裴倩，宋魯平，張通

健康人雙任務(wù)范式漢字加工的功能磁共振成像研究

裴倩1，宋魯平2,3，張通2,3

目的利用功能磁共振成像(fMRI)考察健康人雙任務(wù)范式下漢字加工過程。方法10名健康受試者分別進行雙任務(wù)范式的“按鍵朗讀”任務(wù)及單任務(wù)范式的“按鍵”“朗讀”任務(wù)。采用標準的組塊相關(guān)設(shè)計對受試者大腦進行fMRI掃描，觀察任務(wù)中腦功能激活區(qū)及偏側(cè)化指數(shù)。結(jié)果和結(jié)論執(zhí)行任務(wù)時，右側(cè)額下回、雙側(cè)頂葉、雙側(cè)小腦顯著激活；偏側(cè)化指數(shù)顯示，腦激活區(qū)呈現(xiàn)左半球優(yōu)勢。

漢字加工；功能磁共振成像；腦功能激活區(qū)；偏側(cè)化指數(shù)

[本文著錄格式]裴倩，宋魯平，張通.健康人雙任務(wù)范式漢字加工的功能磁共振成像研究[J].中國康復(fù)理論與實踐,2014,20 (11):1004-1007.

近年來，功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)在探討注意機制等方面的研究已引起人們的重視。注意在大腦皮質(zhì)區(qū)域有廣泛分布，前額皮質(zhì)、扣帶回、顳上回、丘腦和腦干的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)均與注意有關(guān)。Posner等描述了前警覺后定向系統(tǒng)這樣一種注意模式[1]。警覺系統(tǒng)位于前額葉和扣帶回，這些區(qū)域接受丘腦和腦干網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)覺醒系統(tǒng)的神經(jīng)纖維投射；定向系統(tǒng)位于內(nèi)側(cè)頂葉和顳上回。因此腦損傷，包括腦血管意外、腦外傷、中樞神經(jīng)系統(tǒng)感染、腦中毒都可導(dǎo)致注意障礙。

本研究采用標準的組塊相關(guān)設(shè)計對10名健康受試者進行fMRI掃描，考察語義加工任務(wù)中腦功能激活區(qū)及偏側(cè)化指數(shù)。

1 對象與方法

1.1 研究對象

選擇2010年2月～2011年12月在中國康復(fù)研究中心實習(xí)或進修的醫(yī)師10名，其中男性6名，女性4名；年齡24～41歲，平均(35.43±7.76)歲；均為本科及以上學(xué)歷；既往體健。每名被試在實驗前均簽署知情同意書。

1.2 研究方法

1.2.1 實驗材料

從《字庫》(電子版)的3個字頻段(0.05～0.07、0.1～0.15和0.5～1.0)中選取30個字作為按鍵判斷任務(wù)的加工對象。字義任務(wù)中具有“動物”意義的“是”反應(yīng)字和不具有“動物”意義的“否”反應(yīng)字各15個?！笆恰狈磻?yīng)字采用“蝎牛鶴豺鵝犬蝦貓虱蟬熊蛇龍狗蠶”15個漢字，其字頻為(0.0361±0.0479)，筆畫數(shù)為(9.07±1.66)；“否”反應(yīng)字采用“管嗎肝諜錨巢舌免聾驕謀餅貪叛景”15個漢字，其字頻為(0.0682± 0.0602)，筆畫數(shù)為(9.07±1.66)。

1.2.2 實驗程序

采用標準的組塊相關(guān)設(shè)計(block design)，每個任務(wù)掃描時間為384 s，其中前24 s為預(yù)掃描；后依次行任務(wù)與休息各30 s，共6個周期。刺激序列由DMDX軟件編寫。由計算機編程的刺激程序通過光纖投射到眼鏡上，被試者在MRI掃描儀內(nèi)可看到眼鏡上的刺激內(nèi)容。實驗過程中，要求被試者注視眼鏡中央并保持頭部不動。利用1.5 T磁共振成像儀(美國GE公司)進行大腦掃描。被試戴上耳機聽命令。左手持鼠標，分別用中指、示指按左、右鍵，表示“是”和“否”。在正式測驗前均先進行指導(dǎo)語講解和練習(xí)，然后進入正式測驗。正式任務(wù)開始后，眼鏡中央呈現(xiàn)1個刺激字，要求被試對該漢字是否表示某種動物，用按鍵做出判斷。實驗一只需要按鍵判斷，實驗二只需小聲朗讀看見的字，實驗三同時按鍵判斷和朗讀該漢字。當被試做出按鍵反應(yīng)時，電腦自動記錄按鍵判斷反應(yīng)時和錯誤率。

1.2.3 MRI圖像采集

采用磁共振成像系統(tǒng)(Siemens Sonata)進行圖像采集。首先用自旋回波(SE)脈沖序列獲得顱腦軸位20層T1WI像，掃描參數(shù)：TR/TE=2100 ms/10.4 ms，層厚6 mm，間隔1.6 mm，F(xiàn)OV 24×24 mm，矩陣256× 320。再用單次激發(fā)梯度回波平面回波(EPI)序列進行血氧水平依賴fMRI檢查，掃描層面與T1WI相同，每層獲取120幀圖像。EPI掃描參數(shù)為：TR/TE=3000 ms/40 ms，翻轉(zhuǎn)角90°，層厚5 mm，間隔0，F(xiàn)OV 24× 24 mm，矩陣64×64。最后用三維Turbo FLASH磁化準備快速梯度回波成像(magnetization prepared rapid gradient echo imaging,MPRAGE)序列行矢狀位覆蓋全腦掃描，進行三維重建及空間配準。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 任務(wù)評定

剔除錯誤按鍵的項目，將正確反應(yīng)項目的反應(yīng)時和完成該任務(wù)的錯誤率作為統(tǒng)計指標，分別統(tǒng)計各項任務(wù)的反應(yīng)時與錯誤率的平均值。

1.3.2 fMRI

采用SPM、MRIcron軟件分析圖像數(shù)據(jù)。預(yù)處理中首先對功能像進行頭動校正，并對圖像進行各向同性高斯平滑(FWHM=6 mm)。然后計算功能像信號變化率，對其進行數(shù)據(jù)標準化；將功能像與三維全腦結(jié)構(gòu)像對齊和空間標準化，并在該標準坐標體系內(nèi)以3× 3×3 mm為單元進行重新采樣；最后將受試者的平均腦功能圖像疊加到與之相應(yīng)的解剖圖像上，以顯示激活腦區(qū)。在激活腦區(qū)圖像處理中，各項結(jié)果均為按鍵朗讀任務(wù)激活區(qū)分別減去按鍵激活區(qū)和朗讀激活區(qū)。計算各項語義加工任務(wù)中左右腦的激活體積。根據(jù)公式

計算雙側(cè)大腦半球激活體素的偏側(cè)化指數(shù)(lateralization index,LI)。其中，L=左側(cè)激活體素數(shù)，R=右側(cè)激活體素數(shù)。取LI＞0.1為偏左側(cè)優(yōu)勢。采用配對資料的符號秩和檢驗研究受試者各項任務(wù)左、右腦激活區(qū)有無顯著性差異。

2 結(jié)果

10名健康受試者各項任務(wù)的平均反應(yīng)時與錯誤率見表1、表2。

表1 健康受試者各項任務(wù)反應(yīng)時(ms)

表2 健康受試者各項任務(wù)錯誤率(%)

健康受試者在執(zhí)行按鍵朗讀雙任務(wù)，右側(cè)額下回、雙側(cè)頂葉、雙側(cè)小腦顯著激活。見圖3。

圖1 健康受試者大腦皮層激活圖

按鍵、朗讀、按鍵朗讀時，雙側(cè)腦激活區(qū)均有顯著性差異(P＜0.05)。10名健康受試者3項任務(wù)中均有9名呈左側(cè)化趨勢，即以左半球激活為主。見表3。

表3 各項任務(wù)的腦激活體積(mm3)

3 討論

3.1 雙任務(wù)范式(dual-task paradigm)

多年來，雙任務(wù)范式已廣泛應(yīng)用于注意資源理論的研究中。雙任務(wù)范式考察注意如何在兩個并行任務(wù)間起到指向和調(diào)節(jié)作用。其基本方法是，讓被試執(zhí)行兩個明顯不同的任務(wù)，然后研究者評估這兩個任務(wù)間相互影響的程度，通過使任務(wù)相互競爭來揭示注意的特性。研究發(fā)現(xiàn)，單任務(wù)時注意需求最小，被試相對有足夠的資源容量進行語言性加工；而當復(fù)雜或多個操作施加的任務(wù)需求增加時(例如雙任務(wù)范式)，大部分被試會由于注意資源容量不足或分配障礙而導(dǎo)致任務(wù)成績下降。

通過對雙任務(wù)加工執(zhí)行功能定位研究發(fā)現(xiàn)，前額葉皮層在雙任務(wù)執(zhí)行過程中占據(jù)核心地位。經(jīng)典雙任務(wù)范式包括行為雙任務(wù)范式和交疊雙任務(wù)范式。前額葉皮層為雙任務(wù)加工執(zhí)行功能定位相關(guān)腦區(qū)，主要表現(xiàn)為具有特定區(qū)域和激活程度改變兩種觀點[2]。本研究中，單任務(wù)范式要求被試獨立進行按鍵或朗讀，雙任務(wù)范式要求被試同時按鍵、朗讀，其中單任務(wù)范式對注意的需求較小，雙任務(wù)范式中兩個并行任務(wù)間相互影響、相互競爭注意資源，對注意的需求較大。本研究通過單任務(wù)、雙任務(wù)范式之間的差異來反應(yīng)注意功能，即注意資源容量及分配能力。

3.2 注意功能的大腦皮層激活區(qū)

fMRI結(jié)合了功能、影像和解剖等方面的因素，具有較高的時間和空間分辨率和整體性，在生理狀態(tài)下可無創(chuàng)性研究人腦的復(fù)雜功能活動，直接顯示激活區(qū)所在的確切位置，是目前唯一無侵入、可精確定位人腦高級功能的研究手段[3]。fMRI產(chǎn)生的激活圖描述大腦不同區(qū)域在特定任務(wù)期間或?qū)μ囟ù碳さ姆磻?yīng)所參與的平均程度[4]。目前，用于研究大腦有效連接度的因果分析模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用在神經(jīng)影像研究中?，F(xiàn)有的因果分析模型有結(jié)構(gòu)方程模型(structural equation modeling,SEM)[5]、動態(tài)因果模型(dynamic causal modeling,DCM)[6]和Granger因果模型(Granger causality model,GCM)[7]等。

本研究在SPM處理中，將按鍵朗讀任務(wù)激活區(qū)分別減去按鍵激活區(qū)和朗讀激活區(qū)，體現(xiàn)了雙任務(wù)中的注意成分的激活區(qū)。結(jié)果顯示，右側(cè)額下回、雙側(cè)頂葉、雙側(cè)小腦的激活為特異性激活區(qū)。

漢字認知加工相關(guān)的研究中，部分學(xué)者認為，言語產(chǎn)出與認知加工中的注意水平關(guān)系密切，注意的集中、分配等對語言產(chǎn)出有重要作用。Dong等應(yīng)用fMRI發(fā)現(xiàn)，部分腦區(qū)由于任務(wù)對注意分配的需求而激活[8]，為此種觀點提供了證據(jù)。

注意是指對客觀環(huán)境或主觀意識的某一方面進行準備與選擇的過程，是認知科學(xué)的中心主題。因為人腦只能同時處理有限的信息量，因而在日常生活中，必須適當?shù)貙π畔⑦M行選擇處理。隨著神經(jīng)心理學(xué)和神經(jīng)影像學(xué)等研究技術(shù)的不斷進步，注意的研究可以導(dǎo)致教育和認知訓(xùn)練等方面的革新[9]。

根據(jù)注意水平可將注意分為分別注意、重點注意、持續(xù)注意、選擇性注意和交替注意。本研究雙任務(wù)中主要為分別注意，即對多項任務(wù)同時反應(yīng)的能力。Kotz等研究了注意力集中和分散的認知過程神經(jīng)解剖相關(guān)性，fMRI顯示在目標刺激過程中主要激活右前額皮質(zhì)[10]。Jiang探索了右側(cè)額下回在知覺注意分配和反應(yīng)選擇解決雙重任務(wù)干擾時的作用，研究顯示，右側(cè)額下回在短的刺激發(fā)生不同步條件下，比在長的刺激發(fā)生不同步條件下激活更顯著[11]。諸多對大腦執(zhí)行控制功能的研究均提示，前額葉參與執(zhí)行控制[11-12]，在需要加強注意、沖突負荷加重時，前額葉可能調(diào)節(jié)注意資源，有效配置注意資源。本研究結(jié)果顯示右額葉激活明顯，證實右額區(qū)在知覺注意階段對解決雙重任務(wù)干擾非常重要。

為了進一步探索注意的神經(jīng)機制，研究者對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行了剖析。目前認為，注意的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要包括警覺網(wǎng)絡(luò)、定向網(wǎng)絡(luò)和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)。其中，定向網(wǎng)路的主要組成部分是頂葉[13]。對恒河猴的研究證明，頂葉皮層存在“注意神經(jīng)元”，對注意轉(zhuǎn)移非常敏感。本研究雙任務(wù)下頂葉出現(xiàn)了激活，表明雙任務(wù)范式對注意的需求增多。

研究表明，小腦參與注意網(wǎng)絡(luò)的認知功能，小腦病變可選擇性損害注意網(wǎng)絡(luò)的定向和執(zhí)行控制功能，警覺功能相對保留正常。本研究與之相符。

3.3 注意功能的偏側(cè)化趨勢

fMRI能較穩(wěn)定地提取出多個大腦功能網(wǎng)絡(luò)，包括初級感知覺網(wǎng)絡(luò)(運動、聽覺、視覺網(wǎng)絡(luò))和高級認知功能網(wǎng)絡(luò)(語言、注意、執(zhí)行控制、工作記憶，默認網(wǎng)絡(luò))[14]。語義聯(lián)想及動詞產(chǎn)生任務(wù)均表現(xiàn)為左側(cè)半球優(yōu)勢[15]。本研究顯示，盡管漢字有明顯的圖形化特征，漢字加工仍然和拼音文字一樣是左半球優(yōu)勢。

Tan等采用詞匯聯(lián)想任務(wù)研究漢字加工的優(yōu)勢半球，結(jié)果顯示額葉和顳葉的激活是左半球優(yōu)勢，而頂葉和枕葉則是右半球優(yōu)勢[16]。Tan等的研究采用事件相關(guān)模式，而我們采用組塊設(shè)計模式。這可能是造成結(jié)果差異的原因。

由于人類認知語言學(xué)的高度復(fù)雜性，采用fMRI所得出的結(jié)論也有所差異，有些結(jié)論與傳統(tǒng)的觀點互為佐證，也有不少則與之相?；蛘邔儆谛碌陌l(fā)現(xiàn)，這些都為今后的認知語言學(xué)研究帶來新的挑戰(zhàn)和契機。

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Chinese Characters Processing of Healthy Subjects:A Functional Magnetic Resonnce Imaging Study

PEI Qian,SONG Lu-ping, ZHANG Tong.Department of Rehabilitation,Beijing Jishuitan Hospital,Beijing 100035,China

ObjectiveTo investigate the Chinese characters processing in healthy subjects with functional magnetic resonance imaging (fMRI).Methods10 healthy subjects were asked to finish the dual-task paradigm Keying/Reading and single-task paradign Keying or Reading.The active area and partial lateralization index in brains of them were investigated with fMRI with block design.Results and ConclusionThe tasks activated the right inferior frontal gyrus,bilateral parietal and cerebellar cortex.The laterality index showed that the left brains were more active in the tasks.

Chinese characters processing;functional magnetic resonance imaging;active area;partial lateralization index

10.3969/j.issn.1006-9771.2014.11.002

R338.1

A

1006-9771(2014)11-1004-04

2014-03-25

2014-08-26)

1.國家自然科學(xué)基金項目(No.C030307)；2.中國康復(fù)研究中心課題(No.2011-3)。

1.北京積水潭醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科，北京市100035；2.中國康復(fù)研究中心北京博愛醫(yī)院神經(jīng)康復(fù)科，北京市100068；3.首都醫(yī)科大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，北京市100068。作者簡介：裴倩(1986-)，女，漢族，江蘇徐州市人，碩士，醫(yī)師，主要研究方向：神經(jīng)康復(fù)、骨科康復(fù)。通訊作者：宋魯平、張通。E-mail:songluping882002@aliyun.cn(宋魯平)、zt61611@sohu.com(張通)。