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大腦運動區研究的演變 -- 從 1800 年說起
2009/04/27 10:50:39瀏覽2289|回應0|推薦20
vota-1vota-2 1800 年, Alessandro Vlota 發明的 Votaic pile,是第一個可以連續提供電源的裝置,也是現代使用電池的由來。在兩種不同金屬盤如「鋅」與「銅」之間,墊上一塊布或是紙板,就成了一個電池的元件,當電解質溶液潤濕金屬板間的介質,電池就開始運作,若需要強一點的電力,就把同樣的電池元件重複堆疊。

Votaic pile 的發明,為十九世紀開始的電生理研究,開啟第一道門。
elect-sti-decapitarte 1802 年,義大利 Giovanni Aldini 等人在Bologna 大學,進行了一項相當駭人的實驗。他們取得剛被斷頭的死刑犯屍體,以 Votaic pile 進行電刺激,除了經過皮膚刺激身體各部份可以誘發肌肉收縮之外,直接把電極置於大腦表面的腦膜施予刺激,也可引起臉部肌肉抽搐或眼睛打開等動作。這個實驗所提供的證據,提供大腦對頭部肌肉控制的有力證明。
beevor-1890 1890 年,Beevor 和 Horsely 以大腦表面電刺激的方式,進行猴子大腦運動區的研究,研究結果顯示有很大的區域與運動控制有關,但不區域控制身體不同部位的運動,大腦皮層的腹面區與頭部有關,背面區控制腿部運動,兩者之間則是手部控制區。基本上,1890 年對腦部運動區的瞭解,已經建立相當的雛型,但是當時的電刺激設備與今日相比,還是相當簡陋,因此,繪製的運動區腦圖較為粗糙。例如他們所繪製的運動代表區橫跨中央溝 (central sulcus) 兩側,但是以我們今日的瞭解,中央溝前那一塊是運動區,後面一塊是感覺區。不過以當時的設備,就可繪出如此詳盡的運動代表區的腦圖,實屬不易。
woolsey-1952 1952 年,Woolsey 等人也是以大腦表面電刺激的方式,進行猴子大腦運動區的研究,但是此時的電刺激設備已經進步很多,繪出的腦圖也就更精確了。Woolsey 版本的猴子腦圖,有兩個區域,稱為 M1 與 M2。腹側的 M1 區依其大小比例以及相對位置,可以畫出舌頭、嘴唇和指頭很大,但是身體很小的猴子,以頭下、腳上、背部著前的方向,貼在中央溝前方的腦回。背側 M2 區的走向則以頭前、腳後,背部朝上的方向,代表各部位身體的區域之間,有很大的重疊性,尤其以 M2 區最為明顯。
asanuma-1975 1975 年,Asanuma 等人以金屬微電極,將電刺激的位置,從大腦表面延伸至皮層內部,此技術稱為 Intracortical microstimulation (ICMS)。他們發現只要用很低的電流,即可從大腦皮質內部,誘發肌電反應或是肌肉運動,ICMS 所需的電流強度只有 30 micro-A 左右,僅是表面電刺激所需強度的百分之一或更小,可想而知, IMCS 技術讓大腦運動區探測的精確度增加很多。Asanuma 認為大腦運動區可以定義出控制單一肌肉的單位,稱為「柱狀結構」(columnar organization),其實際的大小為 1mm 左右,也就是說,控制同一條肌肉的許多神經元,在大腦皮層內集結在一起,形成直徑約為 1 mm 的「柱狀結構」,當刺激電極進入該「柱狀結構」的範圍,只要很小的電流刺激,即可興奮該「柱狀結構」所支配的肌肉。
kawn-1978 1978 年,Kawn 等人,以 ICMS 技術,詳細探測猴子手部運動的代表區,他們提出了一個不同於以前所知的運動區代表圖。圖中顯示代表遠端肌肉,例如手指的區域,位於運動代表區的核心區域,代表近端肌肉,例如肩膀、手肘,圍繞在外周,形成一個「核心--周邊」(core-and-surround) 的結構。這個core-and-surround的概念,與長久以來大腦運動區一直被認為是單純的 somatotopic organization 有所牴觸,然而,後來有更多的研究支持這個觀點。
park-2001 2001 年, Park 等人,以 stimulus-triggered average (圖C) 和 ICMS (圖E) 的技術,再次驗證 Kawn 所提出的手部代表區所具有的 core-and-surround 結構。左圖中藍色的區域為指頭、手腕等遠端肌肉代表區,紅色的區域為肩膀、手肘等近端肌肉代表區,紫色的區域是上述兩代表區重疊的區域。
z9k0100891130002 2008 年, Graziano 等人以高解析的功能性核磁共振掃描 (fMRI),證實了人的手部代表區,也具有 core-and-surround 結構。他們並以 Kohonen 的 Self organization map 理論,解釋 core-and-surround 結構的形成,使得複雜的手部運動所牽涉到的腦部控制區,可以達到最佳化的連結。
galvreanim-3 1800 年早期的電生理研究,對當時的人來說,可能充滿恐懼,甚至誤認為那是會讓死人復活的工具。200年後,當時的人可能想不到電刺激的運用,會給我們帶來這麼多對大腦功能的瞭解。

 

 

 

參考資料:


Galvanic Reanimation

http://corrosion-doctors.org/Definitions/galvanic-reanimation.htm

 

Giovanni Aldini

http://corrosion-doctors.org/Biographies/AldiniBio.htm

 

Alessandro Volta

http://corrosion-doctors.org/Biographies/VoltaBio.htm

 

Research papers:

Asanuma H. Recent developments in the study of the columnar arrangement of neurons within the motor cortex. Physiol Rev 55: 143–156, 1975.

Kwan HC, MacKay WA, Murphy JT, Wong YC. Spatial organization of precentral cortex in awake primates. II. Motor outputs. J Neurophysiol 41: 1120–1131, 1978.

Jeffrey D. Meier, Tyson N. Aflalo, Sabine Kastner, and Michael S. A. Graziano. 2008 .Complex Organization of Human Primary Motor Cortex: A High-Resolution fMRI Study. J Neurophysiol 100: 1800–1812, 2008.

Park MC, Belhaj-Saif A, Gordon M, Cheney PD. Consistent features in the forelimb representation of primary motor cortex in rhesus macaques. J Neurosci 21: 2784–2792, 2001.

( 知識學習科學百科 )
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引用
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