综述收藏：脑网络清醒映射及语言定位的发展历程

最初皮层功能区是通过发现损伤-症状对应的关系而定位的，例如经典的控制言语及语言的Broca-Wernicke 区。功能区定位方式的转变归功于人脑皮层直接电刺激（DES）的蓬勃发展。后来随着神经麻醉学发展，可以在术中致痫灶或肿瘤切除后将患者唤醒，这给神经外科医师提供了途径去研究皮层及皮层下通路，理解神经构造的同时实现病灶最优化切除。

本文将对DES在研究皮层及皮层下映射的重要性，以及DES辅助研究言语及语言的中枢的漫长历程展开综述。最初神经外科医师认为大脑由独立运作的功能模块组成，但随着对皮层及皮层下映射的深入了解，诞生了新的观点——大脑是由相互连接的皮层亚区组成的一个动态的、一体化的大型网络。

19世纪，Gall and Spurzheim 主导的颅相学认为语言中枢能通过肉眼发现。后来，Paul Broca(1861)和Carl Wernicke(1874)率先提出的损伤-症状映射(lesion -symptom mapping）发现了言语和语言在大脑皮层中的功能定位。具体来说，额下回参与言语表达，而颞后叶负责语言理解。随着神经麻醉技术的进步，Penfield通过清醒开颅术、对言语和语言映射方面取得了更复杂、更全面的理解。

近些年，使用类似的方法，通过皮层下通路的直接电刺激(DES)，发现了一个更精细的临床模型：两个并行的处理流(腹侧语义流和背侧音系流)。在这里，我们将对言语及语言映射的发现史进行综述，并介绍一些从经典的区域性模型发展到更复杂的言语和语言组织网络。

从区域化到网络整体化

Jean Pierre Flourens在1842年提出，大脑作为一个整体发挥作用且各部分是同等级别的。Bouillaud和后来的Broca则支持脑功能的区域化原则。Broca发现他的2例患者言语清晰度受额下回局限调控。1874年，Wernicke指出听觉语言中枢位于颞上回，而且他认为大脑前区(额叶)调控言语清晰度，而后区则与感知或语言理解有关。

后来，Dejerine(1906)将这个区域定位到颞上回的后三分之一，并由Marie扩展到包括顶叶的更大范围(1906)。这些基于损伤-症状相关性的模型展现出不一致的结果，而且都不够完善，但为脑功能网络假说的提出奠定了基础。

图1所示。A:Wernicke绘制的语音定位图包括听觉区“a” 和Broca绘制的“b” 。虚线表示可能的传导通路。B:“A”表示Wernicke区(单词的听觉图像)，B表示Broca区(发音的运动图像)，“Pc”表示单词的视觉图像。C:使用DES干涉的左半球Penfield绘制的言语区。阴影区或言语皮质包括前区(Broca’s)、后区(Wernicke’s)和上区(辅助运动区)。D: Ojemann的概率映射显示出语言皮层定位存在显著的个体变异性。上面的数字表示在该区域受试者的数量，下面的数字表示在该区域出现诱发命名错误的患者比例。E: hodotopic映射结合了皮质和轴突解剖以及术中DES支持的双流模型。

皮层DES

Penfield是第一个使用DES系统地来研究语言功能区。在与患者互动（术中对患者进行了命名、计算、写作和阅读功能评估）时的实时DES帮助下，Penfield在言语及语言禁区开展切除手术，并创造了“Montreal procedure（蒙特利尔手术，现代清醒开颅术的基石）”。Penfield证实，病变或刺激越靠近“第三额回后部”，对言语运动成分的影响越大;离颞枕交界越近，对阅读和写作的影响越大;离后上颞叶越近，语言理解能力越差。他还在提出的“言语假说”中强调了皮质下联系的存在，具体地说，这三个言语区域通过投射到部分丘脑(间脑系统)来协调运作。 

于是Penfield开始反对静态言语和语言网络的概念，并提出实际上存在动态连接。在这种连接中，大脑皮层区域网络可以补偿经典语言区域的损伤。在Penfield对语言的开创性研究之后，其他研究者也证实了语言区在皮层的广泛分布。

皮层下DES

模式化的、僵化的功能分区理论无法解释皮层局部病损后功能的恢复情况。虽然皮质功能区的完整有助于保持病人的生活质量，但白质束的保护也被认为是避免永久性缺陷的关键。

Hugues Duffau报道了第一个术中绘制的皮质下语言通路图。在30例接受低级别胶质瘤切除术的右利手患者中，发现了几种皮层下的语言通路，包括胼胝体下束(刺激导致失语症和自发性语言减少)和弓状束(传导性失语)。在一项对103例患者的随访研究中，使用皮质下映射，没有出现由于白质束中断而导致的神经功能障碍。有趣的是，80%的患者术后即刻发生言语和语言功能恶化，但94%的患者远期预后良好。

采用扩散张量磁共振成像技术，提高了解剖功能相关性。Duffau提出了一个局部解剖学的框架，在这个框架中，并行分布的皮质与皮质下网络服务于语音、语义和句法处理。重新使用皮层下刺激的映射方法成为建立脑深部解剖功能连接的唯一手段。该解剖框架支持言语和语言网络各有一条通路:背侧发音通路和腹侧语义通路，这与Hickock和Poeppel的模型一致。纤维追踪技术和皮质下DES表明，背侧通路由上纵束(SLF)构成。这是由弓状束(连接颞后叶和额下回)组成的，当其受到刺激时，会导致传导性失语症;而SLF的外侧部分(连接颞上叶和顶叶，与腹侧运动前区)受到刺激时，会导致发音障碍。腹侧通路又分为直接束和间接束，前者由枕下额叶束(IFOF)组成，后者由钩状束和下纵束(ILF)组成。

除了Penfield的图片命名和计数任务外，术中还让患者执行其他任务，包括联想语义任务(IFOF)、跨模态判断任务(IFOF)、人脸命名任务(钩状回)、双重任务 (SLF)、直线二等分任务 (SLF)和阅读任务 (ILF)以及多语言翻译任务。

这项工作已经革新了言语和语言映射的传统观点，一个相互联系的和动态的脑区联合网络(hodotopical：脑功能是在一个交互的、多模态的、广泛分布的网络中动态调制并行信息分流的结果)。在临床上，“hodotopical”模型解释切除功能明确的皮质后可以保持功能的完整。

此外，通过解剖和DES相关性建立的hodotypical模型挑战了传统的脑功能区定位，认为脑功能的进程不仅仅是几个独立工作的网络的总和，而是并行和重叠子网络后的整合和增强的结果。这种重叠导致了一个多模态网络大脑。因此，与经典的Wernicke-Geschwind模型不同，语言生成需要并行的分散子网络之间的动态交互，这些子网络的参与会根据所需的任务而变化。

图2所示。心理学图一展示了大脑中重要的语言区域。弓状束连接绿色区域(Wernicke's)和蓝色区域(Broca's),这一通路的破坏导致传导性失语症。From Psychology Wiki.

讨论

1870年，Fritsch和Hitzig在狗的大脑中证实了运动区域的存在，但是人类语言中枢的神秘面纱依旧等待着临床医师去揭开。在Broca报道了俩名失语患者的40年后，随着失语症、失写症、失读症、失语症、词盲、词聋、运动失语症、感觉失语症和全球失语症等新术语的出现，人们对言语和语言功能区有了更深的理解。

后来Penfield通过大量清醒状态下的开颅手术和皮质DES，发现了这些神经功能缺陷及其皮质定位的详细情况。他的研究也基本上证实了他之前的尸检结果，支持了经典的Broca-Wernicke模型。同时，Penfield的研究结果也表明，一个由相互连接的大脑区域组成的更复杂的网络能够补偿局部受损的功能脑区。

后来，Ojemann发现，语言区域分散在额叶、颞叶和顶叶，且具有显著的个体差异。随着近年来对皮层下通路的关注，Duffau促成了一个新的临床模型，在这个模型中，言语和语言由两个并行的处理通路组成，分别服务于语义、语音和语法处理。

过去清醒病人的DES发现证实了皮质区域是功能单元(模块)，之后的DES则揭示了言语和语言映射是一个相互联系的网络，且是一个大规模的、动态的、空间分布的、涵盖皮层和皮层下的网络，且由可代偿的基本节点和结构组成。

DES仍然是实时探究结构-功能关联的重要方法。这使外科医生可以实现在维持患者功能平衡的同时优化病灶切除，也为推进基础认知神经科学提供了一个独特的机会。

参考文献：

Rahimpour S, Haglund MM, Friedman AH, et al. History of awake mapping and speech and language localization: from modules to networks. Neurosurg Focus 2019;47(3):E4. doi: 10.3171/2019.7.FOCUS19347 [published Online First: 2019/09/02]

作者信息

 

编译作者：Chole Full（brainnews创作团队）

校审：Simon（brainnews编辑部）

题图：Forbes

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