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流行了90年的“侏儒运动图”，是如何被推翻的？

2023-05-23 15:15

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 Nico Dosenbach 酷炫脑

Via：nature

以下为朗读小姐姐全文音频

作者 | Nico U.F. Dosenbach

翻译 | 王齐家

审校 | 酷炫脑

朗读 | 胡恩

美工 | Jenny

编辑 | YJ

我对教科书教义的信任使我对摆在我们面前的数据视而不见。随着时间的推移，我们对数据的信心越来越大，以至于我们最终对它的信任超过了通行的神经科学学说。

在哥伦比亚大学的神经科学课程中，我了解到了“皮质小人”homunculus。这个“皮质小人”被描绘成人体在大脑皮层控制运动的从脚趾到头部部分的颠倒表示。怀尔德-彭菲尔德，这位开拓性的美国神经外科医生，在20世纪30年代通过在清醒的病人身上使用直接电刺激绘制人脑区域图后，创造了同形体隐喻。

在这项工作中，与彭菲尔德一起工作的一名护士创造了科学界最具代表性的插图之一。它显示了在大脑表面延展开来的小人：一个小的身体，有放大的嘴、手和脚，每个部分都被夸大了，与所占用的神经区域的数量成比例。后来，"小人"的三维表现形式将其描绘成一个怪异的、没有头发的侏儒，有着巨大的嘴唇、手和脚。这种有点吓人的生物被写进每本神经科学教科书中，甚至他们会带有蝙蝠翅膀。

Via： Karen Gulliver

作为一名学生，以及后来作为该领域的从业者，我已经接受了“皮质小人”的说法，认为这是不容置疑的事实。作为一名教授，我尽职尽责地教导学生，这个扭曲的图形代表了大脑组织的一个关键方面。证据似乎是压倒性的：刺激与运动皮层相关区域相对应的大脑区域，产生指导身体运动的信号，引起预期的脚、手和面部肌肉抽搐。神经影像技术同样将手或脚趾的运动映射到相匹配的大脑区域，而中风造成的损伤会阻碍预期身体部位的运动。鉴于这一切，对这一脑区的任何新研究似乎都是很难继续推进的。因此，我将自己的研究集中在其他地方。

一组反常的发现使我们的团队开始考虑复制彭菲尔德的原始工作。它使用了一种专门的核磁共振成像，确定了专门用于某种特定功能的大脑网络。这种 "静止状态"的功能神经影像学负责观察了一个人躺在扫描仪中休息时，大脑不同区域同时发生的自发活动。

大约三年前，这些后世的成像方法的结果与彭菲尔德时代的经典神经解剖学发生了激烈的冲突。问题的起因是，我试图决定在多大程度上可以信任一种清理成像数据的新方法，并对其有效性进行我认为是常规的测试，即检查与手相对应的同位素区域的连接。

“皮质小人”的手显示出与另一半大脑中的手部区域的预期联系，控制脚和嘴运动的运动皮层相关区域也是如此。但是，当我们在构成同形体“小人”的这个大脑部分上下移动时，结果使我们感到惊讶。

成像中出现了一个荒谬的模式，显示出三个相互关联的、以前没有记录的区域就在运动皮层的同形区中。人们认为，运动同体区只在大脑半球之间相互联系，左手与右手，左脚与右脚。与同一半球内不同位置的联系不应该存在。我试图把这个看起来很奇怪的"三点"成像图案当作一个实验误差，但在讨论中我们也承认，我们所看到的可能与支持同形体的经典神经科学有某种程度的矛盾。我们继续通过尝试不同的方法进行探索。

大脑两侧的三个点最初让研究人员感到困惑。它们与大脑中负责思考和控制身体机能的区域相关联，而且它们还削弱了教科书中流行的同形体隐喻。图片来源：Evan Gordon/华盛顿大学

我无法理解这个结果。如果只有一个完整的同形体，为什么在这部分运动皮层的中间会有这种独立的、根本不同的大脑连接情况？在同形体的中间，这个独特的大脑网络是什么？我把这个破碎的同形体的发现归入我大脑的“不计较”文件夹，并试图在其他项目上工作。但这项发现一直困扰着我。

有一次，我和我的合作者埃文-戈登在研究数据时发现，同形体中神秘的三个点与一个对计划未来行动很重要的认知控制网络相连接，而我从研究生阶段就一直在研究这个网络。这些与高阶控制区域的连接奠定了这样的想法：三点网络可能对合并来自同形体的运动指令信号和用于更抽象规划的神经活动非常重要。

如果是这样的话，这就意味着也许，只是也许，需要重新描绘同形体的经典“小人”形象。埃文和我达成了一个协议，无论这个矛盾的发现指向哪里，我们都要追寻它，即使它似乎挑战了神经科学教科书中的解释。我们继续重新审视自己之前的工作，拉来所有我们能拿到的潜在相关数据集，进行新的实验，并重新审视已发表的支持和反对的证据，这些证据可以追溯到20世纪初。

揭开这三个关联点之谜的探索充满了许多惊喜。早期，埃文兴奋地宣布，我们自己之前的出版物已经揭示了三点的位置。我感到不可思议，并固定在这三个成像瑕疵上，我在数据上花了很多时间，以至于它们“侵入”了我的梦中。

作为我们探索的一部分，我们意识到在猕猴和其他非人类灵长类动物身上同样发现了一些矛盾的结果，这些结果在当时还不足以挑战同形体隐喻。通过挖掘彭菲尔德大约90年前的原始脑刺激数据发现，这些矛盾的结果与其他不符合同形体隐喻的运动皮层组织模型同样一致，甚至更加一致。

再进一步观察，我们发现我们的发现可以与其他相对较新的研究相协调。2002年，普林斯顿大学的神经科学家迈克尔-格拉齐亚诺及其同事发现，在非人类灵长类动物中，运动皮层的同一区域负责控制进食、防御行为和其他比腿或嘴唇的运动更复杂的动作。这项研究和其他研究开始促使我们得出这样的结论：经过90年的发展，“皮质小人”的模型已经准备好退休了。一个大致反映人体从头到脚排列的运动皮层区域的想法不能再占上风了。

我们在最近的《自然》杂志文章中为我们的观点提出了证据。我们的研究结果显示，身体的这种神经表征被切成三个部分，一个是脚，另一个是手，还有一个是嘴，而不是在一个单一的同位素中对身体运动进行连续的头到脚的表述。分开或毗邻这些区域的是神秘的三个点的位置，这三个点给我们带来了很大的挫折感。所有这三个地方原来都是相互联系的，我们发现它们负责一系列的任务，包括计划、调节内部器官，甚至在某人只是在考虑做一些动作时也会变得活跃。本质上，形成了思想和身体之间的联系。

这个网络被我们命名为 “身体-认知行动网络”（SCAN），它执行一个计划来移动整个身体。它通过与控制呼吸心率、肌肉紧张、甚至胃里运动的其他大脑区域相连接，将心和身体结合起来，所有这些都为计划未来的行动提供反馈，从而需要避免下次出现胃部不适或撕裂伤。SCAN还连接到对驱动力和动机很重要的区域，这些区域的损伤会诱发冷漠。认识到身体控制和运动活动是由一个共同的大脑回路代表的，这有助于解释为什么精神和身体状态经常相互影响。

当意识到疼痛和全身运动是由同一个大脑网络控制的时候，运动或电刺激运动皮层以缓解慢性疼痛的积极效果开始变得有意义。如果唤醒和启动一些身体动作是同一网络的一部分，那么用兴奋剂治疗保持任务和多动的困难似乎也不那么自相矛盾了。

总的来说，我们的发现意味着“皮质小人”是不穿衣服的。我怎么会长期忽视如此明显的东西呢？这让我大开眼界，意识到我的思维是如何被先前的假设所左右的。我对教科书教义的信任使我对摆在我们面前的数据视而不见。随着时间的推移，我们对数据的信心越来越大，以至于我们最终对它的信任超过了通行的神经科学学说。

“侏儒”可能活到了90岁，因为每个人都喜欢一个好故事。“皮质小人”扭曲的形象，超大的嘴唇和手，是如此引人注目，以至于它有了自己的生命。潘菲尔德在他的书中强调，皮质小人主要是一个用于教导医学生的模型，它不能也不该被过度解读。

Via：The Natural History Museum, London/Science Source

参考文献（点击滑动查看）

Dosenbach, N.U.F. (21 Apr 2023). How Our Team Overturned the 90-Year-Old Metaphor of a ‘Little Man’ in the Brain Who Controls Movement. Scientific American. https://www.scientificamerican.com/article/how-our-team-overturned-the-90-year-old-metaphor-of-a-little-man-in-the-brain-who-controls-movement1/