什么是皮层电刺激？

我们的大脑有数百万个细胞, 称为神经元, 它们通过发送电信号相互交流。 因为神经元可以互相交流, 我们可以做很多事情, 比如跑步、 吃饭、 说话, 甚至演奏乐器！但是当这些神经元不能正常工作时会发生什么呢？ 在癫痫患者中, 神经元可能过于活跃, 导致癫痫发作。 或者, 在脑肿瘤患者中, 一些细胞可能会异常生长, 有时也会导致癫痫发作。 一些患有脑瘤或癫痫的患者, 其症状可能无法通过药物完全治愈, 因此他们可能需要手术切除肿瘤或导致癫痫发作的大脑部分。 如果患者的肿瘤或癫痫是在大脑的语言部分, 确保患者在手术后能够说话和理解言语是相当重要的。 出于这个原因, 外科医生希望确保不切除大脑中那些重要的区域。

大脑分为四个主要的脑叶或区域, 分别叫做额叶、 顶叶、 颞叶和枕叶。 被称为颞上回、 中央前回、 中央后回和额下回 （图 1） 的大脑顶叶、 额叶和颞叶的较小区域被证明对语言很重要 [1]。 每个大脑区域都在听、 理解、 说、 移动和感觉方面起作用。 为了避免在手术过程中损伤这些大脑区域, 外科医生使用了一种称为皮层电刺激映射 （ESM） 的技术, 这是一种大脑映射工具。 ESM 可以帮助外科医生找出哪些大脑区域对言语很重要。 为了做到这一点, 外科医生使用一种类似魔杖的装置, 叫做刺激器, 有两个小电极, 向大脑的不同部位发送微量的电流。 这种电流暂时改变神经元相互交流的方式。 通过刺激大脑, 有可能使患者在说话时犯错, 或使患者完全停止说话。

对于音乐家患者来说, 确保脑外科手术不会损害他们继续演奏音乐的能力是相当重要的。 和言语一样, 外科医生可以用 ESM 刺激大脑的不同部位, 看看这种刺激是否会让患者无法弹奏乐器。 看到一个人在做脑外科手术的时候弹吉他真是太神奇了！通过识别大脑中对音乐演奏很重要的区域, 外科医生可以小心地避免在手术中损伤这些区域。 在图 1中, 当人们说话时, 大脑中所有彩色部分都被激活了, 颞叶、 顶叶和额叶中的一些区域似乎也参与了音乐演奏。

对于大多数人来说, 言语和音乐对于沟通是很重要的, 无论是通过言语进行对话, 还是通过非言语的方式用艺术表达自己。 理解这两种沟通形式的特定大脑区域不仅对脑外科手术十分重要, 而且可以帮助科学家开发更好的工具用以改善沟通, 尤其是对于那些中风或瘫痪患者, 以及丧失说话或移动能力的人。

患者在 ESM 期间需完成何种任务？

ESM 是一个独特的程序, 因为它必须在患者进行脑外科手术期间清醒时才可以执行。 这通常是怎么发生的呢？ 首先, 给患者用药, 使患者感觉不到任何疼痛。 接下来, 外科医生会要求患者完成各种各样的任务, 包括说话、 听和移动。 例如, 在一个言语重复任务中, 患者听到类似"说 kitty cat" 这样的指令, 患者通过重复 "kitty cat" 来回应。 当患者执行这项任务时, 外科医生将在大脑的不同区域使用 ESM 刺激器 [2]。 当刺激器接触到大脑中一个关键的言语区域时, 它会干扰患者说话的能力。

令人惊讶的是, ESM 会导致患者犯很多错误 : 一种错误被称为"阻滞", 患者会什么也说不出来； 另一个错误是患者会说 "kitty tat" 而不是 "kitty cat", 这被称为 "替代", 是一种称为 语音错误 的错误类型, 因为患者把 "cat" 的 "c"音 （或音素） 换成了 "t" 音。 当患者在ESM 过程中说话时犯了一个错误, 医生会记录大脑的哪个区域导致了哪种类型的错误, 以确保大脑中对交流至关重要的区域在手术过程中没有被移除。

那么音乐呢？

控制说话与演奏乐器的大脑区域是否相同？

两位需要进行脑外科手术的患者 （也是音乐家） 想要确保他们大脑中负责音乐演奏的部分不会受到手术的影响 [3]。

患者接受了语言和音乐测试。 借助 ESM, 我们可以研究说话和演奏乐器是否由相同的大脑区域控制, 或者是否由单独的大脑区域控制。 为了测试语言, 要求两名患者慢慢从1数到 3 0, 或者直到让他们停止。 另外还要求他们重复单词。 当他们说话时, 外科医生用 ESM 刺激大脑彩色区域内的小区域 （图 1） , 看看患者是否会犯错。 每个刺激点都进行了1到 18 次测试。 在音乐部分, 要求第一个患者演奏音阶和一首他熟悉的钢琴曲, 第二个患者用吉他弹奏和弦。 当患者执行这些音乐任务时, 外科医生像语言任务测试一样刺激相同的大脑区域。 对于语言和音乐, 研究人员观察了患者在接受刺激时所犯的错误类型 （图 2） , 以及涉及到的大脑区域。

这项研究的结果显示:刺激额下回 （图 1中的紫色区域） 会导致患者停止说话和演奏乐器！科学家以前认为大脑的这个部分负责规划下巴、 嘴唇和舌头的运动, 这样我们才能说话。 但是我们发现大脑的这个区域也控制着手部的运动。 虽然大脑的某些部分只会导致说话错误 （颞上回, 图 3中的粉色区域） 或只会导致演奏乐器错误 （图 3 中的蓝色区域） , 但大脑的某些部分会同时导致这两种错误。 这些结果似乎表明, 就我们如何交流而言, 额下回具有多种功能, 而不仅用于言语。 因为我们只研究了两名患者, 所以对其他同样是音乐家的患者进行进一步的 ESM 研究是很重要的, 这样我们就可以看到相似的结果是否会出现在更多的人身上。

我们通过言语与音乐对大脑获得了哪些认知？

音乐和语言帮助我们交流。 几十年来, 科学家们已经注意到音乐和语言在大脑中的相似性, 但是他们也发现了一些不同之处 [4]。 在这篇文章中, 我们讨论了 ESM 如何改变大脑中只对音乐和语言重要的区域的大脑活动, 以及在这两方面都起作用的大脑区域的大脑活动。 通过这项研究, ESM 帮助我们了解到这些大脑区域比我们之前想象的要复杂一些。 一些大脑区域, 比如额下回, 似乎有多种功能, 如帮助说话和演奏乐器。 一般来说, 相比"言语-语言区", 大脑"音乐区"的位置还存在一些分歧, 但这类问题使神经科学变得更有趣。 这项研究和未来研究的最终目标是帮助科学家和非科学家彻底理解语言和音乐等学科, 使人类能够更好地相互交流！

作者贡献

MD、 RS 和 LH 参与了本稿件的构思与文献综述工作。 MD、 ML 和 EC 撰写了本文引用的原始论文。 MD 与 LH 设计并制作了全部图表。 所有作者均参与稿件修订, 阅读并批准了提交的版本。

术语表

神经元 (Neuron): ↑ 组成我们的大脑并使我们的身体执行各种任务的细胞。

癫痫 (Epilepsy): ↑ 一种脑细胞 （神经元） 过于活跃而导致癫痫发作的脑部疾病。

肿瘤 (Tumor): ↑ 脑部的异常肿块, 可引起多种症状, 包括癫痫。

脑回 (Gyri/Gyrus): ↑ 大脑表面的突起。

皮层电刺激映射 (ESM): ↑ 用电流刺激大脑不同区域, 以中断大脑不同功能 （如说话或移动） 的程序程。 ESM 可以让医生确定哪些大脑区域对不同的功能是重要的。

语音错误 (Phonological Error): ↑ 在ESM期间犯的一种言语错误, 当患者试图说出一个给定单词时会切换音素 （比如说"tat" 代替"cat"）。

音素 (Phonemes): ↑ 当试图通过字母发音来创造单词时发出的单个声音。

利益冲突声明

作者声明本研究不涉及任何潜在商业或财务关系。

致谢

作者谨向参与本研究任务、 使此项工作得以完成的加利福尼亚大学旧金山分校癫痫中心的患者致谢。

AI 人工智能工具使用声明

本文中所有图表附带的替代文本 （alt text） 均由 Frontiers 出版社在人工智能支持下生成。 我们已采取合理措施确保其准确性，包括在可行情况下经由作者审核。 如发现任何问题，请随时联系我们。

原文

Leonard, M. K., Desai, M., Hungate, D., Cai, R., Singhal, N. S., Knowlton, R. C., et al. 2018. Direct cortical stimulation of inferior frontal cortex disrupts both speech and music production in highly trained musicians. Cogn. Neuropsychol. 36:158–66. doi: 10.1080/02643294.2018.1472559