当您走进药房时，太阳穴突突直跳。几个月来，您一直在与每日偏头痛作斗争。您已经尝试了医生的每一个建议——多喝水、改变饮食、获得额外的睡眠——并吞下大量止痛药。现在，您手持一种完全不同治疗方法的处方。
药剂师引导您到一个头饰架旁，上面标有不同的脑区。她为您试戴了一顶帽子，帽子的底面有细长的导电金属条，称为电极，涂有粘性凝胶，可轻轻粘附在您的头皮上。电极连接到从帽子后部垂下的一根细电缆。然后，她递给您处方药物的关键组成部分：电刺激器。
在接下来的一周里，您每天一次戴上头饰，并将电缆插入此设备，接受 20 分钟的电疗。抛开您的恐惧，您在药剂师面前试用了一下。起初您只感到刺痛感，然后是缓解。
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当您戴上帽子时，电流从电极出发，穿过头发、头皮和骨骼，进入负责偏头痛的脑区。起初，它只是减轻疼痛，但随着时间的推移，它也会逐渐重新连接您的神经元，以防止未来发作。药剂师解释说，您可以戴着帽子继续您的一天——完成家务、看电视、去散步——当剂量结束时，刺激器就会自动停止运行。
目前，这一幕仍然是科幻小说中的情节，但许多研究人员认为，在未来几年内，这种治疗形式可能会变得司空见惯。这种称为经颅直流电刺激 (tDCS) 的技术正在针对数十种应用进行研究，包括帮助人们从脑损伤中恢复、治疗抑郁症、提高警觉性和控制疼痛。
使用电力来改造大脑并不是什么新鲜事。我们早就知道神经元发送电信号进行交流。作为回应，科学家们试图破解这些信息，以改变或治愈大脑。然而，大多数努力都显得笨拙、危险或代价高昂。相比之下，tDCS 具有非侵入性、廉价、用户友好和便携的特点。唯一已知的副作用是轻微的皮肤发红和刺激，可以通过调整头饰来纠正。
事实上，一些科学家怀疑 tDCS 可能会开启治疗的新时代，其影响力可与传统药物相媲美。几十年来，研究人员一直在努力开发能够进入大脑并治愈大脑的药物，但收效甚微。现在，越来越多的脑科学家希望电力能够在化学物质在很大程度上失败的地方取得成功。至少有一家公司——葛兰素史克——已经在资助电疗研究。世界各地的诊所和医院已开始向需要康复的患者提供这项技术。美国国防部已投入数千万美元用于研究可以提高健康个体认知能力的技术。围绕这些发展的新闻热潮激发了一群爱好者的兴趣，他们正在摒弃谨慎并在家中尝试 tDCS。
为了将 tDCS 发展成为一种可靠的疗法和增强剂，科学家们需要回答许多悬而未决的问题。他们必须确定最适合不同疾病的电流剂量。他们还必须大幅扩大实验规模，以阐明这些疗法在广大人群中的安全性和有效性。撇开这些注意事项不谈，人们对 tDCS 日益增长的兴趣表明，患者和医生都渴望寻找治疗大脑的新方法。在几年后，小剂量的电流可能正是医生所要求的。
大脑电力
这项技术的基本组件非常简单：一个电源和一种将电力传输到大脑的方式。这项技术非常简单，甚至古代人类也探索了其原始形式。例如，公元一世纪，罗马皇帝克劳狄乌斯的医生将电鳐（电鱼）敷在头骨上以治疗头痛。十八世纪的电力发现导致了更复杂的实验。到 1802 年，意大利物理学家乔瓦尼·阿尔迪尼提出了一种治疗抑郁症的方法，即用电池的直流电敲击患者的头部。
20 世纪为电疗领域带来了更复杂的技术。在 20 世纪 30 年代，医生开始通过电击诱发癫痫发作来治疗精神疾病。五十年后，科学家们证明，可以使用大型磁铁从外部电激活脑区，这种技术称为经颅磁刺激 (TMS)，或者借助外科植入的电极。这些方法涉及昂贵的设备，在某些情况下还会产生严重的副作用，通常被认为是最后的手段。人们认为药物发现而不是电疗干预最有希望治疗脑部疾病。
尽管如此，一些研究人员在整个 20 世纪一直在改进一种简单的电刺激大脑形式，最终演变成现代 tDCS。这些先驱者面临的挑战是找到一种方法来证明和测量这种技术可以引起的生理变化。
2000 年，德国哥廷根乔治-奥古斯特大学的神经生理学家迈克尔·尼切和沃尔特·保卢斯开发出了一种巧妙的方法来实现这一目标。他们没有单独使用 tDCS，而是使用它来改变大脑对 TMS（一种更成熟的技术）的反应。研究人员首先将参与者的运动皮层置于一个大型磁线圈下。该装置在该区域诱发了电活动，该区域控制着人的右小指的运动。产生这种活动会导致小指摆动。
尼切和保卢斯还在运动皮层的部分区域放置了两个电极，并将它们连接到电池。打开电池后，少量电流从一个电极发出，穿过头骨，进入大脑，然后从另一个电极流出。根据他们配置设置的方式，尼切和保卢斯可以改变电流穿过大脑的方向，他们发现这会增强或减弱 TMS 引发的小指抽搐。本质上，他们可以使用 tDCS 来微调磁线圈的效果。
当时，研究人员已经对 TMS 改变大脑的方式有了深刻的理解。因此，这项实验能够令人信服地证明 tDCS 对神经活动具有实际影响。微弱的电流以某种方式影响了神经元的行为，超出了 TMS 预期的变化。
尼切和保卢斯怀疑 tDCS 正在改变脑细胞对电信号的反应方式。神经元通过称为突触的连接释放电脉冲来发送和接收信息。信号本身是由带电离子进出脑细胞的运动产生的。在 TMS 中，强大的磁铁可以导致神经元排出和吸入离子，迫使它们放电。
但是 tDCS 产生的电流具有更微妙的效果。它产生一条带电离子的河流，以回路形式蜿蜒穿过头部和大脑。当这种电流在神经元周围和神经元中流动时，它可以交替地减弱或增强神经元对其他电信息的反应。靠近将电流引入大脑的电极附近的神经元对电信号变得更敏感。但是，靠近移除电流的电极附近的神经元则不太敏感。随后的实验表明，这种方法不仅可以操纵来自磁线圈的电信号，还可以操纵大脑中自然产生的电信号。
自从保卢斯和尼切的开创性实验以来的 14 年里，许多科学家不仅证实 tDCS 可以改变大脑的活动，而且还证实它具有治疗益处。其他电疗方法有效地刺激某些神经元进入活动状态，而 tDCS 则充当音量调节器。这项技术中的电流可以使神经元更健谈或使其安静下来。
启动健康
调节神经元活动的能力为神经科学家提供了大量治疗疾病的选择。该技术可用于增强有助于治愈大脑的信号传导，或抑制导致功能障碍的活动，或两者兼而有之。
将 tDCS 用作疗法的第一个挑战是确定针对特定问题最佳的神经元。通常，多个脑区会导致疾病，这意味着许多不同的刺激设置可以为患者带来缓解。以偏头痛为例。对患有严重头痛的人进行脑部扫描显示，在发作前，他们的部分视觉皮层变得更加活跃。因此，保卢斯和他的同事决定看看用 tDCS 使该区域安静下来是否可以预防头痛。
在该研究中，该研究于 2011 年发表，12 名偏头痛患者接受了六周的电刺激。每周三天，每天 15 分钟，科学家将电流导向以抑制偏头痛患者视觉皮层的信号传导。其余个体接受了假治疗，他们仅仅体验到刺痛感。八周后，研究人员对参与者进行了随访。接受了完整 tDCS 疗程的受试者比假治疗组的受试者偏头痛持续时间更短，疼痛明显减轻。该治疗并非万能药——它并没有减少偏头痛的频率——但它似乎至少减轻了偏头痛的打击。
然而，其他实验暗示了另一种缓解偏头痛的方法。即，刺激运动皮层的部分区域已知会触发称为阿片类药物的天然止痛药的释放。在保卢斯的偏头痛研究一年后，第二组科学家，由密歇根大学疼痛神经科学家亚历山大·达席尔瓦领导，其中包括我们中的一位（比克森），选择用电流刺激运动皮层。在四周的过程中，七名偏头痛患者接受了 10 次 tDCS 治疗，每次 20 分钟，另外五名患者接受了假刺激。tDCS 接受者没有立即获得缓解，但在随后的几周里，他们报告的疼痛程度低于假治疗组的个体，并且他们的缓解持续了数月。最终，这些不同的方法可能使临床医生能够为患者制定定制的治疗方案。
正如两项实验所证明的那样，tDCS 的全部效果可能会缓慢显现，并持续数周或数月。这部分是因为调整神经元的放电速率可以在持久的方式上改变大脑的结构。当脑细胞一起激活时，它们之间的连接会变得更强和更丰富。很少协同放电的细胞逐渐失去它们的连接。因此，添加 tDCS 可以增强大脑自我重塑的能力——即可塑性。
可塑性的增强可能对修复脑损伤具有强大的意义。例如，在卒中期间，大脑某部分的血液供应被阻断，使神经元饥饿并损害它们的连接。经过数月的康复，人们可以在他们可塑的大脑在幸存的神经元之间建立新的连接时重新学习失去的技能。结合 tDCS 可能会加速他们的康复。
2011 年，哈佛医学院神经科学家费利佩·弗雷格尼和他的合作者在与 14 名患者合作时研究了这一想法，这些患者花了两个星期进行常规锻炼以恢复运动控制。此外，受试者每天接受 40 分钟的 tDCS 或假治疗。弗雷格尼和他的同事将电流瞄准运动皮层中受伤的脑区，以鼓励新连接的生长。所有患者在两周的治疗后都获得了一些运动功能。然而，接受 tDCS 的组恢复得最多。从某种意义上说，tDCS 似乎有助于大脑帮助自己。
康复和疼痛管理只是 tDCS 研究的两个有希望的方向。随着我们更多地了解与神经和精神疾病相关的大脑网络，许多科学家认为该技术可以缓解多种疾病的症状，包括痴呆症、癫痫症和精神分裂症。
过去十年科学家们所从事的小型概念验证研究现在正在让位于大规模、长期试验。例如，2013 年，圣保罗大学生理学家安德烈·布鲁诺尼领导了一项为期六周、120 名患者的试验，其中 tDCS 在治疗抑郁症方面具有与常用抗抑郁药相当的益处。布鲁诺尼现在正在扩大他的努力，纳入 240 名患者和其他药物。这类研究将是阐明该技术全部潜力的最佳途径。
电击以集中注意力
除了 tDCS 作为一种疗法的前景外，许多人对刺激如何改变健康个体的生活变得着迷。逻辑认为，如果我们能够找出与批判性思维和创造力等能力相关的核心网络，科学家们就可以增强这些区域。或者他们可以降低不必要的负面情绪和坏习惯。
事实上，越来越多的证据支持这样一种观点，即 tDCS 可以增强大脑在多个领域的技能，例如抑制对垃圾食品的渴望和改变情绪。一些研究小组提出，tDCS 可以加速个人掌握新单词和语法规则以及复杂运动任务（如记忆复杂的捏手指模式）的能力。
这些研究的规模仍然相对较小，其效果也很有限。任何尝试使用 tDCS 来提高绩效的尝试几乎肯定需要与传统的学习方法相结合，而不是取而代之。正如弗雷格尼的康复研究将刺激与传统的物理疗法相结合一样，寻求认知增强的用户仍然需要利用大量的练习、锻炼和休息。
然而，tDCS 可能会在少数精选领域超越传统方法。2014 年，美国空军研究实验室的生物医学工程师安迪·麦金利发表了他关于使用 tDCS 提高警觉性的研究结果。麦金利的团队与 30 名军事新兵合作，他们必须在保持 30 小时清醒的同时参加一系列注意力测试。四个小时后，研究人员给 10 名新兵进行了 40 分钟的 tDCS 疗程和一些普通口香糖。在这种情况下，该团队旨在用电流刺激背外侧前额叶皮层的活动，该区域支持多种功能，其中包括注意力和工作记忆。
其余新兵在四个小时的时间点接受了假刺激疗程，其中 10 名受试者还获得了一块含咖啡因的口香糖。通过这种方式，麦金利可以将 tDCS 与咖啡因（人类最喜欢的警觉性增强剂之一）正面交锋。在试验结束时，研究人员发现，接受 tDCS 的组在他们的测试分数中表现出明显的提高，并且这种警觉性的提高持续了六个小时。相比之下，咖啡因的刺激作用较弱，并且仅持续了两个小时。没有什么比睡个好觉更好了——但也许有一天，用电击代替咖啡可以帮助睡眠不足的人。
准备好迎接黄金时代了吗？
使用 tDCS 的科学家现在正处于一个十字路口。一方面，研究人员仍在解开 tDCS 的基本机制，另一方面，患者、政府机构和公司正积极争取将这项技术推向现实世界。
有待解决的主要问题之一是剂量。到目前为止，研究已经使用了非常弱的刺激水平来产生适度的发现。科学家现在需要弄清楚对于给定的疾病，电极的理想放置位置以及最佳刺激强度。与药物一样，增加剂量可能会改善结果——但只能达到一定程度。这种情况的条件对于每种应用都是独一无二的，但从业人员有可能在某个时候面临权衡。例如，提高电流来治疗偏头痛可能会进一步减少患者的发作，但刺激本身可能会变得越来越不舒服。如果没有更大规模的试验，我们无法充分了解这项技术的局限性或潜力。
鉴于这些已知的未知数，研究界对个人试图在家中复制这些研究深感担忧。尽管该领域的发现非常令人兴奋，但关于电刺激，我们还有很多东西需要学习。在此期间，公众和科学家都必须谨慎对待围绕 tDCS 的炒作。
只要我们在乐观的同时保持谨慎，这项研究就能带来巨大的益处。对 tDCS 的兴趣激增甚至引发了对其他生物电疗法的研究，例如应用交流电或脉冲电流的技术，这些技术可以为大脑提供独特的益处。所有这些进步都可能为自我提升开辟新的途径。数百万长期与慢性疼痛和抑郁症等长期无法治愈的疾病作斗争的人们最终可能会得到帮助。为了实现这一结果，临床医生将不得不在他们的实践中采用电刺激。在不久的将来，戴上帽子进行治疗和思考可能会像服用药丸或啜饮早晨咖啡一样司空见惯。