你聽不見的超聲波，卻實實在在的影響了你的腦電波

來自專欄行為與認知神經科學

文/@庚潤

聲波本身是一種機械波，既然是波，就包含頻率和振幅，頻率決定音高，振幅決定響度。我們的耳朵並不能聽到所有頻率的聲音，而是只能聽到某個頻率範圍內（20Hz-20000Hz）的聲音，超出20000Hz的聲波就是超聲波。超聲是一種常用的醫學影像設備，我們常聽到的B超、彩超就是向人體組織發射超聲波，通過計算聲波在體內的反射和折射情況，就能對組織成像了，一般超聲常用於腺體和臟器的檢查。近年來，科學家發現超聲波還可以影響人和動物的大腦活動，甚至可以通過激活運動皮層來產生肢體的運動。那麼，超聲波是如何作用到腦組織的呢？

為了解答這個問題，科學家們提出了一系列假說。其中一個假說是：超聲波是通過聽覺神經通路作用到大腦的（不了解聽覺神經通路的童鞋可以先看看淺談聲音的加工）。接下來，科學家們設計了一系列實驗來驗證這個假說。

科學家們把超聲發射器（刺激頻率220kHz）放在豚鼠（就是荷蘭豬）的初級聽覺皮層（primary auditory cortex, A1），並記錄A1中不同層神經元的活動。結果發現A1中第2層（Layer II）神經元（藍色）和第3/4層（Layer III&IV）神經元（黑色）均有很強的活動（圖1(D)）。然後，科學家們將超聲發射器放在豚鼠身體以外的位置，這時A1中的神經元就沒有活動了（圖1(B)）。這是不是說，要讓超聲調控大腦活動，必須要接觸到身體呢？接下來，科學家們又將超聲發射器放在豚鼠的視覺皮層（visual cortex, VC）（圖1(E)）、軀體感覺皮層（somatosensory cortex, SC1）（圖1(F)），左側顱骨外（圖1(G)）和左側眼球（圖1(F)）上，均在A1觀察到了較強的神經活動。這組實驗表明，超聲調控大腦活動需要接觸到受試者的身體才行。

又是誰引起了A1的反應呢？研究者猜測，超聲波有可能是通過聽覺神經通路影響A1的神經活動的，如何證明呢？可以看看A1的上游腦區的神經活動是否也會被超聲刺激所調控。於是，研究者又記錄了ICC（inferior colliculus，下丘，是A1的上游腦區）的神經活動，發現ICC的神經活動的確也被超聲波影響了，且ICC的反應時要快與A1（圖2），也就是說ICC先反應，A1後反應（如果信息是通過ICC傳遞給A1的，那的確應該是ICC的反應先於A1）。

要驗證超聲波是否沿著聽覺神經通路影響大腦活動，我們還需要繼續追溯那些輸入到ICC的神經元是否是必要的。因此，研究者切斷了一些豚鼠的雙側聽神經，發現聽神經切斷的豚鼠（bilateral auditory nerves transected）在接收到超聲刺激時，A1不再有反應了（圖3(D)）。這說明，聽神經對於超聲的傳輸也是必需的。

我們進一步往前追溯，是誰傳遞信息給聽神經的呢？答案是耳蝸中的毛細胞，而毛細胞的活動需要耳蝸中的液體來推動（關於耳蝸的作用，詳見你的耳朵是如何讓你聽到聲音的），那麼，如果去除耳蝸中的液體（圖4 (A)），超聲刺激還會起作用嗎？實驗發現，耳蝸中的液體對於超聲調控大腦活動也是必要的，如果沒有耳蝸中的液體，在給予超聲刺激時，在耳蝸液體去除的實驗組（cochlear fluids removed）豚鼠的A1和SC1中都無法記錄到神經活動，在耳蝸正常的對照組（intact）豚鼠的A1和SC1則可以記錄到比較強烈的神經活動（圖4 (B)）。

以上實驗為超聲波通過聽覺神經通路調控大腦活動提供了證據支持。也就是說，雖然豚鼠聽不到超聲波，如果想用超聲波調控它們的腦電波，這些豚鼠要有健康的耳蝸和完整的聽神經才行。需要說明的是，該研究的實驗對象是嚙齒類動物，在頭部更大的靈長類上是否遵循類似的機制仍需要進一步的探索。

參考文獻：

Guo et al., Ultrasound Produces Extensive Brain Activation via a Cochlear Pathway, Neuron (2018)

歡迎閱讀我的其他文章：

呼吸如何調節情緒

淺談聲音的加工

大腦皮層中各層的分工

酒精成癮的神經機制

發現動作電位的發生機制——Alan Hodgkin & Andrew Huxley

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