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神经学和神经科学界最为人称道的标志之一，莫过于皮质小人模型（cortical homunculus，又称侏儒运动图）。这一模型以其不成比例的身体部位在大脑的特定区域的展示，形象地展示了身体是如何被系统性地映射到感觉和运动皮层上，揭示了大脑中分配给各个身体部位的相对比例。
▷图1.二维小人模型示意图，左：感官小人模型，右：运动小人。图源：musicians-focal-dystonia
这一形象不仅对神经外科的实践和基础大脑研究产生了持久的影响[1]，而且还深入人心，比如伦敦自然历史博物馆及其他地方展示的那些三维黏土模型便是最佳证明，其中巨大的头颅和手部，附着于微小的躯体上，生动展现了小人模型的特征。
▷图2：伦敦自然史博物馆中展示的三维感官小人与运动小人模型，展示了身体如果根据控制各部位运动的大脑皮质的分布情况生长，将会是什么样子的。图源：Dr. Joe Kiff/wiki
小人模型的引入被认为是我们理解大脑结构和功能的一个巨大飞跃，它为医学插图艺术带来了创新，但随着现代研究的深入，我们发现小人模型比最初认识的要复杂得多。一些专家甚至认为它在某些方面是不正确的，呼吁对其进行根本性的修正。
01 经典皮质小人模型
这一独特的“小人”概念，最初由加拿大神经外科医生怀尔德·彭菲尔德（Wilder Penfield, 1891-1976）提出。他在1934年共同创立了麦吉尔大学蒙特利尔神经学研究所，并担任首任所长。在此期间，他开发出一种创新技术，用于识别并切除导致癫痫发作的异常大脑组织。通过这种方法，他和他的同事们绘制了大脑皮层各个区域的详细功能地图。
对于大多数癫痫患者而言，抗惊厥药物能够有效控制症状【1】，但对于那些药物治疗无效、癫痫发作频繁且严重到影响生活质量的患者来说，大脑手术成为了他们的最后希望。彭菲尔德采用的技术涉及在手术中使用电极刺激患者的大脑表面；独特之处在于，患者在整个手术过程中保持清醒状态，能够描述刺激带来的感觉。这为彭菲尔德提供了可能，使他能够在不损害负责运动和语言等重要功能的组织的同时，切除导致癫痫的病变组织。
在对患者头皮进行局部麻醉并开颅后，彭菲尔德会对大脑裸露的表面施加微弱电流。由于患者保持清醒，彭菲尔德不仅能观察到特定区域刺激引起的运动反应，还能询问患者所体验到的感觉和知觉。
彭菲尔德在20世纪30和40年代治疗了1000多名患者，从而全面“绘制”了大脑皮层每个区域的功能。他发现，刺激大脑的某些特定区域可以唤起患者深埋心底的记忆；而刺激其他区域则可能触发音乐或嗅觉幻觉。其中最为人所熟知的一例，便是一位患者报告说：“我闻到了烧焦的面包味！”
然而，彭菲尔德最杰出的成就，莫过于他对感觉和运动皮层结构组织的发现。这两个狭长且紧邻的组织带，自大脑顶部沿中央沟壑两侧向下伸展，而这条深邃的中央沟壑，恰好将额叶与顶叶分隔开来。
在这些区域中，沟壑前方的刺激可以导致身体特定部位的轻微运动或肌肉抽搐，而沟壑后方的刺激则能够触发感觉反应。值得注意的是，身体各部位在这两个区域内被高度精确地映射，因此对任一区域相邻的微小区域进行刺激，都会在身体相对侧的相应部位产生运动或感觉。
当大脑的顶部区域受到刺激时，会引发髋部和躯干的运动或感觉反应；而随着刺激点沿着脑表面向下移动，肩部、手臂、肘部、前臂，直至腕部，依次产生反应。特别是，这两个组织带中，手部、面部、舌头以及喉咙等部位占据了相对较大的区域，每个手指均有独立的区域表示。关键在于，尽管每个身体部位在大脑中的专用区域的确切大小和位置可能因人而异，但从大脑顶部至底部刺激引发的反应序列却是一致的。
在每次手术过程中，彭菲尔德会在患者的大脑上放置编号的小标签，并详细记录通过电刺激特定区域所触发的具体反应（见下图）：
▷图3.彭菲尔德代针对癫痫病患的脑部电极刺激的实验，图中的每个数字对应于彭菲尔德映射的特定大脑功能和感觉。具体描述如下。图源：American Neurological Association
> 14. 从膝盖到右脚有刺痛感，无麻木。
> 13. 整条右腿感到麻木，不包括脚。
> 12. 右侧手腕下边缘感到麻木。
> 11. 右肩感到麻木。
> 3. 手和前臂感到麻木，直至前臂上方。
> 10. 第五指或小指有刺痛感。
> 9. 前三个手指有刺痛感。
> 4. 四个手指（不包括拇指）感到像电击后的麻木。
> 8. 拇指感到运动的感觉；但看不到任何运动的证据。
> 7. 同8。
> 5. 舌头右侧感到麻木。
> 6. 舌头右侧，尤其是尖端，有刺痛感。
> 15. 舌头有刺痛感，伴随上下振动运动。
> 16. 舌根后侧中线部分感到麻木。
> 中央前回从上到下：
> (G) 膝盖的屈曲。
> 18. 手臂和手轻微的抽搐像是电击，并感觉想要移动它们。
> 2. 肩膀向上耸动；不感觉像是发作。
> (H) 右臂、肩膀、前臂的阵挛运动，躯干无运动。
> (A) 手腕、肘部和手的极端屈曲。
> (D) 手的闭合和手腕的屈曲，像是发作。
> 17. 感觉自己将要发作，手臂和前臂屈曲，手腕伸展。
> (E) 手的轻微闭合；刺激后脑部局部潮红；这一动作在强度为24时重复。发红后随之而来的是苍白几秒钟。
> (B) 病人表示他无法控制地闭上右眼，但实际上他闭上了两只眼睛。
> (C) 发出了一点声音；发声。这一动作重复了两次。病人说他控制不住。这与上下唇的运动相关，两边相等……
这些发现首次以视觉形式，通过小人模型被永久记录在彭菲尔德与埃德温·博尔德雷合著的论文《通过电刺激研究人脑皮层的体感运动与感觉表征》(1937)中。[4]这些重要的研究成果揭示了运动和感觉皮层的组织方式：身体的各个部分与大脑的特定区域之间存在着一一对应的关系，相邻的身体部位由相邻的大脑区域所代表。
这种组织方式，被广泛认为是理解大脑结构和功能的一个基本原理，被称作“躯体图谱”。彭菲尔德开发的技术，后来命名为“蒙特利尔程序”，直到今天依然被采用。其中一个著名实例便是几年前小提琴家达格玛·特纳在神经外科手术中演奏小提琴的场景，这一操作帮助外科团队在不损害其运动皮层的前提下，成功移除了脑瘤。
02 女性小人模型
值得一提的是“女性小人模型”（hermonculus）问题。彭菲尔德通过对约400名患者进行术前评估获得的数据综合得出了小人模型。然而，该模型虽然清晰描绘了男性生殖器在大脑皮层的表示，却未表现女性的相应部位，背后的原因众说纷纭。这可能是因为当时社会对于询问或报告女性生殖器感觉持保守态度；或者是女性患者在向男性医生报告这类感觉时觉得不自在；也有可能是因为负责绘制小人模型的医学插画师霍滕斯·坎特利（Hortense Cantlie)不愿意在插画中加入女性生殖器。
还有一个可能的原因是彭菲尔德缺乏足够的女性患者数据——在基于小人模型的研究中，仅有九位女性患者，且只有一位在术前评估中报告了生殖器感觉。这位27岁的女性患者“EC”，手术前因肿瘤引起的自发性癫痫发作，体验到了从左臀部至乳房之间的刺痛感。术中，电刺激感觉皮层在她的左臀部产生了感觉，左脚产生了抽搐。
因此，彭菲尔德及其团队推测，女性生殖器和乳房在大脑皮层中的表示位置可能与男性生殖器位于同一区域：与足部相邻，位于皮质内壁，位于分隔左右半球的纵向裂隙深处。
至于女性身体的神经表征，我们的了解依然有限。在彭菲尔德时代，仅有的另一项研究关注了一位被诊断为“色情狂”的癫痫女性患者，她在发作时会体验到特殊的阴道感觉。当移除了引发发作的肿瘤后，她的症状得到了明显缓解。[5]
从那时直至2011年，仅有10项研究深入探讨了女性解剖部位的体位组织构造。【6】这些研究展现了相互冲突的成果，暗示女性解剖的定位存在差异：一部分科学家认为，与女性解剖相关的感觉区域映射在大脑皮质内壁，与彭菲尔德的观点一致；而另一些科学家则认为，这些区域映射在大脑更高的顶端位置。有研究者提出，应通过更多积极的研究来阐明此一议题，探索“女性小人模型”，并进一步完善对女性生理地图的理解。“怀孕、更年期……或如经历卵巢切除手术等情况后，身体感觉将发生何种变化？”2012年，《大脑皮层》（Cerebral Cortex）杂志上，神经科学家Paula Di Noto及其团队提出了这一问题。[7]
在2022年发表的一个研究中，柏林夏里特医学院的安德里亚·诺普（Andrea Knop）及其同事借助功能性磁共振成像（fMRI）技术，扫描了20位女性大脑，同时通过放置在一次性内衣上、位于耻骨隆起下方的气控振动膜刺激她们的阴蒂，结果显示大脑中阴蒂的表征位于臀部和大腿上方的附近区域，这一发现“独立验证了原始小人模型的修订”。[8]
研究还发现，参与者在扫描前12个月内性交的频率与大脑感觉皮层特定区域的厚度呈正相关，频繁性活动的参与者展示了更厚的皮层组织。相较之下，月经周期的不同阶段并没有显著影响“生殖领域”的皮层厚度。
▷ 图4：Haven Wright, Preston Foerder绘制的3D女性皮质小人模型。论文：Wright, Haven, and Preston Foerder. "The missing female homunculus." Leonardo 54.6 (2021): 653-656. 图源：Anne Urai。
03 修正小人模型
大脑皮层感觉区和运动区肩负着协调与控制肢体运动的重要职责。感觉区负责处理来自身体的触觉与疼痛信号，而运动区则包括了可以通过发出下行信号来激活特定肌肉从而实现运动的神经元。
这两个区域还包含了与空间导航相关的神经元。这些被称为“位置细胞”的导航细胞，位于大脑深处的海马体中。[9]它们最初是在20世纪70年代对老鼠的研究中被发现的，它们只在动物置身于其环境中的特定地点时被激活。自那时起，研究人员在海马体及其周围区域发现了更多类型的导航细胞：头方向细胞（Head direction cells），在动物朝特定方向移动时激活，以及网格细胞（Grid cell），它们在动物穿越开阔空间时周期性地放电。
这些细胞构成了大脑的全球定位系统，它们协同作用生成环境地图，并有助于形成我们用于导航周围环境的空间记忆。最近，两组研究人员独立地证明了这种空间导航系统同样存在于大脑的感觉与运动区域中。
2018年，北卡罗来纳州杜克大学的研究团队发布了一项研究【10】，他们训练了两只恒河猴，这些猴子通过脑机接口控制的轮椅在一间小房间里移动，以此来获得食物。与此同时，他们记录了这些猴子的感觉与运动皮层中数百个细胞的活动。令人惊讶的是，他们发现许多细胞在轮椅移至特定位置时会释放电信号，展现出类似于位置细胞的活动特征。
这一发现在2021年得到了中国新桥医院研究人员进一步的验证。【11】他们在观察觅食中的大鼠时，记录了其感觉皮层中神经元的活动，并识别出了具备位置细胞、网格细胞和头方向细胞特性的神经元。
虽然这一结果出乎意料，但在感觉和运动皮层中发现导航细胞并不令人完全意外。海马体的导航细胞负责生成地图和辅助导航，而在这里，它们很可能负责编码身体在其周围环境中的位置和方向。
这些在感觉和运动皮层中发现的导航细胞，为我们提供了一个机会，使我们可以扩展对大脑这些区域功能的理解。关于女性身体空间组织的研究指出，传统的小人模型需要更新。此外，圣路易斯华盛顿大学医学院的研究团队现在认为，传统小人模型存在根本性的错误，必须进行彻底的重新绘制。
埃文·戈登（Evan Gordon）、尼科·多森巴赫（Nico Dosenbach）及其团队试图通过在休息状态和执行各种运动任务时，使用fMRI扫描七名志愿者的大脑，试图复现彭菲尔德的研究成果，并为每个人生成高分辨率的大脑图谱。随后，他们使用来自三个大型公开数据集的数据进行验证，这些数据集合共包含了大约50,000人的大脑扫描资料。
他们发现，脚、手和面部的运动与彭菲尔德所识别的运动皮层部分相关联，但在这些特定区域之间，夹杂着其他看似与运动无关的区域。这些其他区域比两侧与身体各部分直接相关的区域更薄，它们互相连接，不仅在同一半球内，还在大脑的两个半球之间形成了一条沿着运动带向下延伸的链条。
经过进一步研究，研究人员发现某些大脑区域不仅彼此紧密相连，还与远处的大脑区域形成了强烈的联系。这些远端区域涉及“执行”功能，如思考与规划、视觉处理，以及对触觉、疼痛和身体内部信号的处理。当参与者考虑移动时，这些区域会变得更加活跃。
研究团队发现，这些大脑区域共同构成了一个网络，不仅整合了全身运动，还能通过调节警觉性、姿势、呼吸和心脏功能变化来预测这些运动。
▷图5：左：彭菲尔德当年绘制的小人模型；右：多森巴赫团队绘制的修正后的小人模型。其中标红部分为经典小人模型无法解释的部分。图源：Nature
多森巴赫在一次采访中指出：“考虑到大脑的真实功能，这些相互连接显得非常合理。大脑的存在目的是为了使个体能够在环境中采取有效行动，从而实现目标，而不会受到伤害。控制运动的大脑区域与那些管理执行功能及基础生理反应（如血压和疼痛感应）的区域必然是相互关联的。”[12]
鉴于这些发现，戈登、多森巴赫及其同事们认为，彭菲尔德经典的小人模型已经过时，至少在很大程度上是不完整的。他们认为有必要从根本上修订这一模型，以便包含他们所发现的这一网络系统。他们为这个网络命名为“躯体-认知行动网络”（SCAN）。[13]
多森巴赫补充说：“彭菲尔德的贡献是杰出的，他的理论已经主导了90年……但当我们开始深入探索时，发现大量已发布的数据并不完全支持他的观点，存在被忽视的替代解释。”“我们汇总了众多不同的数据，并对它们进行了全面的梳理和综合，提出了一种全新的思考方式，探讨身体和心智如何相互联系。”
04 意义
对于那些利用小人模型指导神经外科手术的医生而言，这意味着什么呢？在执行癫痫手术时，由于很可能会损害到感觉或运动区域，医生们面临着巨大的挑战。通常情况下，由运动皮层引起的癫痫发作可能局限于身体的某一特定部分，但同时也有可能扩散至周围的区域。依据戈登、多森巴赫及其团队的研究，这些非运动区域可能以一种非典型的方式促使癫痫扩散。
“癫痫仅限于此区域且不扩散到邻近的运动区域的可能性很小，我预计在大多数情况下会出现典型的症状，”安大略省伦敦西部大学的神经外科教授戴维·史蒂文（David Steven）解释道。由于大脑区域之间的界限模糊，手术的风险相对较高，尽管“面部区域通常较为安全，因为它在大脑的两侧都有代表性”。
实际上，大脑中的小人模型仍然扮演着关键角色。“它对于术前准备和术中决策仍然至关重要且极为相关，”史蒂文说。“虽然这种模型可能有所简化，但从实际操作的角度看，它是必不可少的。”
在手术台之外，关于如何将身体映射到运动皮层的深入理解，对于开发用于控制假肢的脑机接口至关重要，[14]这些接口能够帮助恢复瘫痪患者和截肢者的功能。这些设备一般包括植入运动皮层的微电极阵列，它们能够读取规划和执行动作时的大脑活动，并将之转换为用来控制轮椅或机械臂的指令。[15, 16]
虽然早期的假肢设备显得笨重，但随着技术进步，新型设备越来越精细，并能够同时刺激感觉皮层，提供感觉反馈。这不仅恢复了一定的触觉感知，还使用户能够更好地控制设备，并可能减轻大多数截肢者经历的幻肢痛。更精确地绘制感觉小人模型无疑将使假肢为用户提供更为逼真的感觉反馈。[17]
未来，这些知识以及对不同类型触觉背后大脑活动更深入的理解，也许能够促进下一代触觉设备的开发，包括那些能够通过微小的电脉冲或磁脉冲精确作用于感觉皮层，从而在用户身体的任何部位产生各种逼真感觉的头戴设备。
从假肢到游戏的未来，大脑中的小人模型——无论男性还是女性——可能仅仅是开端。即使我们仍在探索他们是如何全面运作的，这些知识的应用前景已经开始显现。
原文：https://aeon.co/essays/the-iconic-brain-map-thats-changing-neurosurgery-and-gaming
参考文献：
- [1]:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5841206/
- [2]:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6293064/
- [3]:https://academic.oup.com/brain/article-abstract/60/4/389/332082
- [4]:https://academic.oup.com/brain/article-abstract/60/4/389/332082
- [5]:https://jamanetwork.com/journals/archneurpsyc/article-abstract/650049
- [6]:https://academic.oup.com/view-large/13875800
- [7]:https://academic.oup.com/cercor/article/23/5/1005/797920
- [8]:https://www.jneurosci.org/content/42/6/1131
- [9]:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8437367/
- [10]:https://www.nature.com/articles/s41598-018-27472-4
- [11]:https://www.nature.com/articles/s41422-020-00448-8
- [12]:https://www.mir.wustl.edu/magazine/finding-a-mind-body-connection-in-the-brain/
- [13]:https://www.nature.com/articles/s41586-023-05964-2
- [14]:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7483626/
- [15]:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S258900422201690X
- [16]:https://www.nature.com/articles/nature11076
- [17]:https://www.frontiersin.org/journals/neurology/articles/10.3389/fneur.2018.00270/full