二十年前，来自UCLA的神经外科医生Itzhak Fried正在用为治疗癫痫手术而植入的电极刺激一位女性患者的大脑。他意识到他的患者想告诉他一些事情，当他弯下腰倾听时，她嘟囔着说她突然有移动手臂的冲动。显然，一个电极激活了大脑中控制她运动意愿的运动皮层区域。Fried意识到，像这样的医疗程序提供了一个罕见的科学机会：接受神经外科检查的患者使研究人员能够精确、实时地研究人脑的运作，探索不同区域的功能。
如今，像Fried这样的外科医生越来越多地与大脑研究人员合作，以利用这种机会。目前已有大约30个此类合作项目在进行中。尽管功能磁共振成像（fMRI）和正电子发射断层扫描（PET）等非侵入性成像方法可以追踪大脑的活动，但它们的解析度有限。正如加州理工学院的神经科学家Ueli Rutishauser所说：“fMRI就像从太空看城市。你可以看到灯光的亮度，可以看到居民的数量，但看不到他们在做什么，或者谁在和谁说话。要了解这些，你必须亲自走进街道。”
在许多情况下，对活体脑组织的直观探索仍然是揭示语言、记忆、视觉和运动等各种认知功能的最佳方法。其中许多研究都借助了癫痫患者的测试。有时脑部扫描无法确定需要切除哪些区域才能阻止癫痫发作。如果发生这种情况，外科医生可能会植入电极来记录神经活动，然后让患者住院数天或数周，直到下一次癫痫发作。在这些连接了电极的患者同意下，Fried和哈佛医学院的神经科学家Gabriel Kreiman正在进行研究，以探究大脑如何编码视觉信息。
十多年前，Fried发现当受试者看到名人或其他知名人士的图像时，单个脑细胞似乎会做出反应。2008年，他的团队报告称，当受试者观看并回忆一段10秒钟的视频片段时，单个神经元会变得活跃，这表明即使是复杂的偶发性记忆也可能被编码在特定的细胞中。
在Fried实验室附近，Cedars-Sinai医疗中心的神经外科医生Adam Mamelak正与加州理工学院的Rutishauser合作进行一项相关项目。他们一起测试癫痫患者的记忆，以揭示图像识别的大脑机制。参与者会观看一系列图像，并指出他们认为自己已经看过的图像，以及他们对答案的信心程度。有时他们的大脑与他们的言语不符。Mamelak说：“即使一个人错误地说他们从未见过某张图片，但产生熟悉感的细胞仍然能正确识别并放电。所以，记忆一定比神经细胞发出‘是’或‘否’信号要复杂得多。现在我们可以开始剖析这一点了。”
为了进一步研究，他们开始将单个神经元的电极记录与颅内脑电图（EEG）的读数结合起来，颅内脑电图测量大脑较大区域的总体电活动。Mamelak和Rutishauser发现，如果一个神经元对图像的反应与一种称为theta节律的大脑波同步，那么该人更有可能记住所显示的内容。“我只需观察一个神经元是否与EEG的theta分量同步放电，就可以预测你是否会记住，以及你对记忆的信心程度有多高，”Rutishauser说。这一结果暗示了治疗学习障碍和某些类型痴呆症的新方法。“大脑活动可能存在一个学习窗口，”Mamelak说。“药物或疗法可能会诱导这些节律，从而促进更好的学习。”
科学家们还利用手术患者来研究语言的神经基础。加州大学旧金山分校的神经外科医生Mitchel Berger在切除肿瘤的手术前，会对语言功能进行“大脑图谱绘制”。他在让患者清醒并做出语言反应时，通过电刺激患者的大脑。他的首要任务是确定在切除肿瘤时需要保护的区域，但他的工作也正在绘制大脑中与语言相关的活动的图谱。这些发现可能对Berger去年12月与加州大学伯克利分校的神经科学家Robert Knight和工程师Shankar Sastry共同启动的一个神经假体工程项目有所帮助，该项目旨在治疗运动和语言问题。
同样，语言心理学家Steven Pinker最近与哈佛大学和加州大学圣迭戈分校的神经外科医生和神经科医生合作，研究一个被称为Broca区域的小脑区域的语言功能。他们将电极植入癫痫患者的该区域，然后让他们大声朗读单词，无论是逐字阅读还是改变过去现在时态（或反之）。当参与者识别单词、应用语法规则并最终大声说出时，仅相距几毫米的神经元会以快速的顺序被激活。这些结果正在阐明大脑如何将说话的意图转化为说话的动作。这些发现还可以帮助我们更好地理解Broca失语症等疾病，在这种疾病中，人们知道自己想说什么，但却难以表达出来。Amy Barth
热词
功能磁共振成像 (FMRI) 测量大脑的血流，以追踪哪些区域参与某项任务。
偶发性记忆 编码体验的记忆类型。可能富含时间、空间和情感信息。
Theta节律 具有3至8个周期/秒频率的独特脑电波。在海马体中突出。
Broca失语症 以脑部病变和语法困难为特征的病症。
