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神经科学家通过大脑追踪了一个思想的进程

导读科学家直接记录了大脑表面神经元的电活动,发现对于一个简单的任务,例如重复以视觉或听觉方式呈现的单词,视觉和听觉皮层会首先做出反应以

科学家直接记录了大脑表面神经元的电活动,发现对于一个简单的任务,例如重复以视觉或听觉方式呈现的单词,视觉和听觉皮层会首先做出反应以感知字。然后将前额叶皮层插入以解释其含义,然后激活运动皮层以准备响应。在刺激和反应之间的半秒内,前额叶皮层保持活跃以协调所有其他大脑区域。

对于一项特别艰巨的任务,例如确定单词的反义词,大脑需要几秒钟的时间做出响应,在此期间前额叶皮层吸收了大脑的其他区域,包括可能实际上不可见的记忆网络。只有这样,前额叶皮层移交给运动皮层,以产生口头反应。大脑的传递越快,人们的反应就越快。

有趣的是,研究人员发现,在最初的刺激表现期间,大脑很早就开始准备运动区域以做出响应,这表明我们甚至在知道响应是什么之前就已经准备好响应。

加州大学伯克利分校海伦·威尔斯神经科学研究所资深研究员,论文的主要作者阿夫古斯塔·谢斯蒂库克(Avgusta Shestyuk)说:“这也许可以解释为什么人们有时会三思而后行。”这些发现,包括前额叶皮层在协调大脑所有激活区域中所起的关键作用,与神经科学家在过去几十年间从研究中得到的拼凑一致。猴子和人类。

加州大学伯克利分校心理学和神经科学教授,UCSF神经学和神经外科教授罗伯特·奈特(Robert Knight)说:“这些非常有选择性的研究发现额叶皮层是协调器,将事物联系在一起以获得最终输出。”“在这里,我们进行了八项不同的实验,其中一些患者需要交谈,另一些患者则需要按一下按钮,其中一些是视觉的,而其他则是听觉的,所有这些都发现了一种活动性的普遍特征,其集中在前额叶上,该联系将感知和行动。这是认知的粘合剂。”

其他神经科学家已经使用功能磁共振成像(fMRI)和脑电图(EEG)来记录思维大脑的活动,而加州大学伯克利分校的科学家采用了一种更为精确的技术,即皮质电描记法(ECoG),该技术从放置在大脑上的数百个电极进行记录。大脑表面并检测发生思考的外部薄层皮质的活动。ECoG比fMRI具有更好的时间分辨率,比EEG具有更好的空间分辨率,但需要接受高度侵入性手术(包括打开颅骨以查明癫痫发作位置)的癫痫患者。

癫痫患者的线索

目前的研究招募了16名癫痫患者,他们同意在旧金山UC和旧金山加利福尼亚太平洋医学中心,帕洛阿尔托的斯坦福大学和巴尔的摩的约翰·霍普金斯大学接受癫痫手术的同时参加实验。

“这是研究人们的想法以及人们如何做出不同决定的第一步;人们的基本行为方式。” 10年前从第一位患者那里记录下来的Shestyuk说。“我们正在尝试观察环境中发生的事情与我们对其做出反应之间的那段时间间隔。”

将电极放置在每个患者的大脑上后,Shestyuk和她的同事执行了包括视觉和听觉刺激在内的一系列八项任务。任务的范围从简单的(例如重复一个单词或识别面部或语音的性别)到复杂的(例如确定面部表情,说出单词的反义词或评估形容词是否描述患者的性格)。

在执行这些任务期间,大脑显示出四种不同类型的神经活动。最初,听觉和视觉皮层的感觉区域被激活以处理听觉或视觉提示。随后,主要位于感觉和前额叶皮层的区域被激活以提取刺激的含义。在这些过程中,前额叶皮层持续活跃,从而协调来自大脑不同区域的输入。最后,当运动皮层激活以产生口头反应或动作(例如按下按钮)时,前额叶皮层站立下来。

Shestyuk说:“这种持续的活动主要是在额叶皮层中,是一种多任务活动。”功能磁共振成像研究通常发现,当一项任务变得越来越困难时,我们会发现大脑,尤其是额叶前额皮层有更多的活动。在这里,我们能够看到,这不是因为神经元一直在非常非常努力地工作并且不断放电,而是因为越来越多的皮质区域被招募。”

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