动会被激光笔放大一样，如果把一面小镜子固定在细线上并用一束光照射小镜子，那么指针的偏转就可以等同于镜子的反射光的偏转；这样一来，指针的偏转就可以被放大了。镜子将光束反射到一个刻度尺上，我们在刻度尺上可以容易地测量出指针的偏转，就像把孩子的身高画在门框上那样。因此，大脑和神经中的电活动强度不是以毫伏为单位记录的，而是以反射光束偏转的毫米数来度量。请注意，这束指示光不是激光笔。小镜子挂在优雅的抛光黄铜和木制装置内部，它反射的是火光。

图2 阿道夫·贝克在他的早期实验中使用魏德曼检流计记录了脑电活动。在此期间，出现过各种版本的检流计。这里显示的是达松伐耳检流计。请注意悬挂在扭弦上的那面圆形小镜子，它可以将光束反射到刻度尺上，读数大小与测量到的电信号成比例

关于检流计的原理见：https://bilibili.com/video/BV15b4y1i7F5

由古斯塔夫·海因里希·魏德曼、赫尔曼·冯·亥姆霍兹和约翰·丁达尔设计的魏德曼检流计在1874年开发成功时，是同类测量电压变化的仪器中最先进的。1886年，年轻的阿道夫·贝克进入克拉科夫雅盖隆大学（今天的雅盖隆大学），在著名的波兰生理学家拿破仑·齐布尔斯基的指导下进行研究。贝克在研究中就使用过这种检流计。[2]另一个研究神经系统电活动所必需的设备是电极，这在19世纪也是一个难题。金属电极与生理盐溶液（这样才能导电）接触时，会产生严重的电池效应。这些电极因电化学反应而产生电压，于是会干扰神经组织产生的微弱电活动的记录。事实上，意大利科学家亚历山德罗·伏打（1745—1827）和路易吉·加尔瓦尼（1737—1798）关于人体是否会产生生物电的争论持续了数十年之久。质疑者认为所谓的生物电只是因金属探针接触裸露的神经而产生的人造电池效应，就像锡纸碰到金属锉会产生振动一样。为了克服这个问题，人们用非金属电极或浸泡在盐溶液中的纸和织物来接收肌肉、神经和大脑产生的微弱生物电信号。阿道夫·贝克在论文中描述了他使用的电极：“这些（电极）是用黏土浸在1%氯化钠溶液中制成的，它们插在装有硫酸锌溶液的玻璃管中，然后用锌丝连接到魏德曼检流计上。”[3]（贝克的理论研究显然遇到了之前提到过的电池效应的问题；氯化钠就是食盐，而硫酸锌是一种膳食补充剂——两者都可以在现代厨房的橱柜中找到。）

阿道夫·贝克开始了他对青蛙的研究。他仔细地解剖青蛙，把它的大脑、脊髓和后腿暴露出来。贝克将青蛙的腿绑扎好后放在钟形玻璃罩内，里面放上潮湿的棉花，用来增加空气湿度，延缓组织干燥——它看起来就像一道野鸡大餐。与检流计相连的黏土电极被小心地放在青蛙的大脑上，然后用电脉冲刺激腿部坐骨神经，并用电极记录电脉冲造成的反应。电脉冲是由一个感应线圈产生的。它是缠绕在一个圆筒上的导线圈，这组线圈外面还有另一个缠绕导线的圆筒，外部的线圈比内部的线圈多。内部线圈由自制电池供电，当电池与线圈之间的连接断开时，其周围的电场突然消失，这个力使外部线圈突然产生电子振荡，从而产生比电池高得多的瞬时电压。现代汽车的发动机点火的工作原理也一样：当电池和感应线圈内部流过的电流随活塞运动反复通断时，汽车电池产生的12伏电压会在外部线圈中转变为2.5万伏的瞬时高压电脉冲，并在发动机的火花塞上产生强火花。

准备好青蛙和检测设备，贝克开始了他的实验。他充满期待地注视着从检流计射出的光束。他接通了感应线圈的电流以刺激坐骨神经——光束弹了起来！微小的偏转表明，青蛙大脑中与贝克的黏土探测电极接触的部位正在产生电能，这是由于坐骨神经受到电击而引发的。贝克将电极移动到大脑和脊髓的各个区域，并刺激不同的感觉神经，于是，他找到了大脑中处理不同感觉的位置。

在这个实验中，贝克提出了一个更为本质的发现：他注意到，即使没有刺激神经，光束也会剧烈地振动。许多人会认为这些微小的振动是精密测量系统固有的噪声，但是贝克敏锐地得出结论说，他看到的是大脑内涌动的电流所引起的自发性电振荡。他在1891年发表的博士论文中写道：“我们研究的是神经中枢的自发兴奋。”[4]简而言之，这就是脑电波。

图3 狗的大脑对视网膜的光刺激和对前腿的刺激产生电反应的曲线图。这是阿道夫·贝克的博士论文里面的实验，该论文于1891年发表。电信号会引起检流计内部的一根细丝发生轻微扭转，细丝上挂着一面小镜子，镜子可以把反射光束投射到刻度尺上，通过望远镜可以读取刻度

贝克把实验对象从青蛙换成了兔子和狗。他从动物头部的一侧打开颅骨，露出动物的大脑。他发现，当他给动物施加不同的感觉刺激时，动物大脑皮质的特定部位会出现电活动的突然变化：

用光刺激视神经，用声音刺激听觉，用感应电流刺激皮肤的不同感觉神经。为了刺激眼睛，我使用了一条燃烧的镁带。镁带通过特殊的机械装置移动，以使镜子反射到眼睛的火光保持恒定。[5]

令人感到奇怪的是，感觉刺激不但没有增加正在进行的电活动的强度，反而使它减弱了。每次实验，贝克都发现感觉输入抑制了动物大脑皮质中原本持续的电活动。我们现在知道，在施加感觉刺激后，大脑皮质内正在进行的脑电波活动变得不同步了。这就好比一个孩子在泳池边有节奏地往池壁划水一样，最终会产生巨大的波浪，但是如果两个孩子同时以不稳定或“不同步”的节奏划水，那么在水面上产生的波纹就会变小，而且不规则。新的感觉输入以某种方式扰乱了大脑之前由同步电活动产生的较大幅度的振荡。

贝克凭借出众的才华，用最原始的装置就做出了两个基本的发现：一个是他检测到了由感官进入大脑的信号所引起的脑电活动；另一个是他正确地意识到，大脑皮质每时每刻都在自发地产生节律性的电活动，这种持续的电活动会受到感觉输入的干扰。他认为，“有理由相信，对某些中心的刺激会导致其他中心的活动受到抑制……因此，这些受到抑制的中心一定存在某种固有的活动状态，而且被抑制的只是这种内在的固有活动”。[67]大脑这种有趣的反应让他在后来提出了通过控制这些脑电波来止痛的想法，这是今天的前沿研究。经颅直流电刺激和带有植入电极的脑深部电刺激（DBS）都已被用来抑制某些部位的脑电波，以调节疼痛感。更重要的是，正如我们将在下一章中看到的那样，感觉和认知活动会使脑电波突然去同步化。贝克的这一发现已被用于脑机接口（BCI）的开发，从而使人们仅凭思考就能够控制假肢。

💭Adolf Beck对大脑自发性节律的发现