功能性磁共振成像技術在大學生腦功能偏側識別中的應用

1實驗結果的討論文字閱讀是否存在大腦功能的偏角，是否在字的加工中發揮主導作用的同時，這是一個長期存在的問題。對西方拼音文字的閱讀,右利手正常人大多數顯示為左半球加工為主的結論似乎較為肯定。對漢字詞的加工卻有左側半球為主、右側為主和雙側均衡等多種實驗結果。出現這種不一致的原因多種多樣,但人腦本身功能的復雜性和靈活性可能是主要原因。過去在行為實驗中,主要采用偏側視野速視呈現刺激物的方法,用以確定大腦左右半球加工刺激物的功能活動情況。這種實驗方法在原則上是科學的、可靠的。但在實際操作中,可能由于實驗條件的些許差異而導致腦功能的不同反應結果。例如刺激物本身的清晰度和大小,刺激呈現的快慢和視野的偏側程度、刺激物的性質(詞、詞的組成成分或圖形)、刺激的識別難度、注意指向等都可能影響實驗結果。近些年發展起來的腦成像技術(PositronEmissionTomography,簡稱PET;FunctionalMagneticResonanceImaging,簡稱fMRI),為人們直接觀察和分析人腦功能活動提供了較直觀的手段。而且在研究腦功能偏側化現象時,不必要采用半視野速視呈現刺激物的方式。目前使用較多的是功能性磁共振成像方法(fMRI)。它的工作原理是:當呈現刺激物時引起腦的活動,相應的腦細胞被激活,因而代謝加快,導致局部血流量和血流容積增加。同時,該部位血液中的氧合血紅蛋白與去氧血紅蛋白含量相對增減,引起局部磁化率改變。通過磁共振儀檢測就可以得到此種局部磁信號變化的腦活動圖像,進而得知加工該項刺激的腦區位置。這項技術已廣泛應用于心理的腦機制研究的各個領域。國外Peterson等最早開展英文詞識別的腦成像研究,發現當要求被試默讀詞時激活左額區、雙側枕區及左內側扣帶回。Bookheimer在閱讀英文詞條件下發現左額區、左顳區、雙側枕區激活。這些結果都支持英文詞閱讀是以大腦左半球加工為主的結論。Tan等要求中國被試對視覺呈現的漢語單字或雙字詞產生一個意義有關的詞,同時做磁共振腦成像掃描。結果表明不論單字或雙字詞都表現為左半球的額區和顳葉底部梭狀回顯著激活。這似乎支持漢字詞加工偏側于左半球的研究結果。但是該實驗同時也發現右半球頂區較左半球相應區顯著激活,此結果是由加工漢字詞本身引起還是由其他原因引起,作者沒有解釋。有研究表明右頂葉與注意的警覺狀態有關。我們推測上述右半球的激活,可能與實驗要求在短時間里做出語義聯想,從而增加注意有關。本研究試圖用過去傳統研究閱讀漢語詞時,腦半球加工偏側化常用的讀詞名(naming)方法,結合腦功能成像技術進一步探討該問題。為了更確切地顯示漢字詞在腦中的激活位置,實驗中還用了假詞作為對照。我們設想,假詞只有形狀而不具有音義成分,因此在腦皮層的激活部位應與真詞不同,在腦功能偏側化上也應有差別。2實驗材料和方法2.1測試對象12名身心健康大學生(其中女性3名),平均年齡22歲,通過標準化問卷調查確認為右利手。2.2現代漢語頻率及假詞設置本實驗旨在考察漢語高頻詞(真詞)和假詞加工時,腦激活區在左右半球的表現。語言刺激材料為兩種:真詞24個(如錢,鐵),頻率范圍為0.033-0.1516(根據現代漢語頻率詞典),平均筆畫數為10.5畫;假詞24個(如呚,哛),平均筆畫數與真詞近似,另有48個“+”為控制刺激材料。按組塊設計(BlockDesign)每組12個刺激。呈現次序為:真詞—控制—假詞—控制—真詞—控制—假詞—控制。每個刺激呈現2秒,間隔1秒。每次實驗任務歷時288秒,共有96個刺激。2.3掃描參數及默讀對比采用GE公司SignaHorizon1.5T超導型磁共振成像系統。實驗時,功能成像采用回波平面成像梯度回波序列,共取10層,依據TalairachandTournoux圖譜,最下層Z=10,最上層為Z=71。其掃描參數如下:TR=3000ms,TE=40ms,FOV24(24cm,層厚6mm,間距1mm,矩陣64×64,flipangle=90°。實驗時,受試者取仰臥位,頭部固定,雙手自然平放于身體兩側。用與微機相連的LCD投影儀,在屏幕上呈現黑背景白色單個真詞或假詞刺激,真詞和假詞前后呈現順序在被試間平衡,控制刺激為“+”。要求受試者在掃描過程中,對屏幕上呈現的刺激進行默讀,看到假詞和“+”時默讀“不”。這是為了在與真詞的激活結果做相關分析時,平衡運動輸出的加工成分。共得圖像100幀/層。2.4實驗空間的標準化用AFNI(analysisoffunctionalneuroimages)軟件對數據進行分析處理。首先對功能像矯正頭動,并依據TalairachandTournoux人腦圖譜進行空間標準化。然后以3×3×3mm的體積單元進行重新采樣,作各向同性高斯平滑(半高寬,FWHM=5mm)以提高信噪比。最后,依照實驗設計進行被試間疊加和平均,取相關系數為0.45(p≤0.001)的體素作為激活點,分別通過真詞與控制以及假詞與控制的相關分析方法獲得腦激活圖。3假詞任務時腦激活區從圖1可見,呈現真詞任務時,12名被試結果平均后,相對于基線條件,在左側額葉下部,即Broca區(BA45)出現激活,此外在右側顳區(BA21/22)及右枕區(BA18)表現出激活,其它腦區未表現顯著激活。從最左圖到最右圖分別為右側枕區、右側顳區和左側額區,圖的左側為實際腦的右側,激活區如箭頭所示。呈現假詞任務時,表現出廣泛的腦激活區,在雙側枕葉(BA18/19)、雙側顳葉(左側梭狀回,右側BA20)、雙側頂上小葉(BA7)均有顯著激活(圖2)。從最左圖到最右圖分別為雙側枕區、雙側顳區和雙側頂區,圖的左側為實際腦的右側,激活區如箭頭所示。我們分別對真詞與假詞的腦激活區做了體積分析(3dclust),從激活體積看出假詞的腦激活程度明顯大于真詞的腦激活(表1)。4假詞的激活本研究采用讀詞名的方法,這樣做一方面為了與以前的行為研究結果相對照,另一方面這種加工方式對認知過程要求簡單,不需要被試太多主觀努力,從而防止產生過多的干擾因素。此外,采用默讀而不是出聲讀,這是為避免口腔發聲引起顱骨共鳴造成對圖像干擾。研究結果表明,對漢字詞的默讀顯著激活左額區,這與Tan等用詞義聯想任務得到左額區顯著激活的結果相一致,但是具體部位不完全相同。他們的結果主要激活BA(Brodman)9區和47區,我們是在左額下回(BA45區)。這可能與實驗任務的差異有關。在閱讀時,左下額葉的激活一般認為是對語義和語音加工的結果,但是它們是由同一腦區負責還是分別由不同腦區負責目前尚有爭議。在本實驗條件下采用默讀詞,語義可能被自動激活。因為有腦成像研究表明,在非語義加工指向的條件下,語義能自動激活。同時也不能排除語音加工的參與。因為默讀過程應包括形音轉換和語音的不出聲表達。在假詞條件下此部位沒被激活,這可能與假詞無音義加工參與有關。在對英文詞默讀的腦成像研究中,有研究得到左上顳葉的激活。這被認為是語音加工參與造成的。在本實驗條件下,沒有發現左上顳葉的激活。在Petersen等人的研究中也沒有顯示出左顳葉的激活。Price等對左上顳葉是否參與語言加工曾進行了比較研究。她發現使用磁共振成像技術,在刺激成組呈現條件下,如果每個刺激呈現時間與獲得數據的時間成整數比,則左顳上回不一定激活。此結論似乎可以解釋我們關于顳葉沒有激活的結果,但卻不能解釋Petersen等用PET所得與我們相同的結果。因為使用PET成像技術不會出現上述的整數比問題。因此本實驗條件下左顳葉未出現激活的原因尚待進一步研究。本實驗結果顯示,默讀漢字詞時右顳葉、右枕葉被激活。Tan等關于同義詞判斷的實驗也發現右側顳葉激活和右側枕葉的激活優勢,只是該兩個研究的激活部位不完全相同。Tan等發現右顳葉的激活區是BA38,右枕葉的激活區包括BA17、18、19。我們的右顳和右枕激活區則分別是BA21、22和18。這些激活部位上的差異或許可以歸之為實驗任務的不同造成。然而兩者都表現出右側顳、枕區的激活卻是共同的特點。已有研究表明右顳上回負責對音高、聲調進行知覺和分析。但是在我們的研究和Tan等關于同義判斷的研究中,并沒有語音知覺的任務,因此右顳葉的激活與漢字詞識別的關系尚不清楚。有趣的是右枕葉的激活。有研究發現右枕葉與視覺符號的空間識別有關,因此上述右枕葉的激活可能與加工漢字詞的字形結構有關。但是此結果與以前我們用ERP研究字形加工的結果不完全一致。在該項研究中我們發現字形匹配在左右半球沒表現出差別。這種不一致是由實驗任務的不同引起還是由于實驗手段的不同造成,有待進一步探討。假詞的實驗結果表明,除了額區未被激活外,在雙側半球的枕、顳及頂等腦區都有明顯激活。假詞本身沒有意義也不能發音,故未激活額區似乎是合理的。同時也從反面證實了真詞激活下額區是加工詞義或詞音的表現。但為什么假詞會在額區之外導致廣泛的腦區激活,這或許可以用連接主義相互激活理論進行解釋。假詞是由真詞的部件組成,符合真詞正字法。因此與真詞相似