2024-05-13 09:05:35

癫痫手术揭示大脑的秘密高速公路:神经中枢的作用

癫痫手术揭示大脑的秘密高速公路:神经中枢的作用

爱荷华大学研究小组对癫痫患者的研究表明,大脑中枢对正常的大脑处理至关重要,尤其是在语言方面。在移除与语言相关的中枢后,大脑表现出快速的适应性反应,强调了这些中枢的重要性,并挑战了之前的理论。来源:SciTechDaily.com

脑外科手术中罕见的实验帮助研究人员更好地理解神经网络。

由爱荷华大学领导的国际团队神经科学家首次获得了人类大脑在一个对语言意义至关重要的大脑中枢被手术切断前后几分钟的直接记录。结果揭示了这一点大脑中枢在神经网络中的重要性,以及人类大脑在中枢丢失时试图补偿的非凡方式,这种方式的及时性之前从未被观察到。

当大脑失去一个神经元会发生什么创造中心吗?对神经网络的直接影响是什么?它是如何补偿的?

中心无处不在。自行车的轮毂,辐条从中心伸出,防止车轮在骑自行车时塌陷。机场枢纽连接着世界各地的城市。像咖啡店或在线社交网络这样的社交中心是人们聚集在一起进行互动的地方。

人类大脑也有中枢——许多神经通路的交叉点,帮助协调大脑活动,这些活动需要复杂的功能,比如理解和回应语言。然而,对于某些大脑功能来说,高度互联的脑中枢是否不可替代一直存在争议。根据一些说法,大脑作为一个已经高度互联的神经网络,原则上可以立即弥补中心的损失,就像交通可以在被封锁的城市中心周围重新定向一样。

来源:爱荷华大学卫生保健

脑中枢研究的突破

通过难得的实验机会,由神经外科教授兼首席执行官Matthew Howard III医学博士和神经外科研究副**Christopher Petkov博士领导的UI神经外科和研究团队在理解单一中心的必要性方面取得了突破。

通过获得语言意义所需中枢丢失时会发生什么的证据,研究人员展示了中枢的内在重要性,以及大脑适应能力的显著和快速,至少部分地试图立即弥补它的损失。这项研究结果最近发表在《自然通讯》杂志上。

创新性神经外科研究

该研究是在两例癫痫患者的手术治疗期间进行的。两名患者都在接受手术,需要切除前颞叶(大脑中控制语言意义的中枢),让神经外科医生能够进入导致患者癫痫发作的更深的大脑区域。在这种类型的手术之前,神经外科团队经常要求患者在手术室里进行语言和语言任务,因为他们使用植入的电极来记录离计划手术区域近和远的大脑部分的活动。这些录音有助于临床团队有效地治疗癫痫发作,同时限制手术对患者言语和语言能力的影响。

通常,在手术切除后不需要记录电极并将其移除。这项研究的创新之处在于,神经外科团队能够安全地完成手术,手术后将记录电极留在原位或更换到相同的位置。这使得获得罕见的术前和术后记录成为可能,使研究人员能够评估远离中枢的大脑区域的信号,包括远离手术部位的语音和语言区域。对失去中枢前后对语音反应变化的分析揭示了信号的快速中断和随后更广泛的大脑网络的部分补偿。

惊人的发现和理论意义

Petkov在英国纽卡斯尔大学医学院(Newcastle University Medical School)任职,他说:“从手术治疗部位移除的语言和语言处理区域受到的迅速影响令人惊讶,但更令人惊讶的是,大脑是如何在这么短的时间内进行补偿的,尽管不完全。”

这一发现反驳了质疑特定大脑中枢必要性的理论,表明中枢对维持正常的大脑语言处理很重要。

“神经外科治疗和新技术不断改善为患者提供的治疗选择,”霍华德说,他也是爱荷华神经科学研究所的成员。“这样的研究强调了安全获取和比较手术前后电记录的重要性,特别是当大脑中枢可能受到影响时。”

支持神经生物学理论

根据研究人员的说法,对神经网络的直接影响及其快速补偿的本质的观察,为支持伦敦大学学院(University College London)卡尔·弗里斯顿(Karl Friston)教授提出的一种大脑理论提供了证据,该理论认为,任何处于平衡状态的自组织系统都是通过最小化其自由能来实现有序的,这是对普遍无序趋势的一种抵抗。人类大脑中枢断开后的这些神经生物学结果与一些预测和相关的神经生物学理论一致,显示了大脑在失去一个中枢后如何努力恢复秩序。

参考文献:“语义中心断连后的即时神经影响和不完全补偿”,作者:Zsuzsanna Kocsis, Rick L. Jenison, Peter N. Taylor, Ryan M. Calmus, Bob McMurray, Ariane E. Rhone, McCall E. Sarrett, Carolina Deifelt Streese, Yukiko Kikuchi, Phillip E. Gander, Joel I. Berger, Christopher K. Kovach, Inyong Choi, Jeremy D. Greenlee, Hiroto Kawasaki, Thomas E. Cope, Timothy D. Griffiths, Matthew A. Howard III和Christopher I. Petkov, 2023年10月7日,Nature Communications。DOI: 10.1038 / s41467 - 023 - 42088 - 7

除了Petkov和Howard,研究团队还包括来自UI神经外科、放射学、心理和脑科学部门的研究人员,以及来自英国纽卡斯尔大学、伦敦大学学院和剑桥大学的同事,以及来自美国卡内基梅隆大学、威斯康星大学麦迪逊分校和冈萨加大学的同事。

这项研究的部分资金来自美国国立卫生研究院和惠康基金会。以及欧洲研究委员会。

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