The localization of cortical sites essential for language was assessed by stimulation mapping in the left, dominant hemispheres of 117 patients. Sites were related to language when stimulation at a current below the threshold for afterdischarge evoked repeated statistically significant errors in object naming. The language center was highly localized in many patients to form several mosaics of 1 to 2 sq cm, usually one in the frontal and one or more in the temporoparietal lobe. The area of individual mosaics, and the total area related to language was usually much smaller than the traditional Broca-Wernicke areas. There was substantial individual variability in the exact location of language function, some of which correlated with the patient's sex and verbal intelligence. These features were present for patients as young as 4 years and as old as 80 years, and for those with lesions acquired in early life or adulthood. These findings indicate a need for revision of the classical model of language localization. The combination of discrete localization in individual patients but substantial individual variability between patients also has major clinical implications for cortical resections of the dominant hemisphere, for it means that language cannot be reliably localized on anatomic criteria alone. A maximal resection with minimal risk of postoperative aphasia requires individual localization of language with a technique like stimulation mapping.

Elucidating the cellular architecture of the human cerebral cortex is central to understanding our cognitive abilities and susceptibility to disease. Here we used single-nucleus RNA-sequencing analysis to perform a comprehensive study of cell types in the middle temporal gyrus of human cortex. We identified a highly diverse set of excitatory and inhibitory neuron types that are mostly sparse, with excitatory types being less layer-restricted than expected. Comparison to similar mouse cortex single-cell RNA-sequencing datasets revealed a surprisingly well-conserved cellular architecture that enables matching of homologous types and predictions of properties of human cell types. Despite this general conservation, we also found extensive differences between homologous human and mouse cell types, including marked alterations in proportions, laminar distributions, gene expression and morphology. These species-specific features emphasize the importance of directly studying human brain. RNA-sequencing analysis of cells in the human cortex enabled identification of diverse cell types, revealing well-conserved architecture and homologous cell types as well as extensive differences when compared with datasets covering the analogous region of the mouse brain.

Defining the microanatomic differences between the human brain and that of other mammals is key to understanding its unique computational power. Although much effort has been devoted to comparative studies of neurons, astrocytes have received far less attention. We report here that protoplasmic astrocytes in human neocortex are 2.6-fold larger in diameter and extend 10-fold more GFAP (glial fibrillary acidic protein)-positive primary processes than their rodent counterparts. In cortical slices prepared from acutely resected surgical tissue, protoplasmic astrocytes propagate Ca 2+ waves with a speed of 36 μm/s, approximately fourfold faster than rodent. Human astrocytes also transiently increase cystosolic Ca 2+ in response to glutamatergic and purinergic receptor agonists. The human neocortex also harbors several anatomically defined subclasses of astrocytes not represented in rodents. These include a population of astrocytes that reside in layers 5–6 and extend long fibers characterized by regularly spaced varicosities. Another specialized type of astrocyte, the interlaminar astrocyte, abundantly populates the superficial cortical layers and extends long processes without varicosities to cortical layers 3 and 4. Human fibrous astrocytes resemble their rodent counterpart but are larger in diameter. Thus, human cortical astrocytes are both larger, and structurally both more complex and more diverse, than those of rodents. On this basis, we posit that this astrocytic complexity has permitted the increased functional competence of the adult human brain.

Brain–computer interfaces (BCIs) enable users to control devices with electroencephalographic (EEG) activity from the scalp or with single-neuron activity from within the brain. Both methods have disadvantages: EEG has limited resolution and requires extensive training, while single-neuron recording entails significant clinical risks and has limited stability. We demonstrate here for the first time that electrocorticographic (ECoG) activity recorded from the surface of the brain can enable users to control a one-dimensional computer cursor rapidly and accurately. We first identified ECoG signals that were associated with different types of motor and speech imagery. Over brief training periods of 3–24 min, four patients then used these signals to master closed-loop control and to achieve success rates of 74–100% in a one-dimensional binary task. In additional open-loop experiments, we found that ECoG signals at frequencies up to 180 Hz encoded substantial information about the direction of two-dimensional joystick movements. Our results suggest that an ECoG-based BCI could provide for people with severe motor disabilities a non-muscular communication and control option that is more powerful than EEG-based BCIs and is potentially more stable and less traumatic than BCIs that use electrodes penetrating the brain.

We studied regional cerebral blood flow using the H2(15)O method while normal subjects performed four similar tasks involving three-letter word beginnings (stems). Prior to each task, subjects studied a list of words. Local blood flow was then monitored during a 40-sec period while subjects (i) silently viewed word stems, (ii) completed stems to form the first words to come to mind, but the stems were not the beginnings of any study words (baseline), (iii) completed stems and half of them could form study words (priming), or (iv) tried to recall study words, and half of the stems could form these words (memory). There were three major findings. (i) The memory task engaged the right hippocampal region when the memory task was compared to either the baseline or the priming condition. The right hemispheric locus suggests that performance is driven by the visual characteristics of the words rather than by semantic or phonetic analysis. (ii) In the priming-minus-baseline comparison, there was reduction in blood flow in the right posterior cortex. (iii) Right prefrontal cortex was activated in the memory-minus-baseline condition. The results provide evidence for selective activation of the human hippocampal region in association with memory function. The results also lead to a suggestion about the neural basis of repetition priming: following presentation of a stimulus, less neural activity is required to process the same stimulus.

In the first large study of its kind, we quantified changes in electrocorticographic signals associated with motor movement across 22 subjects with subdural electrode arrays placed for identification of seizure foci. Patients underwent a 5–7 d monitoring period with array placement, before seizure focus resection, and during this time they participated in the study. An interval-based motor-repetition task produced consistent and quantifiable spectral shifts that were mapped on a Talairach-standardized template cortex. Maps were created independently for a high-frequency band (HFB) (76–100 Hz) and a low-frequency band (LFB) (8–32 Hz) for several different movement modalities in each subject. The power in relevant electrodes consistently decreased in the LFB with movement, whereas the power in the HFB consistently increased. In addition, the HFB changes were more focal than the LFB changes. Sites of power changes corresponded to stereotactic locations in sensorimotor cortex and to the results of individual clinical electrical cortical mapping. Sensorimotor representation was found to be somatotopic, localized in stereotactic space to rolandic cortex, and typically followed the classic homunculus with limited extrarolandic representation.

Functional magnetic resonance imaging (fMRI) techniques, such as echo-planar imaging, can permit rapid, sensitive, whole-brain measurements of local blood flow-induced MR signal changes seen during cognitive paradigms. Changes in blood oxygenation due to mismatch of flow and oxygen metabolism cause dynamic variations in microscopic susceptibility effects, leading to the blood oxygenation level-dependent (BOLD) signal measured by fMRI techniques. A related static macroscopic susceptibility effect is known to cause artifacts that attenuate the MR signal, leading to “blind spots” in some regions of brain adjacent to bone and air sinuses. The anatomical location, spatial extent, and magnitude of signal loss artifact are quantitated for a common whole-brain fMRI technique. Resting gradient-echo EPI studies were obtained in four healthy volunteers. Signal loss was primarily localized to inferior frontal regions (medial orbital gyri and gyrus rectus) and to inferior lateral temporal lobe (including part of fusiform gyrus) bilaterally. Increased echo time (TE) uniformly produced larger artifacts. The orientation of acquired slices and choice of phase-encoding direction influenced the location, shape, and extent of the artifacts. Regions of the brain with severe artifact may have attenuated activation signal, with potential implications for the design and interpretation of fMRI studies targeting activations in these areas.

Across three experiments, PET scans were obtained while subjects performed different word-stem completion and FIXATION control tasks designed to study the functional anatomy of memory retrieval. During each of three different word-stem completion scans, word-stem cues were visually presented in uppercase letters. The RECALL task required explicit retrieval of study words presented prior to the PET scan. The PRIMING task addressed the implicit effects of the prior study words without requiring intentional recall. The BASELINE task encouraged retrieval of information from a general knowledge store. Across experiments, the similarity between study words and word stems was manipulated by presenting prescan study words in either uppercase letters identical to the stems, in lowercase letters, or auditorily. The PRIMING task was not studied with auditory presentation. Many activations were consistent across experiments. The BASELINE task activated several regions in response to the reading and verbal-response demands of the task (visual, motor, and premotor cortices, cerebellum), as well as a left prefrontal region. The RECALL task additionally activated regions in anterior right prefrontal cortex. Bilateral occipitotemporal regions showed blood flow reductions during the PRIMING task as compared to the BASELINE task. Activation in the right hippocampal/parahippocampal region was observed only in one experiment, and no experiment showed activation in the left medial temporal lobe. These experiments suggest that areas of frontal cortex play a role in explicit recall and that an effect of priming may be to require less activation of perceptual regions for the processing of recently presented information.

Recent studies have identified broadband phenomena in the electric potentials produced by the brain. We report the finding of power-law scaling in these signals using subdural electrocorticographic recordings from the surface of human cortex. The power spectral density (PSD) of the electric potential has the power-law form from 80 to 500 Hz. This scaling index, , is conserved across subjects, area in the cortex, and local neural activity levels. The shape of the PSD does not change with increases in local cortical activity, but the amplitude, , increases. We observe a “knee” in the spectra at , implying the existence of a characteristic time scale . Below , we explore two-power-law forms of the PSD, and demonstrate that there are activity-related fluctuations in the amplitude of a power-law process lying beneath the rhythms. Finally, we illustrate through simulation how, small-scale, simplified neuronal models could lead to these power-law observations. This suggests a new paradigm of non-oscillatory “asynchronous,” scale-free, changes in cortical potentials, corresponding to changes in mean population-averaged firing rate, to complement the prevalent “synchronous” rhythm-based paradigm.

Imagery of motor movement plays an important role in learning of complex motor skills, from learning to serve in tennis to perfecting a pirouette in ballet. What and where are the neural substrates that underlie motor imagery-based learning? We measured electrocorticographic cortical surface potentials in eight human subjects during overt action and kinesthetic imagery of the same movement, focusing on power in “high frequency” (76–100 Hz) and “low frequency” (8–32 Hz) ranges. We quantitatively establish that the spatial distribution of local neuronal population activity during motor imagery mimics the spatial distribution of activity during actual motor movement. By comparing responses to electrocortical stimulation with imagery-induced cortical surface activity, we demonstrate the role of primary motor areas in movement imagery. The magnitude of imagery-induced cortical activity change was ∼25% of that associated with actual movement. However, when subjects learned to use this imagery to control a computer cursor in a simple feedback task, the imagery-induced activity change was significantly augmented, even exceeding that of overt movement.