歐美二大腦科學研究計畫同年啟動、互別苗頭！

淺談腦磁圖儀(Magnetoencephalography，MEG)

郭錦龍醫師

二十一世紀是腦科學研究的世紀

大腦是一個相當複雜的器官，身體其他器官沒有一個比大腦還要複雜，即使是世紀天才愛因斯坦據說也只用了3%左右的大腦功能。如果我們能破解大腦的神祕功能及其運行機制，人類將有機會徹底解決數世紀以來無法解決的神經退化性疾病，如：帕金森氏症、阿茲海默症等等。

然而過去由於放射造影技術的侷限，神經科學的發展一直無法有所突破，許多理論都建基在推測基礎上。直到1980年代中期以後，腦成像(brain imaging)技術的快速進展，搭起不同領域研究人員之間的合作橋樑，使得腦科學發展突飛猛進，直至今日，腦科學的研究已經逐漸取代上一世紀的研究重點「人類基因體計劃(Human Genome Project)」。

人類基因體的研究被科學界視為生物學界一個重大的研究計畫，媲美曼哈坦原子彈計劃（Manhattan Project）和阿波羅登月計劃（Apollo Project）。美國曾於1988年到2003年一共耗資38億美金在這個計劃上。如今「人類基因體計劃(Human Genome Project)」在美國已告尾聲，新一代的嶄新重點計畫便是腦科學的研究計畫。著名的認知神經科學(cognitive neuroscience)始祖之一，美國科學家Michael S. Gazzaniga表示21世紀是腦研究的世紀(the century of the brain)；美國老布希總統也宣稱1990年到1999年為腦研究的十年(the decade of the brain)，可見腦科學研究已成為當今科學研究的顯學之一。

歐美二大腦科學研究計畫同年啟動、互別苗頭

腦科學時代從20世紀初開始蓬勃發展。2005年，瑞士的洛桑聯邦理工學院(École Polytechnique Fédérale de Lausanne)成立一個「藍腦計畫(Blue Brain Project)」，由瑞士科學家Henry Markram主持，這個計畫的目的為透過逆向工程模擬哺乳類大腦來創立一個人工大腦，以了解人類意識的本質。

緊接著最有名的二大腦科學研究計畫在同年(2013年)展開，分別是歐盟的「人類大腦計畫(Human Brain Project)」及美國的「大腦活動圖譜計畫(BRAIN Initiative/Brain Activity Map Project)」。這兩項大型研究計畫正式揭開腦科學時代來臨。

2013年1月28日，歐盟宣布以12億歐元，將近500億台幣支持一項為期10年的重大研究計劃，稱為「人類大腦計畫(Human Brain Project)」。這是歐盟惟二超過10億歐元的研究計畫之一。這個計畫由86個歐洲機構和一些北美及日本的重要研究機構共同執行，目的是透過超級電腦來模擬人類大腦。一旦成功創建虛擬大腦後，未來新藥可以跳過人體試驗，大幅節省新藥研發時間。

世界大國美國老大哥當然也不甘示弱，美國總統歐巴馬在2013年4月2號宣布以每年3億美元為期10年(總計30美元)展開一項稱作「大腦活動圖譜計畫(BRAIN Initiative/Brain Activity Map Project)」的研究計畫，這是一項被美國人認為可與「人類基因體計劃(Human　Genome　Project)」相媲美的科學研究計劃，這項計畫的最終目的是定位(mapping)人腦中每個神經元的功能活化區域，進一步在分子層面發展新的技術來瞭解神經活動及人腦的運轉方式，企圖破解如老年癡呆等不同腦部疾病的致病機轉，以尋求有效治療方法。

(引用自http://blog.brainfacts.org/2013/04/barack-obama-neuroscientist-in-chief/#.VMUXYf6Uf0R)

腦磁圖儀(Magnetoencephalography，MEG)

所謂工欲善其事，必先利其器。在腦科學研究領域，科學家擁有相當多的研究利器(圖一)，各種成熟的腦成像(brain imaging)技術皆有其特色，都能提供相當重要的腦部相關訊息。由圖一可知，越右上方的腦成像工具，越能提供腦部活動時更複雜的網絡連結資訊，其中腦磁圖(Magnetoencephalography，MEG)在各腦區功能解讀及偵測腦部活動的影像呈現上是相當重要的研究工具。

人類腦部神經活動是藉由電位傳導產生，傳導過程中會產生磁場變化，腦磁圖儀(MEG)便是偵測這個磁場變化。腦磁圖最早在1968年由Cohen首次利用單一感應線圈記錄人腦活動磁場以研究腦磁圖的alpha波，並將研究結果發表在國際權威雜誌「科學(Science)」上。目前腦磁圖已從最初單一感應線圈發展到上百個到306個多重感應線圈的全頭型腦磁圖儀(whole-scalp　MEG)。由於腦磁圖(MEG)的特點是非侵入性、不具放射性且檢查時間短，近年來腦磁圖已經廣泛應用在基礎及臨床研究上；不過由於造價昂貴，仍無法廣泛應用在臨床檢查上。

腦磁圖儀(Magnetoencephalography，MEG)

腦磁圖儀原理

根據法拉第定律(電生磁原理)，腦部神經細胞興奮所產生的電流會同步誘發產生腦部磁場的變化。由於一條神經元電流所產生的磁場過於微弱，所以腦磁圖儀(MEG)必須偵測整群神經細胞同歩整合電位【興奮性突觸後電位(exciting post synaptic potential, EPSP)和抑制性突觸後電位(inhibitory post synaptic potential, IPSP)的總和】所形成的磁場變化。然而即便如此，腦皮質神經之磁場仍十分微弱，只有50-500 femto-Tesla (1 fT = 10^-15 Tesla)，相當於地表磁場的一億分之一。有鑑於此，James Edward Zimmerman與其同事於1970年發展出裝配「超導量子干涉元件(superconducting quantum interference devices，簡稱SQUIDs)」的腦磁圖儀來增強腦磁訊號。此外，受測者必須在磁場防護室(magnetically shielded room，牆面由數層aluminum及mumetal構成)隔絕外界磁場干擾(magnetic background noise)，才能清楚記錄到腦部磁場變化。

腦磁圖儀之優點及缺點

腦磁圖有良好的空間解析度(spatial resolution)，它可以偵測小到minimum size of pixels的腦部活化區域，優於PET及fMRI；不過腦磁圖無法偵測同步活化的所有腦區，尤其離頭部感應器越遠的深部腦區，這方面的空間解析度便沒有PET及fMRI那麼好。另一方面，腦磁圖有絕佳的時間解析度(temporal resolution)，相對於PET及fMRI以分鐘(minutes)或秒(seconds)來計算，腦磁圖可以達到毫秒(milliseconds)甚至亞毫秒(sub-milliseconds)的程度。近年來，腦磁圖的訊號分析方法大有進展，能把腦磁訊號投射並對位到腦部磁振造影T1結構影像。

腦磁圖應用之現今與未來

腦磁圖(MEG)可用以研究大腦皮質認知功能相關的區域，進一步探討知覺、注意力、語言、記憶、執行、控制及情緒之功能。除了神經心理外，腦磁圖(MEG)亦可應用於神經生理相關的研究，包括觸覺、嗅覺及疼痛等。此外，腦磁圖(MEG)可探討特定腦區彼此間之功能聯結關係，以建立相關之神經網路(neural network)。臨床上腦磁圖(MEG)也被用於許多神經及精神疾病的研究，例如：中風後的各項身體機能之恢復情形、精神疾病患者的腦功能異常、兒童過動症、自閉症及失智病人的記憶變化等等；甚至腦磁圖亦被應用在癲癇病灶定位及手術前後特定腦區變化之評估。

近代腦磁圖的醫學及心理學應用相當多樣化，且腦磁圖在醫學及心理學研究上的相關分析方法仍持續發展中。值得注意的是，腦磁圖在腦機介面(Brain-Computer Interface或Brain-Machine Interface或Mind-Machine Interface)領域上的研究近年來正如火如荼地進行中。腦機介面也稱作直接神經介面(Direct Neural Interface)或心靈感應介面(synthetic telepathy interface)，是結合大腦與機器的一種介面技術。過去腦波圖(electroencephalogram，EEG)是最常拿來應用在腦機介面的工具，現在由於腦磁圖的時間解析度(temporal resolution)比腦波圖更好，越來越多人利用腦磁圖開發相關的腦波遙控科技。此外，也有人研究利用腦磁圖的訊號來記錄其所代表的意識含意。如果未來該技術見臻成熟，心電感應或許不在是個遙不可及的夢想，因為人與人之間都可以透過腦磁圖的腦機介面技術來透視彼此的內心世界；不過這又衍伸出隱私權的問題，不肖歹徒可能利用這個技術侵犯個人隱私，不可不慎！

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