语言和音乐是我们相互交流的重要方式。大声说话和弹吉他可能看起来很不一样，但你知道它们使用了很多相同的大脑区域吗？你知道研究人员已经能够在脑外科手术中研究大脑的语言和音乐功能吗？在本文中，你将了解一种称为皮层电刺激映射(electrocortical stimulation mapping, ESM)的程序，这是一种用于脑外科手术的程序，用来确定大脑的哪些部分对于说话和演奏乐器有着重要性。
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。一些患有脑肿瘤或癫痫的患者，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。如果病人的肿瘤或癫痫是在大脑的语言部分，确保病人在手术后能够说话和理解语言是相当重要的。出于这个原因，外科医生需要确保不切除大脑中那些重要的区域。
大脑被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语言很重要。为了做到这一点，外科医生使用一种类似魔杖的设备，叫做刺激器，有两个小电极，向大脑的不同部位发送少量的电流。这种电流暂时改变了神经元相互交流的方式。通过刺激大脑，有可能使病人在说话时犯错误，或使病人完全停止说话。
图1
我们的大脑由不同的区域组成，这些区域对于帮助我们完成不同的任务很重要。用ESM对突出显示的区域进行刺激，紫色区域位于大脑额叶区域，对语言和音乐非常重要；蓝色区域位于顶叶，这些区域在语言和音乐中都有作用；绿色区域是颞叶的一部分，对言语交流很重要。这个像魔杖一样的灰色装置是一个ESM刺激器，它将电流(黄色闪电所示)发送到大脑的某个彩色部分，以测试其功能。
对于音乐家病人来说，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。和说话一样，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病人无法弹奏乐器。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，大脑中所有有颜色的部分都被激活了，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，语言和音乐对于沟通是很重要的，无论是通过语言进行对话，还是通过非语言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相当重要，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。
ESM是一个独特的程序，因为它必须在病人进行脑外科手术并且清醒时才可以执行。这通常是怎么发生的？首先，给病人用药，使病人感觉不到任何疼痛。接下来，外科医生会要求病人完成各种各样的任务，包括说话、听和移动。例如，在一个语音重复任务中，病人听到类似“说kitty cat”这样的指令，病人通过重复“kitty cat”来回应。当病人执行这项任务时，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语言区域时，它会干扰病人说话的能力。
令人惊讶的是，ESM会导致病人犯很多错误：一种错误被称为“阻滞”，病人会什么也说不出来；另一个错误是病人会说“kitty tat”而不是“kitty cat”，这被称为替代，是一种语音错误的错误类型，因为病人把“cat”的“c”音(或音素)换成了“t”音。当病人在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？
两位需要进行脑外科手术的病人(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]。病人接受了语言和音乐测试。使用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负责。为了测试语言，要求两名患者慢慢从1数到30，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刺激大脑有颜色的区域内的小区域(图1)，看看病人是否会犯什么错误，每个刺激点都进行了1到18次测试。在音乐部分，要求第一个病人演奏音阶和一首他熟悉的钢琴曲，第二个病人用吉他弹奏和弦。当病人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。
图2
ESM中人们在说话或演奏乐器时所犯的一些错误，这些错误类型使我们能够看到大脑的哪些部分负责语言和音乐功能。在这里，我们给了一个说“kitty cat”和在钢琴上演奏一系列音符的例子。上面写着“kitty cat”的弯弯曲曲的线条是声波的图片，蓝色表示单词发音正确或音乐演奏正确，当声波或钢琴琴键是红色时表明出错了。
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中的粉红色区域)或只会导致演奏乐器的错误(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，而且不仅用于语言。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。
图3
大脑的一些区域主要处理语言，一些区域主要处理音乐，一些区域两者兼有。大家可以看到，大部分额下回和中央前回的中部和后部区域，也就是紫色的区域，负责听和说；蓝色的那一小部分，主要位于中央后回的底部，只与音乐演奏有关；颞上回的红色区域似乎只与说话有关，与音乐演奏无关。
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“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！
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。
脑肿瘤(Brain Tumor)：脑部异常的肿块，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(Electrocortical Stimulation Mapping, 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)的过程。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期间发生的一种语音错误，当患者试图说出一个给定的单词时(比如说“tat”代替“cat”)，会切换音素。
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。
参考文献
[1] Leonard, M. K., Cai, R., Babiak, M. C., Ren, A., and Chang, E. F. 2016. The peri-Sylvian cortical network underlying single word repetition revealed by electrocortical stimulation and direct neural recordings. Brain Lang. 193:58–72.
[2] Ojemann, G., Ojemann, J., Lettich, E., and Berger, M. 1989. Cortical language localization in left, dominant hemisphere: an electrical stimulation mapping investigation in 117 patients. J. Neurosurg. 71:316–26.
[3] 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.
[4] Zatorre, R. 2005. Music, the food of neuroscience? Nature 434:312–5.
原文
Desai M, Sorrells R, Leonard M, Chang E and Hamilton L (2020) Brain Stimulation Can Help Us Understand Music and Language. Front. Young Minds. 8:16.
翻译：刘斯漫
编辑：范雪如
审校：左西年
翻译版权：脑与心智毕生发展研究中心
来源：脑与心智毕生发展研究中心CLIMB
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