● 腦神經的運作模式，是近年研究的大課題。 資料圖片電極插入腦 量度腦訊號
在討論如何量度腦神經活動之前，我們先來整理一下要測量的究竟是什麽。人腦平均有1千2百億個神經元。每段神經元其實可以看成是一副小小的機器：每一個進入的訊號會在神經元中造成相對微弱的電壓，而每當神經元累積足夠的這樣的電壓，神經元就會發放出一個強烈的訊號，稱為「動作電位」，以每秒150米的速度傳送到下一個神經元。要測量腦神經的活動，基本上就是量度這些強強弱弱的電壓。
由於神經訊號的本質是電壓，早期主要就是以電極去量度這些訊號：早在上世紀40年代，研究人員就將幼如頭髮的電極插於腦中，以便量度神經元的訊號。不過這個方法每次只能用於數條神經元之上，而且不能作長時間的監測。
也有研究人員將數段電極連接起來，因此而能夠同時量度多達200個神經元的訊息。不過這樣的裝置不能深入神經元的內部，所以只能夠測度到較強烈的動作電位，而對較弱的其他訊號（比如神經元接收到的電壓）就會「不聞不問」。
轉化其他形式 發出熒光通知
到了上世紀60年代，科學家們開始嘗試另一種方法：與其直接量度神經電壓，不如將它們轉化為其他形式，例如轉變為熒光？科學家們發現，每當神經元發出動作電位，鈣離子都會流進神經元，研究人員因此開發出一種「顯示劑」。
這種顯示劑會與流進神經元的鈣離子結合，因之而發出熒光。這樣每當神經元有相關的活動，就會有熒光發出，好讓我們量度。不過，這個方法只是間接地顯示出腦神經的電壓活動，也不能測量到其他神經元較微弱的活動。
近代蓬勃發展的基因工程技術，自然也被應用到這個課題之上。由1997年至今，科學家們已發展出超過20種相關的「顯示劑」：這些生化分子能夠更仔細地「監察」神經元中的微小電壓改變，繼而發出熒光讓適合的儀器量度。
利用基因工程技術，我們更可以「安排」這些顯示劑只在一部分的神經元中出現，因而能夠只專心地研究某一些神經元的活動。時至今日，這樣的技術已被用於昆蟲、老鼠等等腦袋之中。
現今科技的發展，已容許我們更準確地察看腦神經的電壓改變。科學家們正在努力研發，希望能再進一步實時測度神經訊號在腦中傳遞。這方面的努力，應該能讓我們對腦部的運作有更深入的了解呢。
●杜子航 教育工作者
早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。