科學人 9月號/2021 第235期

意識電流

新近研究發現，藉由腦中電極刺激不同區域的神經元，能顯示出產生意識經驗的腦圖譜。

撰文／柯霍（Christof Koch） 
翻譯／謝伯讓

試著進入以下情境：
• 前方數公里外有暴風雨，但你必須翻山而過並穿越它。你問自己：「我該如何在暴風雨中翻山而過？」
• 你在黑色背景上看到一個小白點，宛如在黑夜中看見星星一般。
• 你從上方俯視躺在床上的自己，只見到自己的雙腳和軀幹。

這些情境很像來自日常意識經驗中的感覺、記憶、思想和夢境，事實上，它們都是透過腦中電極直接刺激大腦所產生的。一如美國詩人惠特曼（Walt Whitman）在其詩中的直覺描述：「我唱出了身體中的電流」，這些情境描繪出身體和靈魂的親密關係。大腦和意識彼此相連，就像是硬幣的兩面。

最近的臨床研究已發現意識活動的某些定律和規則，這些發現有時令人十分困惑。有研究指出，和意識知覺有關的腦區其實和思考、計畫及其他高階認知功能關係不大。神經科學工程師現在正設法把這些知識轉化成技術，以取代受損的認知功能，並企圖在較遠的未來用以強化感覺、認知或記憶能力。例如最近的一項腦機介面研究，就讓全盲的病人得以有限度感知光線。然而，這些工具也顯示出完全恢復視覺或聽力的困難度。如果你想要像科幻劇情那樣把大腦當成電腦硬碟來存取並達成強化知覺，這些研究結果甚至凸顯出其中一些可能障礙。

電流與身體

神經系統的運作，是在具有開關元件的高密度與高連結網路中傳遞電流。過去兩個半世紀以來，已有無數物理學家和科學家投入研究這個問題，其中最早一位就是18世紀末把電線接上剛死亡的青蛙的義大利醫師嘎爾

凡尼（Luigi Galvani）。在雷暴雨中，他把電線朝向天空，結果蛙腿在每一次閃電時都會跳動。嘎爾凡尼的研究顯示出神經纖維可以傳遞「動物電流」，這在本質上和1752年美國科學家富蘭克林（Benjamin Franklin）透過風箏實驗所發現的「大氣電流」相同。1802年，嘎爾凡尼的外甥阿爾蒂尼（Giovanni Aldini）在公開場合中使用電來刺激一位被斬首犯人的裸露大腦，結果發現他的下巴顫動，還張開一隻眼睛。這場公開展示可能就是英國文學家瑪莉．雪萊（Mary Shelley）創作經典哥德小說《科學怪人》的靈感來源。

後續的動物研究顯示，以電刺激特定腦區可引發特定肌肉和肢體動作。這些研究導致1870年代發現運動皮質。1874年，美國醫師巴瑟羅（Robert Bartholow）在意識清楚的病人身上首次以電刺激大腦。這是一項充斥倫理爭議的開拓研究，因為它讓病人感受到痛苦，而且可能加速病人的死亡。接下來數十年顱內電刺激（iES）技術逐漸改進，1930 ~1950年加拿大蒙特婁神經學研究所的神經外科醫師潘菲德（Wilder Penfield）進行了一項開拓研究，他以顱內電刺激技術繪製出腦中負責動作或感覺功能的區域，這項技術也因此變成了神經外科醫師的標準工具之一。

有些癲癇病人無法透過藥物控制發作頻率或嚴重程度。如果這些病人癲癇發作的源頭是在大腦皮質的可界定範圍中（大腦皮質位於大腦最外層，負責感覺、動作控制、語言、理解等認知功能）或是鄰近腦中結構（例如海馬回），神經外科手術就成了控制癲癇發作的選項。不受控制的大腦過度活躍起因於腦區連結錯誤，這些異常神經活動會增強甚至影響整個大腦運作。醫師很難決定該摘除多少腦組織：摘除過少無法去除癲癇，摘除過多則會導致病人喪失視覺、說話能力或行走能力。外科醫師必須避開那些負責日常行為的重要皮質區域，例如主要聽覺、視覺、體感覺、運動皮質，以及負責理解和說話的腦區，也就是所謂說話中樞（eloquent cortex）。顱內電刺激可用來找出應該保留哪些腦組織。醫師會把圓盤狀的電極植入頭顱中，置於堅硬的硬腦膜（dura mater）下，又或者在灰質中植入細針般的電極以探測該區的功能。在醫師找到癲癇發作的源頭時就可取出電極，然後以手術摘除該組織，病人通常就不再癲癇發作......

玩物思古更憂今

文／影像來源：李家維

疫情中，我多數時間窩在家裡。閒暇之際，動手為多年來蒐集的錯金銀青銅器去垢清鏽。紅斑綠鏽中終於露出了精緻的黃、白光彩，確有古意。戰國時代已能鍛造鐵件，用之在青銅器上開出溝槽，再把黃金、白銀鑲入其中，繼之打磨平整，就成了璀璨的錯金銀器了。這犀尊的背部有可開闔的蓋子，上面錯了當時盛行於楚國的鳥蟲文，我試譯之為「子乙之」，應是一位名為「乙」的貴族所有。

現今仍無法對青銅器明確定年，若無出土記錄，而銘文資訊又有限時，要判斷其為古物或新仿就相對困難了。分析材質、觀察鏽色和形制，是少數可用的間接手段。首先戰國金多雜有銀和銅，若測之為99純金，必得存疑。另外青銅是銅、錫和鉛的合金，若測之為宋代才有的高鋅黃銅，就是不到代。我找來手提式的X射線螢光分析儀，細細為每件錯金銀青銅器「健檢」。它能對金屬做定性及半定量測量，結果符合預期，我當然開心。

接著我順手拎出角落裡的青銅人面盉，測出銅錫鉛之外，竟有約7%的銥！古物界公認人面盉是商代孤品，存世僅一件，藏於美國的弗利爾美術館（Freer Gallery of Art）。當初我在古玩店見之，只當它是價廉的高仿品標本，不料竟還有不可思議的高量銥。銥是地殼中最稀有的元素，因有重要的高科技用途，時價是黃金的三倍有餘。若此分析無誤，這五公斤重人面盉的銥，即值我購價的百倍。當然這是存疑的初步測量，可能是儀器資料庫的分析對比有誤，接著該做破壞性取樣分析。但這讓我想起了結束中生代的第五次生物大滅絕，銥是關鍵證據。

6600萬年前，一顆直徑12公里富含銥的小行星，猛然撞上地球。海嘯、世紀大火和地震之後是火山群爆發，噴逸出的大量溫室氣體造成全球增溫。這是滅絕超過75 %物種的悲慘情節。小行星破裂四散的漫天灰塵，落地後形成含高量銥的薄薄土層，是這事件的明確見證。跨政府氣候變遷研究小組（IPCC）的警語聲聲催，暖化引發的第六次生物大滅絕迫在眉睫，〈在阿曼打造岩石儲碳重鎮〉這個大膽的計畫，或許是救地球的最後招數。

【關於封面】密集躍動的七彩流線穿梭大腦而過，其中幾處有光點閃耀，讓人聯想到，腦中的神經系統時時刻刻傳遞著電流，經由電生理訊號產生我們的感官經驗。然而，腦中電流如何引發意識？現今科學家透過電刺激技術，為這個古老的心物問題尋求答案。

神經科學
30 意識電流
撰文／柯霍（Christof Koch） 新近研究發現，藉由腦中電極刺激不同區域的神經元，能顯示出產生意識經驗的腦圖譜。

神經科學
36 刺激桶中之腦
文／曾祥非 以人為方式直接在腦內產生神經活動，讓意識活在虛擬世界，聽來科幻，但現行腦刺激技術已經能使人產生感官或意識經驗的變化，進而提升認知能力或改善疾病症狀。

物理學
42 加速粒子換新招：電漿╳雷射
文／鳩希（Chandrashekhar Joshi） 欲獲致劃時代的基礎物理發現，科學家或許得借助電漿與雷射，設計出前所未見的強悍粒子加速器。

生物學
50 演化的「渴」求
文／羅辛格（Asher Y. Rosinger） 水驅動人類的演化史，我們排汗調節體溫的機能，以及找尋生活環境中乾淨水源的策略，都彰顯水形塑了如今的人類。

氣候變遷
58 在阿曼打造岩石儲碳重鎮
文／福克斯（Douglas Fox） 阿曼境內的地函岩石具有絕佳的固碳能力，透過人為方式可加強反應規模。該國展開的試驗能否成為解決碳排放問題的契機？

微生物學
68 海底細菌活化石
文／佛雷塞（Jennifer Frazer） 受困於海洋沉積物一億年的微生物甦醒了，而且還有繁殖能力，越來越多證據顯示，它們的壽命或許沒有極限。

科學與藝術
72 對焦自然真善美
文／《科學人》雜誌編輯部 等待、屏息，捕捉科學身影，大飽眼福。

永續發展
78 疫情之下 思考永續
文、攝影／科塔里（Ashish Kothari） 新冠肺炎席捲全球，全球化體系面臨挑戰，然而遍佈各地的小型社區，透過自主自治的永續替代方案，展現人與自然相處之道。


科學人觀點
6 刺青密碼：紋身銘心的自我實現 文／曾志朗

總編輯的話
8 玩物思古更憂今 文／李家維

10 讀者論壇

12 科學人新聞
意念書寫 電腦打字｜「最白」塗料可降溫｜一覽世界科技進展｜火星有地底生物？｜是病毒或細菌感染呼吸道？｜鑽石裡藏地殼史｜估算氣候變遷的代價｜血中DNA片段揪出病灶｜基改雜草除毒物｜科學剪影｜瞄準氣味受體來驅蚊｜植物學家也是外貌協會

形上集
26 萬伯格去世 文／高涌泉

教科書之外
28 連鎖反應的威力 文／陳文盛

專家看新聞
89 農藥毒害地球土壤 文／敦利（Nathan Donley）、甘斯頓（Tari Gunstone）

科學佐以詩文
90 伊莉莎白．阿格西 文／藍道爾（Jessy Randall）

健康與科學
94 抗生素療程該縮短 文╱華立斯（Claudia Wallis）

科學焦點
96 壞科學格外有人氣 文／歐瑞斯克斯（Naomi Oreskes）

生物手記
98 邀黑翅鳶來捕鼠 文／洪孝宇

科學人書摘
102 減量vs.創新 文／摘自《巫師與先知》

圖表會說話
106 鳥類數量比一比 文／莫斯柯維茨（Clara Moskowitz）


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問，時間為何物？（2016/9/20全新出版） 台灣大學物理系教授 高涌泉 專文導讀

窺探大腦（2016/10/20修訂版）  中央研究院院士 曾志朗 專文導讀

發現天文之美（2016/11/20修訂版） 國立自然科學博物館館長 孫維新 專文導讀

掌握數位生活（2016/12/20全新出版） 台灣大學資工系教授 林守德專文導讀 活靈活現動物行為（2017/1/20全新出版）金鼎獎科普作家 張東君 專文導讀