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人类奋力思考的时候,和人类快要死去的时候,脑电活动竟然十分相似?
撰文 | 栗子
审校 | Clefable
有些人在死亡边缘走过一遭,日后回忆起自己的濒死体验,会说一生经历的许多事情都在脑海中闪过,就像跑马灯一样。
不过除了那些生动的自述,科学家也很少有机会真正了解,一个人在死去之前到底会经历怎样的脑活动。所以几个世纪以来,这一直是个谜。直到最近,终于有一支研究团队,获得了一位濒死人类的连续脑电图,并且从中观察到奇特的景象。
科学家甚至猜测:在人即将离去时,他的大脑真的在回顾人生。
频率最高的脑电波
取得垂死之人的脑活动数据,并不在研究者的计划之中。
加拿大有一位87岁的老人,在跌倒之后被送进急诊室。医生发现他有颅内血肿,便为他实施了开颅手术,以去除血肿。手术之后,患者病情稳定了两天,但随后出现姿势异常、偏瘫,还有肌跃型抽搐,这些症状可以看作神经系统功能恶化的表现。
因此,医生决定用脑电图(EEG)持续监测他的病情,并从中确认了12次癫痫发作。但就在监测的过程中,患者突发心脏病去世。老人生前签署过放弃急救同意书,所以在通向死亡的旅途中,他的脑电活动得到了更纯粹的记录。
经过患者家属的允许,科学家们一共取得了连续900秒的脑电波数据。这些数据里包含一次癫痫发作,在第200秒前后出现。等到第470秒,左脑的神经活动受到抑制;第694秒,左右脑的神经活动都受到抑制;第720秒,患者出现心脏骤停。
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左为左脑神经活动情况,右为右脑神经活动情况。S(seizure)=癫痫发作,LS(left-sided suppression)=左脑抑制,BS(bilateral suppression)=左右脑都抑制,CA(cardiac arrest)=心脏骤停(图片来源:原论文)
通常,当患者的心脏停跳持续超过30秒,他便可以被宣布死亡。于是,心脏骤停(第720秒)的前后各30秒,成了研究者们最关心的时间段。
科学家分析了那位老人的脑电波,并惊讶地发现:当左右脑的神经活动都被抑制(第694秒)之后,伽马波(gamma wave)没有立即减弱,反而增强,直到心脏骤停后才回落。这个现象代表什么呢?
我们头脑里的神经元,会依靠电信号相互传递信息,而这些信号产生的波形就是脑电波。人类的脑电波,可以按照频率的高低分为五大类,用德尔塔(delta)、西塔(theta)、阿尔法(alpha)、贝塔(beta)和伽马(gamma)这五个希腊字母命名。
其中,最慢的是德尔塔波,频率在4赫兹以下,成年人只有睡眠时才会出现这类脑波;最快的则是伽马波,频率在30~150赫兹,与一些高级的脑功能(如认知和记忆)密切相关。
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通常,当人们精神高度集中,忙着处理信息的时候,大脑会制造出更多的伽马波。也可以说,伽马波的强盛,意味着大脑正在努力工作。而如果人脑中的伽马波水平长期偏低,注意力、记忆力和学习能力都有可能出现问题。
不过,这些用来执行高级任务的伽马波,在生命的末尾被召唤出来,是要做些什么呢?
可能在回忆人生
上文提到,人类的脑电波分为五大类。值得注意的是,那些不同频率的脑波,有时还会相互作用。一种高频率脑波(小周期),遇上另一种低频率脑波(大周期)时,它振动的幅度可能会受到后者的影响,就如下图显示的那样。
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细密的齿为高频率,大波浪为低频率。高频率脑波的振幅大小,受到低频率脑波的影响,从波形上不难看出(图片来源:Mike X Cohen)
不同频率的脑波相互作用的现象,叫跨频率耦合(cross-frequency)。上图只是一个例子,现实中可能出现许多不同的跨频率耦合方式,有些在调频(FM),有些在调幅(AM),就像收音机。
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而在人类的脑波里,伽马波频率最高。从那位87岁老人的脑电图中,科学家也观察到了其他脑波与伽马波的相互作用:既有阿尔法波与伽马波的跨频率耦合,也有西塔波与伽马波的跨频率耦合。其中,阿尔法波跟伽马波的耦合十分突出。
在患者左脑神经活动受到抑制的时期(第470秒开始),阿尔法波和窄频带伽马波(30~60赫兹)的耦合最强;而在心跳骤停后(从第720秒开始),阿尔法波和宽频带伽马波(80~150赫兹)的耦合最强。
团队说,已知在健康人类的认知过程和回忆(memory recall)过程中,都涉及到了阿尔法波和伽马波的相互作用。这项研究的通讯作者、路易斯安那大学的阿杰马尔·季默(Ajmal Zemmar)博士推测:“濒死时期的大脑,也许就是依靠那些脑波来提取记忆,在短短数秒之间,最后一次回顾人生中重要的片段。”
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当患者心脏骤停后,每一类脑波的功率都开始下降。但当科学家在五类脑波中做了横向对比,就发现:与高级脑功能最相关的伽马波,其功率的占比在心跳停止后依然在增加。
只有人类才这样吗?
这应该是科学家第一次在垂死的人类身上,观察到如此详尽的脑电活动。
不过,早在2013年就已经有科学家,在实验室的可控条件下,观察过濒死大鼠的脑活动,并发现有类似的现象:在心脏骤停后的30秒之内,伽马波出现了短时的激增,且与阿尔法波和西塔波都出现了紧密的耦合。
至于伽马波为什么会增加,研究者相信那是心脏停跳前的高碳酸血症(hypercapnia)和心脏停跳后的脑血流停止造成的。
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结合新的研究成果,科学家们认为濒死的大脑可能执行了一种生物过程,而这个过程或许随着生物演化的历史长河,在不同物种之间保留了下来。
当然,这项新研究还有一些缺陷,比如它用到的人类脑电图样本只有一个,且是来自神经系统严重受损的人类。一个人的濒死脑电波未必典型,不一定能推广到更多的人类身上。
另外,英国萨塞克斯大学的神经科学家阿尼尔·塞斯(Anil Seth)教授认为,只靠伽马波的增强,以及伽马波与其他脑电波的相互作用,还无法判定那就是大脑在闪回人生的种种过往。那只是一种可能。
但与此同时他也承认,这项研究成果“既感人又迷人”。毕竟,如果不是患者病情发展得出人意料,科学家们也很难获得那份珍贵的脑电图数据。从伦理上讲,有计划地收集垂死人类的脑活动,几乎是不可能的。
原论文:
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fnagi.2022.813531/full
参考链接:
https://www.pnas.org/content/110/35/14432
https://blog.frontiersin.org/2022/02/22/what-happens-in-our-brain-when-we-die/
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fncom.2013.00078/full
https://www.theguardian.com/science/2022/feb/23/does-life-flash-before-your-eyes-brain-scan-of-dying-man-suggests-its-possible
https://www.webmd.com/brain/what-to-know-about-gamma-brain-waves
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