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布罗卡刚发表这些结果后不久，他就发现自己卷入了一场痛苦的优先权纠纷中。古斯塔夫·达克斯是一名蒙彼利埃的医生，他声称在19世纪早些时候，他的父亲马克·达克斯观察到了40例病例，显示失语与左额叶损伤有关。小达克斯声称，他的父亲于1836年在蒙彼利埃的一次医学会议上汇报了这些结果，但至今没有找到此事的任何痕迹。1863年3月，古斯塔夫·达克斯向法国科学院提交了两篇论文，一篇是他父亲在1836年写的，另一篇是他根据自己的观察写的。两篇论文显示左额叶的病变与语言障碍有关。[41]
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很明显，布罗卡不知道达克斯父子的研究工作，而且即使没有达克斯父子的研究工作，布罗卡最终也会得出那个不可避免的结论——语言输出能力是由左额叶的一个区域产生的，这个区域现在被称为“布罗卡区”（Broca’s area）。不过当达克斯的论文最终在1865年4月发表时，这两篇论文为布罗卡的主张提供了有力的支持。虽然小达克斯的解剖学证据不如布罗卡的精确，但他已经收集到了大量的数据来支持他关于语言输出功能定位的假说。达克斯重新分析了一系列的病例研究，其中包括布约使用过的那些病例。他描述了140个案例，其中87个出现了左额叶病变和语言输出能力丧失，而53个出现了右额叶病变但没有丧失语言输出能力。达克斯总结说：“大脑中的语言输出功能单位找到了。”[42]
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布罗卡被达克斯的优先权声明弄得心烦意乱，他发表了一篇很长的论文，指出达克斯父子的工作对自己的观点没有影响，并且提供了新的证据来强化自己的论点。这些证据正是他两年前所说的他等待的更多发现。布罗卡描述了身体右侧出现瘫痪的病人往往伴有语言输出障碍，而右侧瘫痪表明大脑左侧有病变。这种语言障碍并不是口腔或咽喉的运动障碍导致的，也不是对语言的理解有障碍导致的，而是明显与清晰表达的能力有关。
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布罗卡的观点意味着，对于一个非常特定的功能，负责的是大脑一侧半球上的某个特定区域，这给布罗卡带来了一个大问题。从解剖学的角度来看，大脑的两个半球似乎完全相同。而且众所周知，当器官成对存在或形态对称时，两个半边的功能往往都完全相同。虽然大脑的两侧没有明显的解剖学差异，但布罗卡指出，从发育的角度来看，两个半球并不完全相同：在胚胎发育时期，左半球比右半球发育得早，这也许提示两者在功能上存在差异。此外，大多数人都是右撇子，这可能是左脑半球发育更早的缘故。布罗卡认为，大脑的其他区域也可能参与语言功能，原则上讲，通过训练可能恢复某些受损的功能。布罗卡的结论一如既往地谨慎，他坚持认为“这并不意味着两个大脑半球之间存在功能上的不一致”。[43]
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不久之后，年轻的德国医生卡尔·韦尼克（Carl Wernicke）揭示了布罗卡的发现所隐含的复杂性。1874年，韦尼克描述了一名女病人的情况。她能说话，但语无伦次，也无法理解语言。韦尼克记录道，“病人完全无法理解她听到的每句话”。[44] 韦尼克的结论是，整个语言能力都位于布罗卡确定的颞叶区域的“可能性很小”。他认为，虽然言语产生于布罗卡区，但其他区域，包括现在被称为“韦尼克区”（Wernicke’s area）的大脑后部区域，都参与了语言的理解。韦尼克并不是简单地将不同的语言要素定位在了不同的区域，他的论点是，语言理解作为一个整体功能在脑中的分布是高度分散的。[45]
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在寻找语言功能局域化定位的更有力证据时，研究者面临着种种困难，其中一部分被布雷斯特的外科医生安吉·杜瓦尔教授在1873年清楚地指了出来。在列举了一系列支持语言功能定位于左半球的病例后，杜瓦尔强调了每个人都面临的方法学问题：
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这些大量的事实足以构成间接证明，但在生理学上，我们更偏好由动物实验提供的直接证明。但动物不能用来研究它们不具备的功能。因此，我们必须等待偶然事故在人脑上产生损伤，指望这些损伤与我们在活体解剖实验中制造的损伤类似。[46]
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杜瓦尔的道德顾虑为他赢得了称赞，但在19世纪70年代结束之前，科学家们便开始相信功能在脑中具有定位，这并不是因为意外或疾病造成的损伤，而是部分由于在一个人身上进行的可怕而可耻的实验。
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1874年1月26日，30岁的玛丽·拉弗蒂住进了辛辛那提的好撒玛利亚人医院（Good Samaritan Hospital）。玛丽身材瘦小，是一名家仆。一段时间以来，她的头皮上出现了一种可怕的溃疡，溃疡慢慢地侵蚀了她的部分颅骨，露出了里面的脑组织。尽管处于这种状况，玛丽仍旧保持着和颜悦色。但感染已经开始加重，在那个还没有抗生素的时代，她的前景并不乐观。42岁的外科医生罗伯茨·巴索洛（Roberts Bartholow）教授见了玛丽，并向玛丽阐述了他想实施的一个手术。显然在得到玛丽的同意后，巴索洛在她左脑暴露的表面下植入了两根细长的电极，然后开启了一个能产生微弱电流的发电机。
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结果是戏剧性的：玛丽的右臂和右腿肌肉收缩并向前移动，同时她的手指向外伸展。当巴索洛将电极植入玛丽的后脑时，她的眼睛颤动、瞳孔放大，并描述说她的右腿和右臂“有一种非常强烈且难受的刺痛感”。巴索洛的报告还记录道：“尽管她显然感到很痛苦，但她还是面带微笑，仿佛觉得这很有趣。”巴索洛毫无畏惧地继续他的实验，把电极植入玛丽大脑的另一侧。接下来的一幕令人担忧：“她的面部表情表现出极大的悲痛，她开始哭泣”，但巴索洛继续实验，直到这个可怜的女人癫痫发作，失去了知觉。过了二十分钟，玛丽醒了过来，并说自己感到虚弱头晕。但巴索洛继续实验，重复用电刺激玛丽的脑，这产生了与此前类似的痛苦效果，但没有引发癫痫。
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两天后，玛丽再次被带到巴索洛的诊疗室，他再次将电极植入玛丽的大脑。这次使用的是由60个电池产生的直流电，这些电池装在一个玻璃罐里，而玻璃罐则放置在一个气派的木柜里。随着玛丽脸色苍白，嘴唇发青，实验很快就停止了。她表示自己感到头晕，右侧身体也开始痉挛。巴索洛对玛丽的身体状态很担心，因此让助手给玛丽使用了氯仿来减轻疼痛。第二天，玛丽连床都下不了，到晚上时，她突然癫痫发作，导致右侧身体完全瘫痪。过了一会儿她就去世了，巴索洛没有报告她确切的死亡时间。
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几周后，巴索洛于1874年4月发表了一篇关于他这次实验的简短报告。这立即引发了一场风波，不仅是因为其中戏剧化的内容，还因为实验的方式有悖伦理。美国医学会批评了巴索洛的工作，因为这是在一个人身上做实验。《英国医学杂志》则发表了巴索洛一篇半道歉式的文章，巴索洛在文中对他的研究结果“是以对病人造成部分伤害为代价而获得的”表示抱歉。他甚至承认重复这样的实验“将是最大程度的犯罪”。[47] 英国脑生理学家大卫·费里尔（David Ferrier）警告说，无论巴索洛的研究结果多么有趣，“实验的过程都对生命造成了危险，因此不应该受到赞扬，也不可能被重复”。[48]
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撇开严重的伦理问题不谈，科学家们之所以对巴索洛的研究很感兴趣，是因为这些研究为最近一些关于脑功能极具争议的发现提供了强有力的支持。虽然阿尔蒂尼在19世纪初已经证明用电刺激头皮可以引起身体的活动，但人们普遍认为大脑半球完全不会对电刺激有反应。人们还认为，与脑较低的部位不同，这些区域在受到物理刺激、化学刺激或电刺激时都不会有反应。
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但是在1870年，两名年轻的德国医生古斯塔夫·弗里奇（Gustav Fritsch）和爱德华·希齐格（Eduard Hitzig）证明，用电刺激狗的大脑皮层外部可以使狗做出高度特定的身体动作。[49] 在执业过程中，希齐格使用了时髦的外源电疗法来治疗轻微的神经肌肉症状，如痉挛和轻微的瘫痪。1869年，他同时把电极置于一名病人的耳朵和颅骨后侧，并用轻微的电击刺激病人。他惊奇地注意到病人眼睛周围的肌肉收缩了。如果电极是被放置在眼睛的任何一侧，希齐格会认为这是电流刺激肌肉收缩的典型表现。但在电极被置于耳朵和颅骨后侧的情况下，他怀疑是电流进入了脑，以某种方式刺激了负责运动的“中枢化特征”（centralized feature）。[50]
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作为一名经验丰富的电生理学家，希齐格与弗里奇合作研究了是否有可能通过刺激狗暴露在外的皮层，使狗产生特定的反应。这个实验是在希齐格夫人的梳妆台上进行的，使用了杜布瓦-雷蒙发明的非常精密的电极。从1846年开始，随着麻醉药的广泛应用，侵入性生理学研究成为可能，而约瑟夫·李斯特在1867年发现，简单的消毒程序可以降低术后感染的风险。希齐格与弗里奇的这次实验就是那个侵入性生理学研究浪潮的一部分。他们使用非常微弱的电流来刺激麻醉动物皮层前部的薄外层，这种电流微弱到“施加在舌尖时几乎察觉不到”的程度。[51] 在施加电流时，他们发现狗对侧的多块肌肉会抽动。这种效应具有高度的定位性：刺激大脑的这一部分会使前肢活动，刺激那一部分会使脸部抽搐，刺激第三个部分会使后腿的肌肉运动。[52]
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这一发现与一个多世纪以来的科学确定性相悖，它表明产生行为的脑功能在脑中是区域化分布的，这种区域化分布远不限于布罗卡所发现的人类语言产生的区域化分布。我们知道，典型的反射，如膝跳反射，是在没有脑参与的情况下发生的。但与反射那种小范围的、重复的动作相比，直接由电刺激脑引发的身体动作更像是正常的行为。考虑到大脑皮层被广泛认为是思维和意志的中枢，弗里奇和希齐格的发现意味着他们已经定位了随意运动的中枢，尽管他们审慎地不去做出这样明确的断言。
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这两名年轻人意识到了这一突破的重要性，因此迅速发表了一篇论文，描述了他们的研究结果，其中很大一部分内容是将他们的发现与之前通过刺激皮层来诱导行为的失败尝试进行对比，这些失败可以追溯到18世纪的哈勒。他们还在论文中提供了精确的实验细节，并最终总结说，正是他们采用的技术解释了为什么他们的结果与前人得到的结果截然不同。弗里奇和希齐格相信，他们已经证明了“具体的心智功能”发生在“大脑皮层上的各个可圈定的中心”。[53]
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弗里奇和希齐格的这一重磅发现立即促使年仅27岁的大卫·费里尔进行了自己的实验[54] 。和当时的大多数科学家一样，费里尔承认大脑是“记忆和感知的中枢”，但不知道这些神秘的能力是集中在某一个特定的区域还是分散在整个皮层表面。[55] 正如他所说，目前还不清楚：
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作为一个整体，大脑的每个部分是否可能以某种神秘的方式承载着各种各样的心智活动，或者大脑的特定部分是否具有特定的功能，这些问题都是实验研究所无法解释的。
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费里尔随后开始通过一系列令人伤感的实验来探究这个谜题。他在实验中把青蛙、鱼、鸟和兔子的大脑半球切除掉，就像40年前弗卢朗所做的那样。在每一种动物中都发生了同样的事情：如果动物足够幸运能在手术后存活下来，那么它会坐着不动，只对诸如捏拧的刺激做出反应。费里尔写道：“如果让动物自己待着，不受任何外部刺激的干扰，它就会在同一个地方保持固定不动，除非人工喂养，否则就会饿死。”
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费里尔的结论是“切除大脑半球会使某些基本的心智能力消失”，他认为这包括了意志，或者说行动的意愿。
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更精确的损毁研究揭示了一个有趣的矛盾。在哺乳动物中，运动行为中显然包含重要的学习成分。比起那些更依赖于本能行为的动物，破坏哺乳动物的“皮层运动中枢”更有可能导致瘫痪。这表明意志在高等哺乳动物中更为重要，并进一步强化了那个猜想：大脑皮层的特定区域参与身体特定部位的随意运动。
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费里尔通过对弗里奇和希齐格的技术进行改进，获得了一系列最惊人的发现。利用斯密发明的电池，费里尔用微弱的电流刺激猴子的大脑皮层。他发现电刺激能够在某些区域引起反应，而他的德国竞争对手此前声称这些区域是无法被激发的。为了总结这些发现，费里尔绘制了一幅示意图，展示了猴脑不同部位能产生特定身体动作的功能区的具体位置。例如，刺激第3区（顶部中心）会使猴子晃动尾巴，刺激与之邻近的第5区会使猴子伸展对侧的手臂并弯屈手指和手腕，而刺激第9至第14区则会使面部和眼睛产生精确和可重复的动作。
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