摘要
大脑的不同部分是如何共同工作来帮助我们看到、移动、理解和做其他事情的?多年来，我们已经知道不同的大脑区域执行不同的任务，这些任务对视觉很重要。一些大脑区域负责看到面孔、颜色、线条、运动或世界的其他部分。但要详细绘制不同的大脑区域是非常具有挑战性的，尤其是因为每个人的大脑都略有不同。有时，脑外科医生必须在病人的头骨(大脑表面)放置电极，以获得更详细的地图。这篇文章描述了一组脑外科医生、科学家和工程师所做的一项研究。我们研究了病人看不同物体时的大脑活动。我们发现当病人处理人脸或颜色时，大脑中有两个区域是活跃的。如果我们刺激这些区域，患者报告看到了面孔或颜色，即使他在看其他东西!这项研究的结果有助于展示大脑的不同部位如何执行不同的任务，并可能导致更安全、更精确的脑部手术。
医生和科学家如何找到大脑中执行特定功能的区域?
人类的大脑负责许多功能，某些大脑区域负责特定的任务，如图所示图1．例如，大脑中被称为运动的部分皮质控制手指、手、腿、手臂和其他身体部位的运动。运动皮层有很多用于手和手指运动的脑组织，我们需要它们来写字、拿螺丝刀或穿针。另一方面，我们不能很精确地控制腿部肌肉，所以运动皮层可以控制腿部运动，而不需要太多的脑组织。另一个重要的大脑区域是体感皮层，它负责触觉。如果没有触觉，就很难知道要拧紧多少螺丝，或者拿住葡萄或一瓶可乐等易碎物品。人们可能会不小心压碎葡萄或可乐瓶，而大脑却没有反馈他们的手产生了多大的力。听觉皮层负责听觉，然后这些信息被传递到一个叫做韦尼克区(Wernicke’s area)的区域，帮助你理解所听到的内容。如果你的老师问你:“你做作业了吗?”然后声音从耳朵传到大脑，听觉皮层将信息传递到韦尼克区。韦尼克区负责理解问题，然后你的大脑就会默默地说出“是”。 The formulation of words is done in another brain area, called Broca’s area. Finally, your brain uses the motor cortex to move your lips, tongue, and throat to allow you to tell your teacher “Yes.” Other brain regions are responsible for processing things you see, recognizing faces and colors, and the memory enables you to remembering things.
- 图1 -最重要的大脑区域的中心有一个+。
每个人负责这些复杂任务的大脑区域位于略微不同的位置。我们可以大致地说出大脑区域的位置——例如，主要的视觉区域在脑后——但对医生和科学家来说，精确地绘制大脑的不同部分要困难得多，比如在一毫米之内。在某些情况下，当医生需要非常精确的脑图来进行脑部手术时，脑外科医生就会植入电极在病人的大脑表面记录大脑活动。然后，医生在病人身上做一些小实验，找出执行不同任务的特定大脑区域。
图2这是一个这样的实验的例子，用来发现大脑皮层中负责生成面部、身体部位、数字、平假名字符(在日本使用)、汉字(也在日本使用)、线条物体和其他物体图像的区域。我们给病人看了彩色和黑白两种图像。患者专注于每张图像的时间很短，200毫秒(a毫秒是1/ 1000秒)。600-800毫秒后，显示下一张图像。在图像之间，电脑屏幕是黑色的。我们给病人看了每种类型的20张不同的图片。
- 图2 -患者将电极直接植入大脑皮层(大脑上方的黑点)，并看到每种类型的20种不同颜色或黑白图像，每张图像200毫秒。
- 图像之间有600-800毫秒的间隔。这些图像包括身体部位、面部、数字、平假名、汉字、线条或物体。与此同时，我们记录了患者的大脑活动，看看哪些大脑区域对该人所看到的图像有反应。
当病人看到这些图像时，我们用一种叫做电极的铂做的小圆盘来记录大脑活动，这种小圆盘是由脑外科医生放在病人大脑表面的。大脑的外表面被称为皮层，所以电极记录了来自大脑皮层的信息。这些电极的直径通常在1到4毫米之间，非常小。小尺寸的电极可以非常精确地记录大脑皮层的活动，为脑外科医生和医疗团队提供最好的地图。电极通过一根细线连接到一个特殊的放大器上。该设备放大了非常小的脑电波，并将数据发送到计算机进行进一步分析。为了绘制大脑的大面积区域并识别许多不同的功能，脑外科医生可能会植入16到256个电极。电极大多呈方形排列，因此被称为电极网格．然后，这些网格被放置在外科医生需要绘制的大脑区域上，以帮助每个病人。
图3展示了我们通过研究患者的大脑而了解到的情况，同时他看着面部、身体部位和其他物体的图像。患者在整个大脑中植入了256个电极，但当患者观看图像时，只有大脑底部梭状回面部区域的电极是活跃的。图3显示一个有20个电极的电极网格位于大脑的右侧，另一个电极网格位于大脑的左侧。每个电极都有一个特定的编号，这使我们能够确定它的位置。红圈表示识别人脸的皮层区域，蓝圈表示识别颜色的皮层区域。对面孔或颜色没有反应的电极只显示为白色的小圆圈。大圆圈表明电极比小圆圈的电极更重要。例如，在识别人脸时，电极181比184更重要，比175重要得多。有趣的是，左右脑都参与识别面孔或颜色。为了计算这些小圆，我们使用了一个叫做高γ映射，它观察非常微小的脑电波[1]。脑电波是如此之小，这就是为什么电极必须被植入。我们可以通过放置在头部外的电极了解到很多关于大脑的信息，但是头皮、血液和皮肤使得使用高伽马测绘来绘制大脑非常困难。
- 图3 -这些图像显示了大脑的左侧和右侧的底部。
- 右下角显示了许多电极被植入的地方(白点)。主图像提供了白框区域的近距离视图，显示了大脑两侧各有20个电极。每个电极在大脑右侧(R)也有一定的数量，从165到184，在大脑左侧(L)有一定的数量，从113到132。大脑中对面部有反应的区域用红圈表示，圆圈越大，表示患者观察面部时该区域更活跃。同样，蓝色的圆圈表示对颜色有反应的大脑区域。主图中的白点表示对面孔或颜色没有反应的大脑区域。
为什么我们需要这些大脑测绘结果?
红圈和蓝圈对大脑绘图非常重要。脑外科医生可以使用这张地图来确定大脑的哪些区域负责不同的任务。例如，如果病人大脑中对人脸有反应的区域在手术中被移除，那么他就不能再识别人脸了。病人认不出他的妈妈、爸爸、姐妹、老师或其他人。
更广泛地说，为什么患者需要进行脑部手术来切除部分大脑?其中一个原因是切除脑瘤。如果不切除脑瘤，它们可能会生长并损害大脑的其他部分，最终可能是致命的。做脑部手术的另一个原因是切除大脑中导致癫痫的部分癫痫发作．尽管大多数人癫痫可以使用药物或其他方法来减少癫痫发作，有些人对药物没有反应，可能会频繁发作。
更精确、更详细的大脑测绘新工具可以降低脑外科手术的两种风险。首先，脑外科医生可能不小心切除了太多脑组织。作为图3研究显示，仅仅切除几毫米的脑组织就可能永久性地损害患者识别面孔或颜色的能力。第二，脑外科医生可能切除的组织太少。这样，患者的肿瘤或癫痫就可能无法治愈。
我们如何通过大脑刺激产生幻觉?
我们还对同一个病人使用了一种叫做皮层电刺激的方法。这意味着我们用微弱的电流刺激大脑，电流高到足以在大脑中产生反应。这种方法可以帮助医生识别可能导致癫痫发作的大脑区域，也可以帮助我们更多地了解不同大脑区域的功能。
所以，我们做了另一个实验，让病人看到一个黑盒子，一个球，小川医生的脸，或者一张有汉字的纸。当病人看着这些东西时，我们刺激了大脑的面部区域，在181和182电极之间。图4显示了病人说他在看不同物体时看到的东西。这种刺激使病人看到了人脸的幻觉!病人报告说，即使他看着黑盒子、球和纸，也能看到脸。我们觉得这很有趣，病人说他看到小川医生的脸时看到了僵尸的脸。这个幻觉看起来不像一张真实的脸，但病人知道这是一张脸。
- 图4 -当患者观看一个黑盒子、一个篮球、小川博士或一张有汉字的纸时，实验者用非常低的电流刺激大脑的区域。
- 当刺激181-182电极时，患者报告在黑盒子上、球上和纸上看到了一张脸。病人还说小川医生的眼睛和嘴巴发生了变化。当电流从177-178电极发出时，病人报告说在黑盒子、球、小川医生的脸上和纸上都看到了彩虹。
接下来，我们通过刺激电极177-178激活负责颜色的皮层区域。图4显示结果。这种电刺激在黑盒子、球、纸和小川博士的脸上产生了彩虹。
为什么这项大脑研究很重要?
正如我们前面提到的，本文中的工作主要是出于医疗原因进行的。病人已经决定进行脑部手术，我们与手术团队合作，帮助他们提供一个很好的工具，帮助他们进行一个非常困难的手术，而不会出错。我们很高兴地告诉大家，病人的手术很成功。
这项工作还可以通过开发更好的脑机接口来帮助患者。完全瘫痪的人使用脑机接口来帮助他们拼写、浏览互联网、创作艺术或控制设备。如果我们能创建更好的大脑地图，我们就能建立更快、更准确、更灵活的脑机接口。
这项工作在科学上也很重要。我们发现，大脑皮层中帮助我们看清面孔的某些部分与看到颜色无关，反之亦然。我们证明，通过刺激大脑非常特定的区域，可以产生人脸或彩虹。此外，面部和彩虹错觉出现在患者所看到的图像之上。这对于帮助我们理解大脑的不同部分如何协同工作来帮助我们看到和执行其他任务具有重要意义。
术语表
皮质：↑大脑的外表面。
电极：↑用铂金做的小圆盘用来记录大脑活动。
毫秒：↑1/ 1000秒。
电极网格：↑以方形形式排列的几个电极。
高γ映射：↑识别最重要大脑中心的方法。
癫痫发作：↑大脑是不受控制的活动，并唤起身体的不自主运动。
癫痫：↑一种大脑过于活跃的疾病。
利益冲突声明
产生红色和蓝色圆圈的系统被称为cortiQ，是由奥地利g.tec公司的CK公司生产的。CG是CEO。其余作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。
原文
↑沙尔克，G.，卡佩勒，C.，古格，C.，小川，H.，广岛，S.，拉菲尔-索萨，R.等。2017。脸烯和彩虹:人类大脑中面部和颜色处理的功能和解剖特异性的因果证据。PNAS114:12285 - 90。doi: 10.1073 / pnas.1713447114
参考
[1]↑Kapeller, C.， Ogawa, H.， Schalk, G.， Kunii, N.， Coon, W. G.， Scharinger, J.等。2018。使用皮质电信号实时检测和辨别视觉知觉。J.神经工程．15:036001。1741 - 2552 . doi: 10.1088 / / aaa9f6