摘要
语言和音乐是我们彼此交流的重要方式。大声说话和弹吉他看起来可能很不一样，但你知道吗?它们使用的是相同的大脑区域。你知道吗，研究人员已经能够在脑部手术中研究大脑的语言和音乐功能。在本文中，您将了解一种称为皮层电刺激映射(ESM)的程序，这是一种在脑部手术中使用的程序，用于找出大脑的哪些部分对说话和演奏乐器是重要的。
什么是皮层电刺激?
我们的大脑有数百万个细胞，叫做神经元它们通过发送电信号相互交流。因为神经元可以相互交流，所以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?在患有癫痫时，神经元可能过于活跃，导致癫痫发作。或者，有大脑的人肿瘤在美国，一些细胞可能会异常生长，有时这也会导致癫痫发作。一些脑肿瘤或癫痫患者的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发生在大脑的语言部分，确保患者在手术后能够说话和理解言语是很重要的。出于这个原因，外科医生希望确保不切除大脑的这些重要区域。
大脑分为四个主要的叶或区域，分别是额叶、顶叶、颞叶和枕叶。在顶叶，额叶和颞叶的较小的大脑区域，称为颞上叶回、中央前回、中央后回和额下回(图1)，已被证明对语言很重要[1］．每一个大脑区域都在听和理解、说话、运动和感觉方面发挥作用。为了避免在手术中损伤这些大脑区域，外科医生使用一种叫做皮层电刺激绘图(ESM)这是一种大脑测绘工具。ESM可以帮助外科医生找出大脑中哪些区域对语言表达很重要。为此，外科医生使用一种类似魔杖的设备，称为刺激器，它有两个小电极，将微量电流发送到大脑的不同部位。这种电流暂时改变了神经元之间的交流方式。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，这些区域对帮助我们完成不同的任务很重要。
- 用ESM刺激突出的区域。紫色区域位于大脑额叶，对语言和音乐很重要。蓝色的区域在顶叶这些区域在语言和音乐方面都有作用。绿色区域是颞叶的一部分，对说话很重要。这个灰色的魔杖状装置是一个ESM刺激器，它将电流(黄色闪电)送入大脑的一个彩色部分，以测试其功能。
对于音乐家患者来说，脑外科手术不能损害他们继续演奏音乐的能力也很重要。与说话一样，外科医生可以使用ESM来刺激大脑的不同部分，看看刺激是否会使患者无法演奏乐器。看到一个人在做脑部手术的时候弹吉他真是太神奇了!通过识别大脑中对演奏音乐重要的区域，外科医生可以在手术中小心翼翼地避免损伤这些区域。在图1在美国，人们说话时，大脑中所有有颜色的部分都被激活，颞叶、顶叶和额叶的一些区域似乎也与演奏音乐有关。
对于大多数人来说，演讲和音乐对于交流是很重要的，无论是用语言进行对话还是用艺术的方式用非语言表达自己。了解大脑中这两种交流方式的特定区域不仅在脑外科手术中很重要，它还可以帮助科学家建立更好的工具来改善交流，特别是对那些中风或瘫痪并失去说话或移动能力的人来说。
ESM期间患者应该做什么?
ESM是一种独特的手术，因为它必须在患者清醒的情况下进行。这通常是如何发生的?首先，给病人用药，使他或她感觉不到任何疼痛。接下来，外科医生会要求病人完成包括说话、倾听和移动在内的各种任务。例如，在一个语音重复任务中，病人听到“说小猫猫”这样的话，病人就会重复“小猫猫”这个词来回应。当患者执行此任务时，外科医生将使用ESM刺激器[2]在大脑的不同区域。当刺激器触及大脑的关键语言区域时，它会干扰患者的说话能力。
令人惊讶的是，ESM会导致病人犯很多种错误。其中一种错误被称为“停顿”，因为病人根本说不出任何话。另一个错误是病人说“kitty tat”而不是“kitty cat”。这叫做代换，这是一种误差，叫做a语音错误，因为病人正在交换“c”的发音(或音素)“cat”开头的“t”。当患者在ESM中试图说话时犯了错误，医生会记录下哪个大脑区域导致了哪种类型的错误，以确保对交流至关重要的大脑区域在手术中没有被移除。
那么，音乐呢?
控制说话和演奏乐器的大脑区域是否相同?
两名需要脑部手术的患者(也是音乐家)想要确保他们大脑中允许他们演奏音乐的部分不会受到手术的影响[3.］．
这些病人接受了语言和音乐测试。使用ESM，我们能够研究相同的大脑区域是否在说话和演奏音乐时都起作用，或者是否有各自独立的大脑区域。为了测试语言，两名患者都被要求从1慢慢数到30，或者直到被告知停止。他们还被要求重复单词。当他们说话时，外科医生用ESM刺激大脑有色区域内的小区域(图1)看看病人是否会出错。每个刺激部位都进行了1到18次的测试。在音乐部分，第一个病人被要求演奏音阶和一首他熟悉的钢琴曲。第二个病人在吉他上弹奏和弦。当患者执行这些音乐任务时，外科医生刺激了与语言任务相同的大脑区域。对于语言和音乐，研究人员观察了哪些类型的错误(图2)患者在刺激过程中做出的反应，以及每种刺激涉及哪些大脑区域。
- 图2 - ESM期间人们在说话或演奏乐器时会犯的一些错误
- 这些类型的错误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，我们有一个例子，一些人说“kitty cat”，并在钢琴键盘上弹奏一系列音符。上面带有“小猫”字样的弯曲线条是声波的图片。蓝色表示单词或乐句的部分发音或演奏正确。当声波或钢琴键是红色时，这表明发生了错误。
这项研究的结果表明，刺激额下回(图中的紫色区域)图1)导致病人停止说话和演奏音乐!科学家此前认为，大脑的这一部分负责规划下巴、嘴唇和舌头的运动，这样我们才能说话。但我们发现大脑的这个区域也控制手的运动。然而，大脑的某些部分只会导致说话错误(在颞上回，图中的粉红色区域图3)或只播放音乐(蓝色区域图3)时，大脑的某些部分会导致两者出错。这些结果似乎表明，额下回在我们如何交流方面有多种功能，而不仅仅是用于说话。由于只研究了两名患者，在其他同样是音乐家的患者中进行进一步的ESM研究很重要，这样我们就可以看到在更大的人群中结果是否相似。
- 图3 -大脑的一些区域主要处理语音，一些区域主要处理音乐。
- 也有一些地区两者兼有。你可以看到大部分额下回和中央前回的中间和后面的区域，紫色的部分，是负责听和说的。蓝色的那一小部分，主要位于后中央回的底部，只参与播放音乐。颞上回的红色区域似乎只与说话有关，与演奏音乐无关。图片来源:https://pixabay.com/illustrations/women-s-music-instrument-piano-1648811/．
我们从语言和音乐中学到了关于大脑的什么?
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之处，但他们也发现了一些差异。4］．在这篇文章中，我们讨论了ESM如何改变只对音乐、只对语言重要的大脑区域的大脑活动，以及在两者中都起作用的大脑区域。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，比如帮助说话和演奏乐器的能力。总的来说，对于大脑的“音乐区域”与“语言和语言区域”的位置存在一些分歧，但这类问题使神经科学变得有趣。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，这样人类就可以更好地相互交流!
作者的贡献
MD、RS和LH参与了本文的构思和文献综述。MD, ML和EC撰写了本工作中引用的原始论文。MD和LH设计并制作了所有的人物。所有作者均参与了稿件的修改、阅读和审定。
术语表
神经元：↑这些细胞组成了我们的大脑，让我们的身体执行各种任务。
癫痫：↑脑细胞(神经元)过于活跃导致癫痫发作的一种脑部疾病。
肿瘤：↑脑瘤脑部的异常肿块，可引起包括癫痫在内的多种症状
脑回/回：↑大脑表面的凸起。
皮层电刺激图(ESM)：↑用电刺激大脑的不同区域，从而中断大脑的不同功能，如说话或运动。ESM使医生能够确定哪些大脑区域对各种功能至关重要。
语音错误：↑在ESM过程中出现的语音错误，患者在尝试说一个给定的单词时切换音素(比如说“tat”而不是“cat”)。
音素：↑当人们试图发字母的音来创造单词时发出的单个音。
利益冲突
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。
致谢
作者要感谢UCSF癫痫中心的患者，他们参与了这项研究任务，使这项工作成为可能。
原文
↑莱昂纳德，M. K.，德赛，M.， Hungate, D.，蔡，R.，辛格尔，N. S.，诺尔顿，R. C.等。2018。直接刺激额下叶皮层会破坏训练有素的音乐家的语言和音乐的产生。Cogn。Neuropsychol。36:158 - 66。doi: 10.1080 / 02643294.2018.1472559
参考文献
[1]↑Leonard, m.k.， Cai, R.， Babiak, m.c.， Ren, A.和Chang, E. F. 2016。皮层电刺激和直接神经记录揭示了单字重复背后的sylvian周围皮层网络。大脑朗。193:58 - 72。doi: 10.1016 / j.bandl.2016.06.001
[２]↑Ojemann, G.， Ojemann, J.， Lettich, E.和Berger, M. 1989。左主导半球皮层语言定位:117例患者的电刺激映射研究。j . Neurosurg。71:316-26。doi: 10.3171 / jns.1989.71.3.0316
[3]↑莱昂纳德，M. K.，德赛，M.， Hungate, D.，蔡，R.，辛格尔，N. S.，诺尔顿，R. C.等。2018。直接刺激额下叶皮层会破坏训练有素的音乐家的语言和音乐的产生。Cogn。Neuropsychol。36:158 - 66。doi: 10.1080 / 02643294.2018.1472559
[4]↑扎托雷，R. 2005。音乐，神经科学的食物?自然434:312-5。doi: 10.1038 / 434312 a