雖然人腦直接電刺激（direct electrical stimulation，DES）很有臨床相關(guān)性，但是人們對它知道得很少。盡管在細(xì)胞水平上我們對DES的某些方面已有所了解，然而大腦皮層表面的DES可以在大塊腦組織中引起復(fù)雜的疊加效應(yīng)，而這個效應(yīng)又很難預(yù)計，因為許多局部的以及遠(yuǎn)隔部分的生理學(xué)和形態(tài)學(xué)因素與此都有關(guān)系。電刺激腦所引起的這種復(fù)雜效應(yīng)反映在DES所引起的行為效應(yīng)的異質(zhì)性上，既可以引起興奮反應(yīng)，也可以引起抑制反應(yīng)。DES作用于同一個皮層位點，會有不同的反應(yīng)。因此，把DES跟其他神經(jīng)生理學(xué)技術(shù)相比較，如果認(rèn)為我們可以從DES得出有關(guān)受刺激腦區(qū)功能的不含糊的結(jié)論，那是一種誤解［6］。

自從DES首次在19世紀(jì)末應(yīng)用以來，在手術(shù)期間應(yīng)用電流以刺激病人大腦皮層的DES已經(jīng)成了一種標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。病人往往是需要切除腫瘤或癲癇病灶的外科手術(shù)病人，可以用DES來推斷病人的功能腦區(qū)。當(dāng)病人在受控制的條件下實施運動、言語或認(rèn)知作業(yè)的時候，用雙極電刺激來刺激皮層的表面，可以誘發(fā)可重復(fù)的、短暫的行為改變。F. Krause最早用此技術(shù)繪制了人類大腦皮層運動區(qū)定位組構(gòu)的第一個詳細(xì)圖譜。往后，H. Cushing通過中央后回的DES，特征化了所誘發(fā)的感覺反應(yīng)。從此以后，DES被用來特征化其他功能的神經(jīng)代表，包括認(rèn)知功能。例如，言語功能的代表作圖定位于人腦的左側(cè)半球，而視覺對象的空間加工、空間朝向和空間探測，都定位于人腦的右側(cè)半球［6］。

動物的DES在19世紀(jì)下半葉已經(jīng)有人做了。1874年R. Bartholow第一個進(jìn)行人體的DES，他把電極插入一位女病人已經(jīng)暴露的大腦，該病人患基底細(xì)胞癌。實施刺激時，Bartholow看到了對側(cè)肢體肌肉的收縮，同時發(fā)現(xiàn)腦組織實質(zhì)并無疼痛感覺。自從Bartholow以后，不斷有這方面的報道，如V. A. H. Horsley、謝靈頓、Cushing、Krause等，還有其他的臨床學(xué)家。他們把這種技術(shù)應(yīng)用于患有腦腫瘤而需要接受外科手術(shù)的病人以及定位癲癇病灶的病人。到了20世紀(jì)的最初幾年，DES一般被批準(zhǔn)允許應(yīng)用。Krause用交變電流刺激大腦皮層，完成了大腦皮層的第一張運動區(qū)圖像。以后，有人嘗試通過DES刺激來復(fù)制病人通常形式的癲癇，從而鑒定癲癇發(fā)生的腦區(qū)。1934年O. Foerster和H. Altenburger改進(jìn)了技術(shù)，建立了手術(shù)期間記錄皮層電圖的技術(shù)。此技術(shù)使他們不但可以刺激，還可以記錄腦表面的電活動。大約同時，加拿大的潘菲爾德等應(yīng)用DES作圖人腦的運動區(qū)和感覺區(qū)，導(dǎo)致著名的運動和感覺“小人”圖。這些作者證實了Krause早期關(guān)于運動皮層之發(fā)現(xiàn)。圖11-1顯示了大約在1949年，潘菲爾德用這種方法為清醒病人做手術(shù)時的腦刺激部位及記錄部位［6］。

圖11-1　潘菲爾德為清醒病人做手術(shù)時的腦刺激部位（a）及記錄部位（b）（圖引自［6］）

20世紀(jì)以來，對于電刺激參數(shù)的控制在使用過程中不斷有所改進(jìn)，例如開始用單極刺激，以后用雙極刺激；開始用外科醫(yī)生的舌頭來嘗電流強度，變成現(xiàn)在應(yīng)用刺激參數(shù)等。然而，行為水平的結(jié)果似乎都是可以互相比較的，雖然最近一些研究有比較準(zhǔn)確的功能定位。重要的是，潘菲爾德所作圖的那個“小人”，僅提示了一個相對簡單和嚴(yán)格區(qū)分的功能組構(gòu)。這些作者事實上也報告，運動皮層和感覺皮層之間有重疊，不同的軀體部分之間也有重疊。只有到了最近才知道，對感覺-運動皮層的功能組構(gòu)，更加特征化的描寫是鑲嵌型的而不是軀體定位型的［6］。

看起來似乎很清楚的刺激和行為之間的因果關(guān)系，導(dǎo)致一些作者得出結(jié)論，DES是神經(jīng)科學(xué)系統(tǒng)研究中腦作圖的“金標(biāo)準(zhǔn)”。最近的人類實驗性DES研究結(jié)果，在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的熱點領(lǐng)域得到了非常熱烈的接受。例如，關(guān)于頂-額網(wǎng)絡(luò)與運動意向和空間視覺覺察的關(guān)系。但是，DES是不是一種直截了當(dāng)?shù)姆椒?，就像人們看起來所認(rèn)為的那樣？有理由認(rèn)為，DES的作用是引發(fā)大體積腦組織的復(fù)合與總和效應(yīng)，其結(jié)果往往是難以預(yù)測的。這樣說并不貶低這種技術(shù)在神經(jīng)外科手術(shù)臨床中的適用性，并且此技術(shù)確實在建立腦功能的神經(jīng)認(rèn)知模型方面起到了一定的作用。但如果誤解DES的效果，將會錯誤地指導(dǎo)我們關(guān)于腦認(rèn)知功能的結(jié)論和假說。正因為如此，本章將要介紹一下，在腦手術(shù)時應(yīng)用DES刺激大腦皮層表面，在細(xì)胞水平所產(chǎn)生的效應(yīng)以及在遠(yuǎn)隔部位和局部所產(chǎn)生的效應(yīng)［6］。

在外科手術(shù)期間對腦腫瘤或癲癇病人的DES，可以幫助外科鑒定每個個體病人的腦區(qū)，確定該區(qū)對于某一重要功能是否關(guān)鍵性的。這種作圖具有很大的臨床價值，因為腦功能定位在不同的病人之間是有差別的，或由于正常個體的變異，或由于皮層組構(gòu)的變異，以及個體腦病理學(xué)功能重組構(gòu)的變異。在腦組織手術(shù)性切除后評價對病人的手術(shù)效果，可以說明外科手術(shù)期間的DES對皮層功能作圖的可靠性。例如，如果在外科手術(shù)期間應(yīng)用DES來作圖言語功能，則手術(shù)后永久性言語缺損出現(xiàn)的百分比很低，大約在250個病人里面只有2%。相反，部分切除經(jīng)DES檢測過的語言區(qū)，會有礙于語言功能的完全恢復(fù)。DES也可以同時用來直接研究腦內(nèi)的解剖和功能連接。例如曾經(jīng)有報道，手術(shù)期間對皮層下結(jié)構(gòu)的DES作圖，可以避免損傷語義語言系統(tǒng)的神經(jīng)纖維連接，這樣就防止了永久性的言語缺損。手術(shù)期間用DES對病人運動系統(tǒng)進(jìn)行功能性作圖，如果病人的腫瘤部位靠近皮層-脊髓束附近，則腫瘤手術(shù)切除后一個月，55個接受研究的病人中有87%不顯示手術(shù)后的運動缺損。G. Spena等人研究了功能性磁共振成像（fMRI）及彌散張量作圖（DTI）纖維追蹤這兩種方法的效果，看看在腫瘤切除之前，為了預(yù)測語言區(qū)附近組織的功能，兩種方法是否與DES一樣有用。他們發(fā)現(xiàn)，為了防止持久性神經(jīng)病學(xué)損傷的發(fā)生，DES是最可靠的方法。結(jié)論是，fMRI和DTI可能對于設(shè)計切除方案有用，但是不能夠幫助外科醫(yī)生在外科手術(shù)期間直接用于指導(dǎo)其手術(shù)［6］。

雖然DES在臨床應(yīng)用方面的目的是直截了當(dāng)?shù)?，即可以預(yù)防手術(shù)后的功能喪失，但是考慮DES的神經(jīng)生理學(xué)效應(yīng)，從神經(jīng)科學(xué)的意義上看DES的應(yīng)用，可以提出不少問題。例如，DES是引起了神經(jīng)元的激活還是抑制？DES是否導(dǎo)致電流擴散，有沒有腦區(qū)與腦區(qū)之間的信號傳播？DES引起皮層-丘腦通路的正性或負(fù)性行為效應(yīng)是怎樣的情形？為了應(yīng)用DES的結(jié)果來發(fā)展腦功能的神經(jīng)認(rèn)知模型，非常重要的是需要了解：DES在細(xì)胞水平、腦局部以及遠(yuǎn)隔部位的效應(yīng)到底是怎么樣的［6］。