“有趣的大脑项目”揭示大脑组织和功能的关键见解

　　Ev Fedorenko的“有趣的大脑项目”强调了人类大脑在面对早期损伤时的非凡适应和重组能力。

　　

E.G.(化名)是一位60岁出头的有成就的女性:她是大学毕业生，拥有高级专业学位。她拥有一流的词汇量——根据测试，她的词汇量在98%的水平上——并且精通一门外语(俄语)，有时她会做梦。但她可能从出生起就缺少左颞叶，这是大脑中对语言至关重要的部分。

2016年，E.G.联系了麦戈文大脑研究研究所研究员Evelina Fedorenko，她研究的是语言处理背后的计算和大脑区域，看看她的团队是否有兴趣让她参与他们的研究。

麻省理工学院神经科学职业发展副教授Frederick和Carole J. Middleton说:“直到25岁，当她因为一个不相关的原因做了脑部扫描时，她才知道自己丢失了颞叶。”与许多早期脑损伤病例一样，她没有语言或认知缺陷，但像她这样的大脑对于理解认知功能如何在剩余组织中重组是非常宝贵的。我告诉她，我们肯定想研究她的大脑。”

先前的研究表明，语言处理依赖于大脑左半球额叶和颞叶区域相互连接的网络。例独特的大脑为Fedorenko的团队提供了一个机会，来探索在这些核心语言区域的时间部分缺失的情况下，语言是如何发展的。

他们的研究结果最近发表在《Neuropsychologia》杂志上。他们第一次发现，颞叶语言区似乎对同一半球额叶语言区的出现至关重要——这意味着，如果没有左颞叶，例如完整的额叶就无法发展出语言能力。

他们还揭示了更多:例如，她的语言系统快乐地驻留在她的右半球。“我们的发现提供了视觉和统计上的证据，证明了大脑在面对广泛的早期损伤时具有非凡的可塑性，也就是重组的能力，”Fedorenko实验室的研究生、该论文的第一作者Greta Tuckute说。

在对这项研究的介绍中，E.G.本人直言不讳地阐述了这些发现的社会意义。“请不要说我的大脑不正常，那让我感到毛骨悚然，”她写道。“我的大脑是非典型的。如果不是偶然发现这些差异，没有人会从人群中认出我，我可能有一些让我独一无二的差异。”

我们如何处理语言

额叶和颞叶是大脑的一部分，是大脑最大的部分。大脑控制着许多功能，包括五感、语言、工作记忆、个性、运动、学习和推理。它被一条深深的纵向裂缝分为左右两个半球。这两个半球通过一束厚厚的神经纤维进行交流，这束神经纤维被称为胼胝体。每个半球包括四个主要的叶——额叶、顶叶、颞叶和枕叶。语言网络的核心部分位于额叶和颞叶。

对于大多数人来说，语言系统在左右半球同时发育，从小就以左半球为主。额叶比颞叶发育得慢。相互连接的额叶语言区和颞叶语言区使我们能够理解和生成单词、短语和句子。

那么，没有左颞叶的例，是如何能够如此熟练地说话、理解和记忆口头信息(甚至是一门外语)的呢?

简而言之，右半球接管了大脑。Tuckute说:“右半球有一个功能完全正常的神经样语言系统。令人难以置信的是，一个人可以使用一个大脑半球——而且是右半球，对大多数人来说，右半球并不是处理语言的主要半球。”

进入E.G.的大脑

在这项研究中，研究人员使用功能磁共振成像(fMRI)对例的大脑进行了两次扫描，一次是在2016年，一次是在2019年，并让她完成了一系列行为测试。功能磁共振成像测量整个大脑的血氧合水平，可以用来推断神经活动发生的位置。研究人员还扫描了151名“典型”人的大脑。大量的参与者，结合强大的任务范式和严格的统计分析，使得从一个案例中得出结论成为可能，如E.G.

Fedorenko是单一案例研究方法的坚定倡导者，这种方法在医学中很常见，但目前在神经科学中还不常见。“不同寻常的大脑——以及更广泛的不同寻常的个体——可以提供对大脑组织和功能的关键见解，这是我们通过观察更典型的大脑无法获得的。”然而，用功能磁共振成像研究单个大脑，需要在单脑水平上强有力地发挥作用的范式。在该领域使用的大多数范式都不是这样的，因为需要将许多大脑平均在一起才能获得效果。为语言研究开发个体水平的功能磁共振成像范式一直是Fedorenko早期工作的重点，尽管这样做的主要原因与研究非典型大脑无关:个体水平的分析更好——它们更敏感，结果更可解释和有意义。

她在2021年发表在《Current Opinion in Behaviorial Sciences 》上的一篇文章中写道:“对比个体参与者的高质量数据，对比群体层面的地图，就像使用高精度显微镜，而不是用裸眼看，你看到的都是一片模糊。”在开发和验证了这样的范式之后，Fedorenko和她的团队现在可以探索有趣的大脑了。

在扫描仪中，每个参与者执行一项Fedorenko十多年前开始开发的任务。研究人员向他们展示了一系列单词，这些单词组成了真实的、有意义的句子，以及一系列“非单词”——一串可以发音但没有意义的字母。在典型的大脑中，当参与者阅读句子时，语言区域的反应比他们阅读非单词序列时更强烈。

类似地，在对真实句子的反应中，脑内的语言区域突然活跃起来，而左额叶区域保持沉默。在神经正常的参与者中，左右额叶和颞叶的语言区域都被激活，左边的区域比右边的区域更亮。

Tuckute说:“脑电图在处理语言的右侧颞叶和额叶区域表现出非常强烈的反应。如果你看看那些语言主导脑半球位于左侧的对照组，她的右半球的反应与他们的相反半球的反应相似，甚至更高。”

接下来，研究人员不遗余力地询问，例左额叶缺乏语言反应是否可能是由于对认知任务缺乏反应，而不仅仅是对语言的反应。因此，他们进行了一项非语言、工作记忆的任务:他们让典型神经系统的参与者在扫描仪中做算术加法问题。在典型的大脑中，这项任务会在两个半球的额叶和顶叶区域引起反应。

不仅是她的右额叶区域被激活，她的左额叶区域也被激活。“E.G.的语言主导半球(右)和非语言主导半球(左)都对这项工作记忆任务表现出了强劲的反应，”Tuckute说。“所以，是的，肯定有认知过程在进行。例左额叶的这种选择性语言反应缺失使我们得出结论，对于语言，你需要临时语言区来‘连接’额叶语言区。”

下一个步骤

在科学领域，一个问题的答案打开了通往更多未知问题的大门。“在脑电图中，语言占据了右侧额叶和颞叶的很大一部分，”Fedorenko说。“那么神经正常的人通常生活在右半球的功能发生了什么?”

她说，其中很多是社交功能。该团队已经在社交任务中测试了E.G.，目前正在探索这些社交功能如何与她右半球的语言功能共存。它们怎么能装得下?一些社会功能必须转移到大脑的其他部分吗?他们还与E.G.的家人一起工作;他们现在已经扫描了E.G.的三个兄弟姐妹(其中一个失去了大部分右侧颞叶;另外两个是正常的)和她的父亲(也是正常的)。

这个项目现在已经发展到包括许多其他有有趣大脑的人，在新闻媒体报道了一些工作后，他们联系了Fedorenko。有趣的大脑项目承诺为我们的塑料大脑如何重组和适应各种环境提供独特的见解。