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腦部磁振造影,照出雷擊頭痛的疾病特徵

PanSci_96
・2019/04/23 ・1746字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 569 ・九年級
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大家應該都曾有過「頭痛」的經驗,不過各自的症狀與成因可能不盡相同。如果在上大號時,頭就如雷擊般疼痛;或是在性行為時,產生劇烈頭痛,這會有多痛苦呢?然而,這兩組個案有一個共同點——皆患上了「可逆性腦血管收縮症候群」(Reversible cerebral vasoconstriction syndrome,RCVS)。

由台北榮總與陽明大學組成的頭痛研究團隊,在這十幾年間招募及診治了許多「可逆性腦血管收縮症候群」的病患(已累積四百多位)。近日,榮陽頭痛團隊陳世彬副教授、周坤賢副研究員及王署君主任於科技部腦科學專題研究計畫補助下,利用新的磁振造影序列以及開發新的影像分析技術,找出了 RCVS 之腦部影像特異性變化,與釐清其病生理機轉。該論文已刊載於國際著名期刊《美國醫學會期刊:神經學》。

「雷擊頭痛」,會有哪些症狀?

可逆性腦血管收縮症候群,又被稱作「雷擊頭痛」,患者發病期間,反覆因為某些行為,像是上大號、洗澡、性行為高潮或情緒激動,誘發如爆炸般的頭痛。發病時,頭痛的症狀會在 1~3 周內反覆發作(從磁振血管造影可看到多處腦血管收縮的現象),而直到約 3 個月後腦血管收縮的情況才回復正常。

如此劇烈的頭痛,在患者的日常生活中不斷發生,除了導致患者嚴重失能、還可能經常需要掛急診就醫,患者還有很高的機率產生腦出血腦中風、或腦水腫等併發症,因此「可逆性腦血管收縮症候群」可說是最嚴重、危險的頭痛疾患之一。

患者的腦白質病變和 RCVS 之間的關聯是什麼?

研究團隊在 RCVS 患者腦部磁振造影的影像上,觀察到許多小白點,也就是腦白質高亮度病變(White matter hyperintensities)。

過往的大規模研究顯示,如果有少量小白點,將會顯著增加將來中風失智症死亡的風險。

研究團隊利用新的磁振造影序列及開發新的影像分析技術,自動將小白點定位與定量,並針對 RCVS 患者之腦白質病變的空間分布、時序變化,以及臨床重要性、致病機轉進行深入探討。

研究證實 RCVS 患者的腦部白點體積,在疾病發作期,遠高於正常人10倍以上,在發病後2~3周達到最大,空間分布上以腦室附近最多,與過去所知其他疾病的相關白質病變完全不同,具疾病特異性的表現。另外,白點體積血管收縮嚴重程度高相關性,可作為辨別疾病嚴重程度的指標,比起過去侵入性的血管攝影方式更容易進行判斷。

誰最有可能患得此種疾病?

圖/pixabay

RCVS 患者以中年婦女為最大宗,僅兩成為男性,而這兩成男性大多是由性高潮而誘發的頭痛。目前初步了解患者的共通性:

  1. 血管內皮前驅細胞數量較少,修復內皮系統之能力較差,可能使血管收縮調節能力較差。
  2. 自律神經較亢奮,和自律神經控制血管收縮有關。

此外,最近研究團隊證實,天氣(包括溫度、氣壓及降雨量)可以影響此病的發生率約 10%,發表於美國頭痛學會官方期刊(Headache)。

該如何治療?

研究團隊透過血流動力學分析,推論此白質病變腦血管收縮造成缺血,以及過強腦血流脈衝有明顯相關的病生理機轉,對以後開發疾病專一性的治療有幫助。

對於雷擊頭痛,一般的止痛藥並沒有具體功效,目前的治療方式是以「鈣離子通道阻斷劑(Nimodipine腦妥膜衣錠)」進行藥物治療。「腦妥膜衣錠」原先是用來治療,動脈瘤引起蜘蛛膜下出血後,腦血管痙攣所引起的缺血性神經缺損,卻意外發現只有它能夠緩解這種頭痛。

關於RCVS

「可逆性腦血管收縮症候群」直到 2007 年才被正式命名,對於此病如何產生的病生理機轉,學術界的認知仍有些限制,到底哪些人會罹患 RCVS ?疾病詳細的病生理機轉究竟為何?研究團隊還在持續努力,希望未來能找出新的治療與預防之道。

小提醒:雖然雷擊頭痛的症狀會自行緩減,但在發病時,仍要盡快去看醫生。若沒有吃藥治療,產生腦血管收縮引發的併發症機率會更高喔!

  • 本文改寫自科技部新聞稿。

註解

  • 雖然 RCVS 經常簡稱為「雷擊頭痛」,然而精確來說,「雷擊頭痛」指的是非常痛、且「從開始到最嚴重」的速度非常快的一種頭痛,只是 RCVS 的主要症狀之一。此外,其他疾病如動脈瘤破裂,也會產生「雷擊頭痛」的症狀。

相關研究資料

編按:本文刊出後文字內容有小幅修改。(2019/4/24 15:00)

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PanSci_96
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元宇宙的始祖:《刀劍神域》帶我們開始一連串的想像——《元宇宙超圖解》
azothbooks_96
・2023/09/25 ・741字 ・閱讀時間約 1 分鐘

《刀劍神域》就是元宇宙的世界

這部動畫作品中,具體的描述了對元宇宙世界的想像。

二○一二年開播的電視動畫《刀劍神域》,是一部以「五感都沉浸在虛擬實境裡的遊戲」為背景,所描寫的作品。

作品裡的玩家並不是透過電腦或智慧型手機的螢幕來玩遊戲,而是要戴上一個覆蓋住整個頭部的頭戴式顯示器,躺在床上,把自己的五種感官系統完全交給遊戲,沉浸到虛擬實境裡。

而在遊戲當中,玩家可選擇自己喜歡的外型,自由移動。

你我在現實世界平常就會做的那些動作,包括走路、跑步和坐下等,都會直接在元宇宙裡重現。

正當動畫主角等人完全進入虛擬實境的沉浸感之際,遊戲主宰者竟宣布,直到有人破關之前,所有人都無法離開這個虛擬實境。

作品內容就是描述虛擬實境中接連有新遊戲啟動,主角持續戰鬥,最後花了兩年才破關的故事。

儘管動畫的主角是因為發生意外,才被「關」在虛擬實境裡,但劇情中也描述到有些玩家本來就完全沉浸在這個元宇宙裡生活,可見這部動畫作品已經預見「有人選擇活在虛擬實境」的那一天,終將到來。

「完全潛行」到虛擬實境裡

這部動畫作品已經預見「有人選擇活在虛擬實境」的那一天,終將到來。圖/azothbooks

——本文摘自《元宇宙超圖解:從刀劍神域到寶可夢,一小時讀懂78個概念,掌握本世紀最大商機》,2023 年 9 月,漫遊者文化出版,未經同意請勿轉載。

azothbooks_96
51 篇文章 ・ 19 位粉絲
漫遊也許有原因,卻沒有目的。 漫遊者的原因就是自由。文學、人文、藝術、商業、學習、生活雜學,以及問題解決的實用學,這些都是「漫遊者」的範疇,「漫遊者」希望在其中找到未來的閱讀形式,尋找新的面貌,為出版文化找尋新風景。

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磁力的時代即將來臨?磁電效應的物理、應用與未來
Castaly Fan (范欽淨)_96
・2023/09/25 ・3608字 ・閱讀時間約 7 分鐘

磁力的時代

著名理論物理學家加來道雄(Michio Kaku)曾在《2100 科技大未來》一書中提到:

不遠的未來將是「磁力的時代」。上世紀可以被視為「電力的時代」,從電子的發現以及量子力學的發展開始,人們意識到電子相當容易操縱,這也造就了收音機、電視、電腦、智慧型手機等各類電子產品的誕生。

日本 JR 磁浮 MLX01-2 實驗車,時速 581 公里破 2003 年金世紀界紀錄。 圖/wikimedia

但在不遠的將來,諸如「室溫超導體」的開發與普及很可能在硬體建設上帶來革命性的變化。超導體 (supercondunctor)意味著某些導體在極低溫(比如接近絕對零度,-273.15℃)下,電阻將消失,而沒有阻力也意味著沒有電力的損耗。傳統銅線中,電子的流動與管壁原子的摩擦力將造成能量的消耗;而超導銅線巧妙地規避了這個問題,因為在極低溫環境下,原子將凝滯不動,電子也就能相當「通暢」地行經管線,線路壽命和產電效率也就能大幅躍升。但要實現極低溫的環境並非易事,因而近年來科學家正在嘗試開發室溫環境下的超導體,這意味著超導線圈能在日常生活中普及。

且由於超導本身的抗磁性(diamagnetism),比磁浮列車更酷炫的「懸浮」類型交通工具將成為常態,且由於不再有電能、摩擦力的損耗,你可以想像未來一旦超導磁浮列車與軌道網絡成功開發,只要輕輕一推,便能將一輛列車從台北車站高效地駛向墾丁、甚至車程用不上一小時。

電生磁、磁生電?

學習過中學物理的都知道,電與磁之間的作用是密不可分的;目前為止,大部分電子產品也都與「電流磁效應」(即安培定律,Ampère’s law)或「電磁感應」(即法拉第電磁感應定律,Faraday’s law of electromagnetic induction)有著密切關聯。

比如搭乘捷運或者公車時,「悠遊卡」內部的線圈就運用了電磁感應的原理,產生的電流將資訊傳輸至讀卡機;「電風扇」的馬達則透過電流磁效應將電力轉為磁力、再轉為機械能帶動扇葉;「麥克風」運用的則是透過聲波振動磁場、藉由電磁感應產生電流、再透過電流磁效應傳遞到揚聲器。由此可知,工業革命與量子力學的發展將我們帶到了「電力的時代」,而磁力似乎一直是電力的副產物。

常見的「悠遊卡」內部,同樣使用了電磁感應的原理。 圖/wikimedia

而電腦硬碟也是如此,磁碟由磁性材料組成,需要用到線圈產生磁場、改變磁性材料的磁場方向;而透過讀寫頭可以感測、改變磁性材料的磁極,從而達成資料的讀寫。和上一段例子稍微不一樣的點在於:硬碟、磁碟的原理和材料「本身的」磁性有關,而非純粹基於電與磁之間的作用。雖然硬碟透過磁場的改變而達到讀寫資料的目的,但這是相當耗能、耗時的;相比之下,電能對我們而言容易操控得多。如果我們能開發出一種僅僅用「電場」就能改變記憶本身的磁性,那麼,這將在資訊儲存的領域造成革命性的進展。這就進一步帶入這次的主題——「磁電效應」(magnetoelectric effect, ME)。

磁電效應的產生機制

不同於宏觀的電磁效應,「磁電效應」通常與物質本身的微觀結構有關。磁電效應的機制取決於晶體本身的對稱性 (symmetry),舉例來說,線性磁電效應的產生必須滿足時間反演對稱性 (time-reversal symmetry)被打破的條件。首先,時間反演對稱性聽起來有些奇妙,但它的概念相當直白:物體在順著時間流以及倒轉的畫面是相同且無法區辨的;數學上來說,代入 t → -t,如果得出的結果依然是一樣的就說明了系統是具有時間反演對稱性的。

電流的磁效應就是一個反例:設想一個電路迴圈,逆時針的電流產生出向上的磁場(右手定則)。現在讓我們「倒帶」這段影像:你會發現磁場先消失、電流再變成順時針環繞;然而,順時針的電流「理應」產生向下的磁場,但在倒帶的影像中並非如此——這便是時間反演對稱性的打破。

凝態物理中最常見的例子之一就是鐵磁體 (ferromagnet):想像一塊純鐵,在施加磁場後,其內分子的磁矩方向會順著磁場方向排列一致,也就是被「磁化」;然而,如果將畫面倒轉,會發現磁矩方向回歸不規律、接著磁場消失,但在物理上,你無法透過「去磁化」而關閉磁場;反之,即使關閉了磁場、磁化也依舊不因此而消失。換言之,鐵磁體打破了時間反演對稱性。

而磁電效應的產生通常要求磁性同時打破時間反演對稱性與鏡像對稱性 (mirror symmetry),也就是在鏡中世界的物理必須符合邏輯。在某些情況下(比如螺旋擺線形的指向),磁性會打破鏡像對稱性,造成了電極化(施加電場後,電介質內部的正負電荷會朝特定方向排列)。

這些看似尋常的對稱性往往是物理現象背後的推手,在數十年來場論的發展中,物理學家逐一發現:當我們從一些物理現象(比如電與磁)抽絲剝繭,會發現背後是繁複的數學方程式,而彼此之間蘊藏著不少「對稱性」聯繫著;從微觀以及數學的角度來說,正是因為某些對稱性的破缺,導致了一些物理現象的產生——磁電效應便是如此。

在統計力學與量子場論中,描述系統能量性質的哈密頓量(Hamiltonian)取決於格點(lattices),對於磁力而言,若我們改變了格點的形態,磁能也可能會降低,在這過程中,電極化便可能因此產生;而像這樣微觀層面上造成電與磁的「耦合」(coupling,通俗的說法就是交互作用),便是「磁電效應」的根源。

因此,我們可以這樣概括:

磁電效應的產生肇始於微觀尺度下的對稱性破缺,因此,磁電效應並非無所不在,通常僅出現於擁有特定對稱性的晶體。

舉例而言,三氧化二鉻(Cr2O3)就是最早一批被證實有磁電效應存在的晶體。

單分子磁體 — — 量子產業的結合

在近年來的研究中,單分子磁體(single-molecule magents,SMM)的發現掀起了不少科學家競相研究。顧名思義,單分子磁體指的是帶有特定「磁性」的「分子」;更精確的說,是指擁有「超順磁性」(superparamagnetism)的分子結構,意味著在特定溫度下,一些具有磁性的顆粒將不易受外界磁場影響,以至於磁化性質近似於順磁體。當然,並不是所有分子化合物都可以作為單分子磁體,一般來說,它們通常都是含有「金屬」原子的「有機化合物」,例如最早被發現的 [Mn₁₂O₁₂(OAc)₁₆(H₂O)₄](簡稱Mn₁₂)。

由於單分子磁體扮演著類似於「奈米磁鐵」的角色,微小且具有磁性的特質,使它們可以被應用於磁鐵儲存體元件、或者量子位元 (qubits) ——相信不少人對於近年來相當熱門的「量子電腦」並不陌生,而作為這種電腦運算的基礎,單分子磁體本身的自旋性質以及磁存儲優勢,很可能改善現有的記憶容量,從而成為量子位元的候選者。

加來道雄討論量子電腦。

那麼,單分子磁體和磁電效應搭得上關聯嗎?筆者在 2023 年曾參與一項由美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室 (Los Alamos National Laboratory)資助的研究計畫,其中便包含了對於單分子磁體「磁電效應」的研究,研究指出某些單分子磁體(比如 [Fe₃O(O₂CPh)₆(py)₃]ClO₄.py,簡稱 Fe₃ 聚合物)在特定溫度條件下可以產生磁電效應,我們可以透過建造穿隧二極振蕩器(tunnel-diode oscillator,TDO)等方式來探測磁化率 (magnetic susceptibility),從而偵測磁電效應。值得注意的是,這項實驗也指出一項優勢:我們將能透過改變電場來實現磁電效應,而非像傳統硬碟技術那樣透過磁場改變電場特性。

磁電效應的未來與展望

磁電效應在近年來逐漸掀起學術界的研究熱潮,同時也陸續獲得業界的矚目。其中一個最有可能實現的願景,便是磁存儲技術的改善,因為我們將不用藉由磁碟上面的磁性材料與磁場來控制資料的存儲與讀寫;相比之下,電場比磁場容易操控些,磁電效應提供了一個新方案,只需透過一些特殊磁性物質(比如具有特定對稱性的晶體)、便能藉由電場改變晶體特性(諸如磁矩等等)。而對於晶體的候選者,單分子磁體具有相當的潛力,因為這類型的晶體很有可能延伸到量子位元的建構,從而在記憶存儲與量子電腦的同步開發下,帶動未來量子產業的發展。

21 世紀,更多前沿的技術不斷開展,無論是室溫超導等凝態物理的研究、或者是磁電效應與量子產業的結合,都向人們宣示著磁力時代的來臨。

參考文獻

  • 加來道雄(2019)。2100 科技大未來:從現在到 2100 年,科技將如何改變我們的生活。時報出版
  • M. Lewkowitz, J. Adams, N. S. Sullivan, Ping Wang, M. Shatruk, V. Zapf, and Ali Sirusi Arvij. (2023). Direct observation of electric field-induced magnetism in a molecular magnet. DOI: 10.1038/s41598–023–29840–1
  • G. Christou, D. Gatteschi, D. N. Hendrickson, and R. Sessoli. Single-Molecule Magnets. (2000). DOI: https://doi.org/10.1557/mrs2000.226
Castaly Fan (范欽淨)_96
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科學研究者,1999年生於台北,目前於美國佛羅里達大學(University of Florida)攻讀物理學博士。2022年於美國羅格斯大學(Rutgers University)取得物理學學士學位,當前則致力於學術研究、以及科學知識的傳播發展。 同時也是網路作家、《隨筆天下》網誌創辦人,筆名辰風,業餘發表網誌文章,從事詩詞、小說、以及文學創作。

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鑑識故事系列:MRI 才看得到單純疱疹腦炎?
胡中行_96
・2023/09/25 ・2010字 ・閱讀時間約 4 分鐘

在瑞士有個 61 歲的男子,4 天前還被看到好端端的,眼下卻沒來由地在家裡掛了。目擊證人、已知疾病、就診紀錄,或是感染相關的線索,例如:升高的肛溫、皮膚的瘀點、退燒藥、止痛劑等,要什麼沒什麼。驗屍團隊推估男子死亡超過 24 小時,其他所知無多。[1]

非本案使用的核磁共振掃描儀。圖/Jan Ainali on Wikimedia Commons(CC BY 3.0)

驗屍

就外觀而言,男子的屍體沒有任何病灶。驗屍團隊本來想照慣例,先做電腦斷層掃描(computed tomography),觀察內部概況後再解剖。無奈這天儀器故障,所以改照核磁共振造影(magnetic resonance imaging)。不過,塞翁失馬,焉知非福。雖然核磁共振的成本較高,費時冗長,但是影像更為細緻:神經放射科醫師指出腦部額葉與顳葉的扣帶皮質、邊緣葉,以及島葉皮質的左側,都有損傷。換句話說,可能是單純疱疹病毒腦炎(herpes simplex virus encephalitis)。[1]

男子的 T1 核磁共振影像。圖/參考資料 1,Figure 3(CC BY 4.0)
男子的 T2 核磁共振影像。圖/參考資料 1,Figure 4(CC BY 4.0)

照完醫療影像,把屍體剖開來,有肉眼和顯微鏡都可見的肺炎(pneumonia)病變。腦部切片的組織學分析,以蘇木紫(hematoxylin)和伊紅(eosin)染劑上色,顯現出少量發炎的腦幹細胞與病變的海馬體神經元;透過免疫組織化學染色,則發現腦幹內有某些類型的 T 細胞和巨噬細胞,以及活化的小神經膠質細胞等多種免疫細胞。更重要的是,在海馬體中找到單純疱疹病毒(herpes simplex virus)HSV-1 與 HSV-2,證明了根據核磁共振影像所做的推測。[1]

腦幹(米色)與海馬體(紅色)的位置。圖/Life Science Databases on Wikimedia Commons(CC-BY-SA-2.1-jp)
腦幹發炎的細胞。圖/參考資料 1,Figure 1(CC BY 4.0)
海馬體病變的神經元。圖/參考資料 1,Figure 2(CC BY 4.0)

單純疱疹病毒

單純疱疹病毒經由接觸傳播,從皮膚或黏膜進入人體,感染神經末梢,並在神經節中進行複製。[1]該病毒分為兩型:90% 的人口都得過,會造成口腔疱疹唇疱疹HSV-1,偶爾也因口交衍生出性器疱疹;不過較不普遍的 HSV-2,通常才是後者的元兇。[1, 2]另外,有些極罕見的 HSV-1 和 HSV-2 案例,是母親於生產時,傳染給嬰兒。[2]

首次感染也許會發燒、頭疼、喉嚨痛、身體痠痛,或淋巴結腫大。這些症狀若難以承受,可以透過藥物緩解;但是單純疱疹病毒一旦定居神經細胞,只會一下活躍,一下沉寂,終身無法根除。生病、發燒、月經、創傷、手術、陽光曝曬與心理壓力等,都可能引起復發。好在之後的發作通常為期較短,病況也不如第一次那麼嚴重。[2]

單純疱疹病毒腦炎

儘管單純疱疹病毒只會給一般人帶來暫時的不適;遇上免疫力差的人,發作就更加嚴重且頻繁,甚至有致命的風險。[1, 2]HSV-1 感染可能併發腦炎(encephalitis)和角膜炎(keratitis);[2]HSV-2 則會導致腦膜腦炎(meningoencephalitis)與擴散至多處的瀰漫性感染(disseminated infection)。[2, 3]

單純疱疹病毒腦炎的成人發病率高,每年約有 1/250,000–1/500,000;而且就算即時診斷,並經靜脈施予抗病毒藥物 acyclovir,仍有 20% 到 30% 的死亡率。[4]其診斷方式為執行腰椎穿刺(lumbar puncture),抽取腦脊髓液來檢驗有無病毒;以及做腦部核磁共振,主要看額葉與顳葉是否病變,僅有少數病例會擴及腦幹。病毒影響腦部,展現出來就成了頭疼、癲癇、發燒、失語、個性改變或精神錯亂。[1]

腰椎穿刺示意圖:側臥或坐姿。圖/BruceBlaus on Wikimedia Commons(CC BY 3.0)

問題是這名男子生前大概缺乏明顯症狀,所以未曾就診。難怪 2023 年在《國際鑑識科學:報告》(Forensic Science International: Reports)期刊介紹此案的論文作者,只差沒抱怨如此隱蔽的疾患,要叫人怎麼猜。他們最後表示男子死於肺炎,卻通篇討論他罹患的單純疱疹病毒腦炎,並且強調多數鑑識單位頂多幫屍體照電腦斷層掃描,不太容易發現這種腦部感染,所幸他們的電腦斷層掃描儀壞掉,仰賴核磁共振才做出正確診斷。[1]

   

參考資料

  1. Genet P, Merkler D, Zerlauth JB, et al. (2023) ‘Incidental discovery of herpes simplex virus encephalitis by post-mortem MRI’. Forensic Science International: Reports, 7, 100310.
  2. Herpes simplex virus’. (05 APR 2023) World Health Organization.
  3. Yetmar ZA, Khodadadi RB, Chesdachai S, et al. (2023) ‘Mortality After Nocardiosis: Risk Factors and Evaluation of Disseminated Infection’. Open Forum Infectious Diseases, 10(8):ofad409.
  4. AK AK, Mendez MD. (31 JAN 2023) ‘Herpes Simplex Encephalitis’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
胡中行_96
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曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。