文摘
大脑的不同部分如何一起工作来帮助我们看到,移动,理解,和做其他的事情吗?多年来,我们已经知道大脑不同区域执行不同的任务,对视力很重要。一些大脑区域负责看到脸,色彩,线条,运动,或者世界的其他地方。但是映射不同的大脑区域的细节是非常具有挑战性的,因为每个人的大脑都略有不同。有时,脑外科医生必须将电极在一个病人的开颅大脑表面得到一个更详细的地图。本文描述了由一群脑外科医生完成的一项研究中,科学家和工程师。我们研究病人的大脑的活动而他看着不同的对象。我们确定了两个活跃的大脑区域在病人处理人脸或颜色。如果我们刺激这些区域,病人报告说看到人脸或颜色,即使他是看别的!这项研究的结果有助于显示大脑的不同部分执行不同的任务,并可能导致更安全、更精确的脑部手术。
怎么医生和科学家发现执行某些功能的大脑区域?
人类的大脑负责许多功能,和某些大脑区域负责具体任务,如所示图1。例如,大脑运动的一部分皮质控制的运动手指、手、腿、手臂,和身体的其他地区。运动皮层的大脑组织有很多手和手指运动,我们需要写,拿着一把螺丝刀,或螺纹针。另一方面,我们没有非常精确的控制我们的腿部肌肉,所以运动皮层可以控制腿部运动没有那么多的脑组织。另一个重要的大脑区域是躯体感觉皮质,负责的触觉。没有联系,这将是很难知道有多少收紧螺丝,或持有脆弱的物品如葡萄或一瓶可乐。人们可能不小心压碎葡萄或可乐瓶没有大脑的反馈关于多大的力产生。听觉皮层负责听力,然后此信息传递给一个叫韦尼克区区域,以帮助理解你所听到的。如果你的老师问你,“你做你的家庭作业了吗?“那声音从耳朵到大脑听觉皮层的将信息传递给韦尼克区。韦尼克区负责理解问题,然后你的大脑可以默默地制定“是的。“词语的配方是在另一个大脑区域,被称为布洛卡区。 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——最重要的大脑区域与+的中心地区。
负责这些复杂任务的大脑区域在每个人在不同的地点。我们可以说,大脑区域中可以找到一般的例子中,初级视觉区域的负责人,但是它是很难对医生和科学家绘制大脑的不同部位精确,比如在一毫米。在某些情况下,当医生需要非常精确的地图进行大脑手术,脑外科医生将植入电极病人的大脑表面来记录大脑活动。然后,医生对病人进行小实验找到特定的大脑区域,执行不同的任务。
图2显示了一个示例的一个实验,用来发现皮质区域负责创建图像的面孔,身体部分,数字,平假名字符(在日本),汉字(在日本也使用),线对象和其他对象。我们显示病人这些图像在颜色和黑色和白色。病人集中在每张图片的时间非常短,200毫秒(一个毫秒是第二个)的变换。600 - 800毫秒后,下一个图像被显示。图像之间的电脑屏幕是黑色的。我们展示了每种类型的病人20张不同的图片。
- 图2 -病人植入电极直接在大脑皮层大脑(黑点),看到20个不同的彩色或黑白图像的类型,每个200 ms。
- 图片有一个打破之间的600 - 800毫秒。图片是身体部位,面孔,数字,平假名字符、汉字字符,行图纸或对象。与此同时,我们记录病人的大脑活动的大脑区域对图像的人看到。
当病人看到这些图片,我们用小磁盘记录大脑的活动由铂,称为电极被放置在病人的大脑表面的脑外科医生。大脑的外表面被称为皮层,所以从大脑皮层电极记录信息。这些电极通常有1 - 4毫米直径,这是非常小的。小尺寸的电极可以记录大脑皮层的活动非常精确,提供最好的地图脑外科医生和医疗团队。电极是通过一个细小的线连接到一个特殊的放大器。这个设备放大很小的脑电波和发送数据到计算机进行进一步分析。地图大的大脑区域和识别不同的功能,脑外科医生可能植入16和256个电极之间。电极大多安排在广场,因此他们被称为电极网格。然后把这些网格在大脑区域,外科医生需要地图为了帮助每一个病人。
图3显示了我们从研究病人的大脑,他看着图片的面孔,身体部位和其他对象。病人256个电极植入大脑,但只有大脑的电极在底部,在一个地区称为的梭状回面孔区活跃当病人看了图片。图3显示一个电极网格与20电极位于大脑的右侧,而另一个电极网格是位于左侧。每个电极都有一个特定的数字,这使我们能够识别定位。面孔识别的红色圆圈表示大脑皮层区域,蓝色的圆圈显示皮质区域识别颜色。电极不应对面临的或者颜色显示为白色小圆。大圆圈表明,电极比小圆圈电极更重要。例如,当识别人脸,电极181比184更重要,比175年更重要。有趣的是,双方的大脑参与识别人脸或颜色。计算小圆圈,我们使用了一个复杂的过程高γ映射,看着很小的脑电波(1]。事实上,脑电波是那么小为什么必须植入电极。我们可以从中学到很多关于大脑电极放置在头部,但头皮,血,皮肤很难绘制大脑使用高γ映射。
- 图3——这些图像显示大脑的底部左右。
- 右下角显示许多电极植入(白点)。主图像提供了一个更紧密的视图区域的白盒,显示20电极在大脑的每一方。每个电极也一定数量从165年到184年的右边大脑(R),从113年到132年在左边(L)的大脑。大脑区域应对面临与红色圆圈所示,和更大的圈子意味着该地区更加活跃时病人观察面孔。同样,蓝色的圆圈显示回应大脑区域的颜色。主图像中的白点显示大脑区域没有回应面临或颜色。
我们为什么需要这些大脑映射结果?
红色和蓝色的圆圈是非常重要的对大脑的映射。脑外科医生可以使用这张地图来确定哪些大脑区域负责不同的任务。例如,如果患者的大脑区域,应对面临在手术过程中被移除,然后他将无法识别人脸了。病人不会认出他的妈妈,爸爸,姐妹,老师,或者其他的人。
更广泛地说,大脑为什么病人需要手术切除大脑的一部分吗?原因之一是消除脑部肿瘤。如果不删除脑瘤,他们可以成长和损害大脑的其他部分,并最终可能是致命的。做脑部手术的另一个原因是消除引起癫痫的大脑的一部分癫痫发作。尽管大多数的人癫痫可以使用药物或其他方法来减少癫痫发作,有的人不应对药物和可能发作频繁。
新工具更精确、详细的大脑映射可以从脑部手术降低两种类型的风险。首先,脑外科医生可能不小心删除过多的脑组织。作为图3显示,删除只有几毫米的脑组织可能永久损害病人的面孔识别能力或颜色。第二,脑外科医生可能会删除组织太少。然后,病人可能不是治愈的肿瘤或癫痫发作。
我们如何与大脑刺激产生幻觉?
我们也用相同的方法叫做皮质电刺激病人。这意味着我们与弱电流刺激大脑,就足以产生一个反应在大脑中。该方法可以帮助医生鉴别脑区可能产生癫痫发作,也可以帮助我们了解更多关于大脑不同区域的功能。
所以,我们创建了另一个实验中,病人看到一个黑盒,一个球,小川博士的脸,或者一篇论文汉字字符。当病人看了这些东西,我们大脑的刺激脸部区域,电极之间的181年和182年。图4显示病人说他所看到的,当时他正在看不同的对象。这刺激引起病人看到脸的幻想!病人报告说看到的脸,即使他看着黑盒,球和纸。我们认为这是有趣的,病人说他看到一个僵尸脸博士当他看到小川的脸。这个错觉看起来不像一个现实的脸,但病人知道这是一个脸。
- 图4,而病人视为一个黑盒,一个篮球,小川博士或一张纸和一个汉字字符,实验者刺激的大脑区域与非常低的电流。
- 181 - 182电极刺激时,病人报告说看到一张脸黑盒,球,和在纸上。病人还报告说,小川博士的眼睛和嘴变了。当电流从电极177 - 178,病人报告说看到彩虹黑盒,球,小川博士的脸上,在纸上。
接下来,我们激活皮层区域负责颜色,通过刺激电极177 - 178。图4显示了结果。这电刺激产生彩虹黑盒,球,博士论文,小川的脸。
这个大脑研究为什么重要?
如我们前面提到的,本文的工作主要是进行医学原因。病人已经决定脑部手术,我们曾与外科手术团队帮助提供一个良好的工具来帮助他们完成一个非常困难的手术没有错误。我们很高兴说病人的手术是成功的。
这项工作也可以帮助病人通过导致更好的脑-机接口。完全瘫痪的人使用了脑-机接口来帮助他们拼写,浏览互联网,产生艺术,或控制设备。如果我们能创造更好的地图的大脑,我们可以构建脑-机接口是更快,更准确,更灵活。
这项工作也是很重要的原因的科学。我们表明,大脑皮层的某些部分,帮助我们看到的脸是没有参与看到颜色,反之亦然。我们表明,面临或彩虹可以通过刺激大脑特定区域的生产。此外,脸和彩虹幻想出现在病人所看到的图像。这对帮助我们理解有重要影响大脑的不同部分一起工作来帮助我们看到和执行其他任务。
术语表
皮质:↑大脑的外表面。
电极:↑白金小磁盘来记录大脑活动。
毫秒:↑第二个的变换。
电极网格:↑几个电极排列成正方形的格式。
高γ映射:↑识别最重要的大脑中心的方法。
癫痫发作:↑大脑是身体的无法控制的不自主运动活跃,唤起。
癫痫:↑一种疾病的大脑太活跃。
利益冲突声明
系统生产红色和蓝色圈叫做cortiQ,是由一家名为CK适用于g。侦探在奥地利。CG是首席执行官。其余作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
原始的文章
↑Schalk G。Kapeller C。贵港市,C。小川,H。广岛,S。Lafer-Sousa, R。,等。2017。Facephenes和彩虹:因果关系的证据功能和解剖特异性面对人类的大脑和颜色处理。PNAS114:12285 - 90。doi: 10.1073 / pnas.1713447114
参考
[1]↑Kapeller C。小川,H。Schalk, G。Kunii, N。浣熊,w·G。Scharinger, J。,等。2018。实时检测和歧视使用electrocorticographic视觉感知的信号。j .神经英格。15:036001。1741 - 2552 . doi: 10.1088 / / aaa9f6