從腦洞大開到毫髮無傷，100年前他首度看見腦波

今年是人類腦波發現100週年的日子，在1924年的7月6日，德國精神科醫師漢斯．伯格（Hans Burger）第1次在他的病人頭上測到腦波，雖然那次的腦波訊號並沒有拍照留存下來，伯格醫師此後用了5年進行各種實驗反覆確認，終於在1929年，將這幾年的工作用他的母語德文，寫成一篇長達44頁的論文，發表在德國的精神醫學期刊。這也是醫學史上第1篇研究人類腦波的論文。

漢斯．伯格1873年誕生在德國南部，18歲時立志當天文學家，因此進入柏林大學讀數學系。1個學期後去當兵，訓練時從馬背摔落造成重傷，在那一瞬間，遠在好幾公里外的姊姊突然感受到他有生命危險，發了一通緊急電報來探望。

漢斯．伯格認為這是心電感應，於是轉向研究大腦的奧祕。他到耶拿（Jena）大學就讀醫學系，24歲取得醫師（MD） 學位，之後在耶拿大學附設神經與精神科診所（在當時這兩科還未分家）擔任醫師，並兼任前輩教授的研究助理，持續研究工作。

漢斯．伯格39歲時成為主任醫師，46歲時擔任該附設診所的院長。1924年，51歲的伯格醫師在當時的歐陸已小有名氣，剛完成腦血流以及腦內溫度的系列研究，並發表研究論文與專書。在這個背景下，他開始進行腦波的研究。

逾20年不放棄研究，人類腦波終於現形

我自己是腦波的研究者，也曾在神經科與精神科服務，算是伯格醫師的後、後、後輩吧。本於真知力行的精神，特別去找到這篇醫學史上第1篇人類腦波論文，用第一手的資料進行考據，還原當時情境，向這位偉大的醫師科學家前輩致敬！

這篇論文標題為〈有關人類腦波〉^註1。感謝Google翻譯的協助，將德文轉成我看得懂的英文，兩相對照得以一窺原著的精采。

在這篇1929年12月發表於德國《精神醫學檔案》期刊^註2的論文中，伯格醫師首先提起他在1902年時（29歲），曾嘗試採用當時剛發明的第1代心電圖儀器（毛細管靜電計）來測量貓與狗的大腦，在部分實驗中有看到一些訊號。但在1907 年（34歲）再度做實驗時，卻沒看到訊號。直到1924年，51歲的他又重新挑戰這個題目，他這時採用更好的儀器──小型的弦線電流計來測量大腦的訊號。

歷經各式各樣的失敗，1924年7月6日，伯格醫師終於在一位17歲的男性病人頭上的傷疤外面，記錄到一些訊號。這個傷疤下面的骨頭，因為治療的緣故已被鑽了一個大洞，於此「腦洞大開」的情況下，腦波的訊號得以不受骨頭的阻擋，直接傳到頭皮外面而被儀器量測到。之後他許多的研究，也都是在這種腦洞大開的情況下完成的。可惜的是，在7月6日當下，他的儀器沒有照相記錄的功能，只能當場看到訊號，而沒有留下腦波紀錄的照片。

接下來，從1924～1929年5年間，伯格醫師花了很多功夫來確認他的結果。他首先取得了一台更好的儀器──大型的弦線電流計，體積更大、靈敏敏度更好，更重要的是，能夠把訊號記錄下來，進行存檔與發表。但是他還不滿意，之後又取得更好的儀器──一台當時西門子公司最新開發的線圈電流計。

以現在的眼光來看，這台「電流計」的放大倍數較高且雜訊較低，比起之前設計用來測量心電圖的儀器足足進步了一個等級，可稱得上是第1代的腦波儀。在這篇1929年的論文中，除了第一個圖之外，剩下16個圖都是用這台線圈電流計完成的。

為免除針扎痛苦，手作發明電極貼片

伯格醫師設計了各式各樣的實驗方法，來驗證他的發現。為了得到更好的訊號，他參考先前測量心電圖的方式，以細針為電極，直接扎到頭皮下以量測腦波。這種針經過仔細地鍍膜，可隔絕環境雜訊，使用前先泡在福馬林數小時殺菌；再浸泡生理食鹽水，以清除福馬林，避免造成皮膚的刺激。

他當時服務的醫學機構雖名為診所（clinic），看起來相當於現在的「神經醫學中心」，裡面有不少因為腦瘤而必須將頭骨鑽洞或切開的病人。之後頭皮還是會蓋回去，傷口也會癒合，外表可能看不出明顯異狀，但這種「腦洞大開」的結果，讓他可以不用擔心頭骨對腦波的阻隔，也多次成功記錄到這類病人的腦波，並將腦波照片呈現於這篇論文。

簡單說伯格醫師的發現，他不但看到了腦波，而且發現腦波有兩種樣態：第1個是比較大而且慢的波，平均週期0.09秒；第2個是比較小而且快的波，週期為0.035～0.04秒。

後來他改用鉛箔電極，論文中描述，就像巧克力的錫箔紙，可彎曲並貼附在頭皮上。鉛箔裡還沾上生理食鹽水，外面套上橡皮圈，以確保導電的穩定性。這時就不用扎針了，只要貼上這種手做的電極貼片，也能在顱骨開洞的病人頭上記錄到腦波。

經過了多年的準備後，整個研究進入最後階段，就是採用不扎針的方式，將電擊貼片貼在沒有「腦洞」的正常人頭上，測量腦波。這就跟100年後的現在，醫生在病人頭上進行腦波紀錄的方式一樣。

伯格醫師在這篇論文的第25頁特別寫到：「從一開始，我追求的就不只是單純科學，同時也有實用目的，因為我想把這些發現用在疾病診斷上面。」他不只是一位追求真理的科學家，也是一位仁心仁術的醫師。

親兒剃光頭助父親研究，奠定史詩級發現

在他16歲的兒子頭上，伯格醫師用這種貼片記錄的方式，終於在健康無損的人類頭上測得腦波，而且腦波的品質不會輸給扎針記錄的方式。為了進行研究，他兒子理個光頭，幫助爸爸進行各種位置的量測。

在兒子的幫助下，伯格醫師發現，如果將2個電極分別貼在前額頭跟後腦勺，可測量到比較明顯的腦波。經過一再確認，他提出腦波有兩種：

• 第1級波（Wellen erster Ordnung）平均週期0.09秒，換成1秒大概振動10次，最大振幅介於150與200 μV（百萬分之一伏特）
• 第2級波（Wellen zweiter Ordnung）平均週期0.035秒，換成1秒大概振動30次

伯格醫師還發現，在用心動腦的情況下，第2級波會變得比較明顯。這篇論文提出的第1級波與第2級波，就是後來大家耳熟能詳的α波與β波。

目前每位醫學生應該都知道，閉眼放空的時候大腦會產生α波，產生的主要位置就是後腦；睜眼或緊張的時候，大腦會產生較明顯的β波。難以想像伯格醫師在100年前採用如此原始的機械式電流計，就能發現到這麼精確的結果，並經過100年的驗證後屹立不搖，顯然下了不少苦功。

即使已經做了這麼完整的人體實驗，展現出有如史詩般的發現，在本論文發表前一年，伯格醫師又回到狗狗身上辛苦做了一些動物實驗，確認他的疑惑。讓我想到的是中國哲學家王陽明先生的知行合一。

這篇論文第44頁也是最後一頁，伯格醫師有如宣言般寫到：「我們終於有一個可以客觀量測中樞神經的方法，期待在幾年的努力後，就像心電圖用於心臟病診斷般，這個工具能用在大腦疾病的診斷上。」

他當時手上還有一些其他的發現，因為證據還不夠，並未搶先在第1篇論文中發表。他也期待未來儀器的進步能夠讓腦波的研究更有效率。

百年後，腦波應用潛力無限

在100年後的今天，腦波檢查早已成為全世界各大醫院必備項目，腦波可診斷的疾病種類也愈來愈多，甚至應用到了非醫療領域，譬如運動、禪修與大腦潛能開發等。

如同伯格醫師在本論文最後一頁所言，腦波研究聚焦在兩個方向，疾病診斷與儀器改良──前者跟軟體有關，後者跟硬體有關。

隨著演算法、人工智慧與半導體技術的精進，腦波技術發展顯然還有很大的空間。我的研究團隊就持續利用最新的半導體與資訊技術，設計與製作了幾種大小不同的腦波儀器，用來研究腦波在睡眠、運動、禪修與麻醉各種狀態下的變化^註3。

腦波技術在100年間，從伯格醫師採用的機械式電流計，逐步進化到真空管放大器、電晶體放大器、積體電路放大器、一直達到現今的全數位化。回顧這段歷史，感慨各種科技的飛快進步，頻繁更替。但是真知、力行、仁心、仁術的基本精神，未曾改變！

註1：論文德文標題為Über das Elektrenkephalogramm des Menschen

註2：期刊原文刊名為Archiv für Psychiatrie

註3：參見〈跨越300公里限制　台灣自主研發麻醉腦波監測系統登國際期刊〉