中英语言任务执行时大脑功能活动的fMRI研究进展

马恒芬 于建渤 李恩中

1(中国民航大学外国语学院，天津 300300)

2(牡丹江医学院基础医学部，牡丹江157011)

3(国家自然科学基金委员会医学科学部，北京 100085)

引言

传统的磁共振成像(magneticresonance imaging，MRI)检测的是结构图像或称静态图像，而功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)能够通过检测出脑组织中的血氧含量而间接观察动态的脑功能活动，即通过检测大脑组织含氧浓度的变化与差异，区分出脑内的活动区与非活动区。功能磁共振成像(fMRI)的工作原理是:大脑在执行任务时，与该任务相关的局部脑区组织耗氧量明显增加，由于机体的反馈调节，大量带有含氧血红蛋白的血液流入相关的局部脑区中，以满足局部脑组织对氧的需求，结果是将明显超过局部脑组织需要的氧带入到脑功能活动区域内，使得活动区内局部氧合血红蛋白增加。由于fMRI能够检测出活动区脑组织与非活动区脑组织的血氧含量之间的差异，从而确定特定脑区产生了功能活动。由此可见fMRI为研究大脑活动的动态过程提供了有效的技术手段。

目前，有关fMRI研究已经广泛应用于语言、音乐、认知、学习和记忆、神经与精神疾病等诸多领域。在语言研究尤其是中英文双语研究方面，如利用fMRI技术研究中英文双语学习过程中大脑功能活动的变化，研究在失读症以及颞叶性癫痫等疾病时语言功能改变等方面均取得了一定的进展。近些年，中英文双语转换与应用过程中的大脑激活状态相关研究取得了一定进展，该方面研究分别采用不同的fMRI扫描与实验方法，包括让志愿者判断语句的含义(语义任务)、判断语句的重音和音调(节律任务)、判断语法和拼写是否正确、执行汉语和英语的双向转换(转换任务)、进行算数的精确计算与粗略估计，等等。下面拟通过对中英文双语学习中，母语为分别中文、英文以及病理状态下的受试者与患者的脑功能活动研究进行回顾分析，旨在为未来的双语学习、教学以及语言康复提供有效的指导。

1 母语为汉语的双语者执行中英文语义任务时大脑功能活动变化

早期研究认为，在执行中文和英文语义加工任务时，大脑功能活动区及功能模式十分相似。2000年，新加坡Kent大学研究团队应用fMRI技术，针对右利手汉英双语者进行了语言任务执行时大脑功能活动的研究。这项研究发现:当受试者分析汉字词义和图片含义时，大脑的多个部位出现相似的活动区域，包括左前额叶、左后颞叶、左梭状回和左顶区;当执行汉字词义处理时，大脑左侧颞叶中后区和左额叶前区比执行图片处理时产生更多的活动;进行图片含义分析时，与汉字词义处理相比，在外侧枕叶产生更多的活动。当对另外一组双语参试者进行英文词义和图片含义比较时，观察到大脑呈现与前面一组相似的活动模式。然而，将英文的单词和图片处理与汉字的词义和图片处理相比较时，仅在左侧额叶前区发现较少的差别。对第三个实验组直接进行了汉字与英文单词词义处理比较研究，发现两种语言的大脑活动高峰区域是相似的，但汉字语义处理有较大的MR信号改变。该研究认为汉字、英文和图片的词义处理存在一个共同的词义分析系统，但每种任务分别有着特殊的模式差异［1］。2001年，Pu等应用 fMRI技术，研究中国人在使用中文和英文执行语句加工任务时的大脑功能状态，结果表明在执行这两种任务时，大脑的额叶前中区存在相似的血流动力学改变，并认为汉语为母语的中国人在执行中文和英文语言加工任务时，存在相似的神经机制［2］。

近年来，相关研究对中文和英文词义处理时大脑激活区域做了进一步明确，并深入分析了产生的原因。例如，Ding等应用fMRI技术，检测拼写和词义判断任务下中英文双语刺激大脑功能的差别，认为控制英文单词的大脑激活区域与应用中文拼音和汉字进行中文阅读是相似的，但应用英文词汇(第二语言)比应用汉字(母语)能够激活更多的右侧大脑半球活动，这支持第二语言(英文)处理过程比第一语言(中文)更多支配大脑右半球的假设［3］。2010年，Liu等针对24名中英双语者进行研究，当将英语(第二语言)图片名称向中文(第一语言)名称翻译时，左额下回、双侧辅助运动区、左中央前回、左侧舌回、左侧楔叶、双侧壳核、双侧苍白球、双侧尾状核和小脑区域显示活动增强，说明在运用第二语言生成词汇时，相比第一语言有较少的自动性，并需要更多的神经资源支持用于语句的提炼、发音的处理和认知。当将中文(第一语言)名称向英语(第二语言)翻译时，右侧壳核和右侧苍白球区域活动明显增强，研究者认为这可能是不同的发音特点引起的活动增强［4］。

Luke等对7位母语为汉语、均学习英语超过10年的志愿者进行语法和语义的研究。实验包括两种任务:一是判断语句的动词短语是否符合句法构成的逻辑，二是判断观察到的短语是否是可以接受的语义。研究发现，负责中文加工的神经网络分布较广，包括左额中、下回和左颞上、中回，右侧对称的区域也出现较弱的激活。相对于以前研究发现的英文语法和语义加工有各自明确的控制区域，该研究发现中文的语法和语义加工位于同一区域。研究结果表明，中文阅读的语法加工有较低的独立性，这要归因于汉语的语法和语义的自然特征没有明显界限。此外，当双语受试者执行英语短语的语义和语法的判断任务时，负责中文阅读加工的大脑系统同样能够为英文加工服务［5］。

使用中英文不同性质的词汇，可引起不同的大脑激活。Chan等通过 fMRI检测发现，汉语单语者使用名词和动词时所激活的脑组织区域无明显区别;而中英文双语者处理中文时动词和名词亦在相同脑区，但不同的是英文动词加工比英文名词加工能够激活更多的区域，包括负责运动功能的左侧壳核和小脑。研究推测，运动系统亦可能参与英文动词加工任务［6］。

Wang等对15个熟练掌握英语的中国人进行持续的和短暂的双语测试，fMRI检测结果显示:与单种语言比较，持续的双语控制诱发双侧额下回、额中回前部(BA45/46)的激活;相反，短暂的双语控制(语言开关)主要激活左顶下小叶(BA 2/40)、顶上小叶(BA 7)和额中回(BA 11/46)。本研究结果推测，持续的和短暂的语言控制会诱发不同侧重的脑半球激活模式［7］。

Wang等针对12个学习英文的中国大学生，进行语言转换任务fMRI扫描。结果表明，对比非执行转换任务，执行语言转换任务时引导出以下区域更强的激活:右额上回前部(BA9/10/32)，左额中、上回(BA8/9/46)和右侧扣带回、尾状核(BA11)。当前向转换(从汉语到英语)与非转换条件和逆向转换(从英语到汉语)进行比较时，激活的几个大脑区域与执行功能相关(如双侧额叶皮质)。结果建议:语言转换所激活的相关神经区域的不同依赖于语言转换的方向，不支持存在特殊的专门执行“语言转换”的区域［8］。

2 非熟练第二语言(英语)的中国人执行中英文阅读任务时大脑功能活动变化

Xue等针对非熟练阅读英文的中国人进行fMRI功能检测，选取了12个非熟练英语的中国人作为受试者。首先，进行词义关联任务，要求这些被试连续地判断在屏幕上出现的单词与之前出现的两个单词是否存在词义上的关联;其次，在韵律任务方面，要求判断目标词是否与其他词存在押韵关系。研究结果显示，所有的中文和英文工作记忆任务均产生相似的左侧大脑半球占优势的活动模式，激活区域包括背外侧前额叶皮质，以及岛盖部、三角区、中央回和顶叶。此外，与行为学数据一致，岛盖部、左侧顶叶和右侧前中央皮质等激活区范围执行英文任务时较执行中文任务更大。该研究显示，中文和英文的工作记忆任务由一个统一的神经系统调节，如额顶叶区，当执行不熟练的英文任务时，此区域能够引起周边更多的大脑皮质区激活，以便满足增加的计算需求［9］。这部分研究结果与Ding和 Liu 的结论相同［3－4］。

3 母语为英语者执行英中互译时的大脑功能活动变化

Nelson JR等针对英文母语者学习中文的情况进行了研究，发现当他们阅读英文时主要是左侧梭状回被激活，但阅读中文时附加了右侧梭状回区的激活;而熟练掌握英文的中国人阅读中文或英文时，双侧梭状回均有激活。由此，该研究认为，母语为英文者在学习中文时出现适应模式，即阅读网络通过增加神经资源以满足其分析特殊图形的需求，从而达到适应新的阅读系统的目的;相反，母语为中文者则表现出一种同化的模式，也就是说，阅读中文所建立的神经网络程度已足够分析英文图形的需求，不需要更多的改变［10］。该项目研究的结果与 Liu等的研究相近［4］。

此外，Liu等针对英语为母语并且未学习过汉语的志愿者，进行了短期的汉字学习训练(60个汉字)。通过fMRI扫描，发现这些英语母语者汉字学习后，大脑激活的区域与熟练的汉语阅读者的激活区域存在部分重叠，包括双侧额中回(BA 9)、右枕部(BA 18/19)和梭状回(BA 37)，然而在字母阅读者中未见这些激活区域。研究结果推测汉语学习者用来学习汉字的大脑网络与中国人相似，这与系统调节假说是一致的，即大脑的语言阅读神经网络能够根据一种新获得的书写系统特征进行相应的调节［11］。

4 执行中英文节律分析任务时大脑活动状态的比较

第二语言的阅读是一项与母语相互作用的复杂任务。Tan等使用fMRI技术，研究中英文双语者在中文和英文音律加工以及两种语言书写等状态下的大脑激活情况。研究发现，汉语音律加工激活左额中回和顶叶后部，该区域与空间信息传递、立体工作记忆以及中央执行系统的认知资源整合有关，推测该部位的激活可能与汉语字符有立体构型等因素有关。此外，当双语受试者执行英文音律任务时，神经系统的活化更明显，而调节英语单一音素分析时仅有较弱的激活;认为双语参试者能够应用母语系统执行英文阅读任务，由于缺乏“字母至声音”的中文转换支配，导致中文阅读者加工英文的能力较差［12］。

Gandour等招募了10名熟练的中英双语者(在美国留学的中国人)，使用中文和英文阅读成对的3个语句，进行语句重音、音调和语句类型的fMRI检测。两种语言均可引起一致的额叶、颞叶和顶叶区激活，但在语句节律任务方面，英文比中文在双侧岛叶前部和额上沟出现较强的激活，而仅中文语句引出偏向于左颞中、后回的不对称激活。研究者认为，不同的激活模式归于中文和英文语句节律的本质区别，而这种语音差别导致增加了处理英文大脑计算的需求。虽然对于水平不一的双语者在执行特殊的语言任务时可能需要附加的神经资源，该研究仍然支持这一观点，即汉语和英文的处理与应用是由成长过程中所获得的统一神经系统所调控［13］。

Tong等选取10名母语为汉语的中国人和10名母语为英语的美国人，进行了2个句子以上水平的语句节律任务fMRI检测，发现语句节律的获取是大脑半球内部甚至两个大脑半球广泛神经区域相互作用的结果。此语句节律加工模式强调:当执行复杂声音分析任务时，右侧大脑半球起主要作用;然而，当需要进行语义分析时，左侧大脑半球将起到优势的作用［14］。

5 数字处理过程中英文双语者的大脑功能活动情况

在执行数学计算任务时，语言的作用一直是一个认知领域感兴趣的话题。“三重编码模型”认为:数学计算存在语言依赖模式(如加法和乘法相关的算术检索事件)，以及非语言依赖性的模拟数量编码(如数字的比较与估计)。Venkatraman等选取了20个中英文双语者，进行不同算术任务的fMRI检测。通过“基于7的加法”的精确计算任务，发现左额下回、左顶下小叶延伸至角回存在语言转换效果;对于近似数的“百分数估计”的任务，在双侧的后顶内沟和左额下回发现优势的语言转换效果，其激活的部位较“基于7的加法”任务稍微偏向于左额下回的背侧。该研究认为，精确的计算加工依赖于口语和语言相关的神经网络，而近似数估计加工仅使用与数量加工相关的顶部神经回路［15］。然而，Tang等的研究结果与此有不同之处。他们将12名母语为中文者和12名母语为英文者纳入此项研究，应用fMRI证实:英文为母语者主要依赖于外侧裂周围皮质进行语言加工(如简单加法)任务的心理计算，而母语为中文者主要应用视觉-运动前区的相关神经网络加工处理相同的任务。该研究结果表明，数字的不同生物学编码可以由语言学习、算术学习、教育系统等因素的视觉阅读经历所形成，而不能被完全地解释为是语言本身的区别［16］。

6 发展性失语症和颞叶性癫痫患者中英文双语者的大脑功能活动情况

发展性失语是一种智商正常的学龄期儿童出现的神经生物学语音加工功能紊乱，表现为严重的阅读技巧获得障碍。前期研究表明，中国儿童的发展性失语主要是左侧大脑额中回语言加工功能的破坏，和以英语或其他西方语言为母语者的阅读损伤部位不同［17］。英语发展性失语者主要是音律加工功能的紊乱［18］，与视觉加工功能紊乱无关［19］。然而，由于汉字不同于英文，在视觉上有复杂的图形特征，因此，Siok等选择了12个发展性失语患者进行物理尺寸大小的系列fMRI测试，结果显示阅读障碍者调控视觉加工的左侧顶内沟区域出现较弱的激活。分析阅读障碍者个人的阅读表现，推测发展性失语的中国儿童一般同时存在视觉空间加工能力缺陷和音律加工紊乱［20］。进一步研究发现，大脑激活降低的部位常伴有灰质体积的减少［21］。该研究针对16个发展性失语者进行fMRI的功能检测，发现中文阅读(非字母阅读者)失语者显示左侧额中回灰质体积减少，而与之前的研究［17］相一致的是中文失语者左额中回区确实有相似的激活降低，激活区的降低与灰质体积减少区域有明显的相关性。与此形成鲜明对比的是，中文失语者没有显示出在更后部的大脑区域功能和结构的改变，而这个区域是字母语言(英语)失语症的异常区域。本研究证实，字母类(英语)和非字母类语言(汉语)的失语症存在不同的大脑结构和功能的改变。

You等以伴有中英双语阅读障碍的中国学龄儿童为研究对象，通过fMRI技术，研究儿童对音律和拼写的神经系统反应。分析发现，当进行拼写任务时，伴有阅读损伤的儿童显示左舌回/距状回活性降低;独立感兴趣区分析显示，在拼写处理过程中枕颞区活性下降，而在语音加工过程中顶颞区活性下降，这项研究结果与以前母语为英语者的实验结果一致。该研究认为，无论英语是否作为第一或第二语言，在语音加工受损的情况下均有相似的神经系统缺陷［22］。

Cheung等对正常双语人群做 fMRI检测，结果显示，中文处理和英文处理存在神经基础差异，在阅读英文单词时出现左侧半球激活，在阅读中文时双侧半球均有活动。进一步对颞叶性癫痫病人的分析发现，中英文处理神经基础的差异影响到了颞叶性癫痫控制语言处理功能的模式;与右侧颞叶性癫痫患者相比，左侧颞叶性癫痫患者更能够证明双侧半球语言中仅有一个掌控着英语阅读，左侧和右侧颞叶性癫痫患者均能够证实双侧半球与中文阅读控制有关［23］。

7 结论与展望

综上所述，在中英文语言分析处理方面，人类大脑存在着统一的神经基础，然而，在处理不同类型的任务时，则存在着多重性和协调性。中文类型任务处理需要较多的大脑区域参与活动，相比之下，英文类型任务处理需要活动的大脑区域较少，主要局限于左侧大脑半球。因此，母语为汉语者学习英文时，大脑增加活化的区域较少;而母语为英语者学习汉语时，明显出现右侧大脑活动。此外，左侧或右侧颞叶性癫痫患者所表现出的语言阅读障碍特征，亦符合以上的分析规律。

通过对上述实验研究结果的深入分析，可更清楚地认识到双语刺激下不同的大脑功能活动神经机制;同时，失语症与颞叶癫痫患者的脑研究更进一步证实了大脑功能活动在双语研究中有不同的神经机制。上述研究为中英文双语学习与教学提供了科学的实验数据，期望该方面的实验结果能够对未来的中英文双语学习与教学有指导作用。随着这方面科学研究的不断深入，相信将会有越来越多新的科研成果出现。这对推动和促进中英文双语(包括其他双语)学习与教学以及相关疾病的康复指导，均有重要的科学意义。

［1］Chee MW，Weekes B，Lee KM，et al.Overlap and dissociation of semantic processing of Chinese characters，English words，and pictures:evidence from fMRI［J］.Neuroimage，2000，12(4):392－403.

［2］Pu Y，Liu HL，Spinks JA，et al.Cerebral hemodynamic response in Chinese(first)and English(second)language processing revealed by event-related functional MRI［J］.Magn Reson Imaging，2001，19(5):643 －647.

［3］Ding G，Perry C，Peng D，et al.Neural mechanisms underlying semantic and orthographic processing in Chinese-English bilinguals［J］.Neuroreport，2003，14(12):1557 －1562.

［4］Liu H，Hu Z，Guo T，et al.Speaking words in two languages with one brain:neural overlap and dissociation［J］.Brain Res，2010，26(1316):75－82.

［5］Luke KK，Liu HL，Wai YY，et al.Functional anatomy of syntactic and semantic processing in language comprehension［J］.Hum Brain Mapp，2002，16(3):133 － 145.

［6］Chan AH，Luke KK，Li P，et al.Neural correlates of nouns and verbs in early bilinguals［J］.Ann N Y Acad Sci，2008，1145:30－40.

［7］Wang Y，Kuhl PK，Chen C，et al.Sustained and transient language control in the bilingual brain.NeuroImage，2009，47(1):414－422.

［8］Wang Y，Xue G，Chen C，et al.Neural bases of asymmetric language switching in second-language learners:An ER-fMRI study［J］.Neuroimage，2007，35(2):862 －870.

［9］Xue G，Dong Q，Jin Z，et al.Mapping of verbal working memory in nonfluent Chinese-English bilinguals with functional MRI［J］.Neuroimage，2004，22(1):1 －10.

［10］Nelson JR， Liu Y， Fiez J， et al. Assimilation and accommodation patterns in ventral occipitotemporal cortex in learning a second writing system［J］.Hum Brain Mapp，2009，30(3):810－820.

［11］Liu Y， Dunlap S， Fiez J， etal. Evidence forneural accommodation to a writing system following learning［J］.Hum Brain Mapp，2007，28(11):1223 －1234.

［12］Tan LH，Spinks JA，Feng CM，et al.Neural systems of second language reading are shaped by native language［J］.Hum Brain Mapp，2003，18(3):158 －166.

［13］Gandour J，Tong Y，Talavage T，et al.Neural basis of first and second language processing of sentence-level linguistic prosody［J］.Hum Brain Mapp，2007，28(2):94 － 108.

［14］Tong Y， Gandour J， Talavage T， et al. Neural circuitry underlying sentence-level linguistic prosody［J］.Neuroimage，2005，28(2):417 －428.

［15］Venkatraman V，Siong CS，Chee MW，et al.Effect of language switching on arithmetic:A bilingual fMRI study［J］.J Cogn Neurosci，2006，18(1):64 － 74.

［16］Tang Y，Zhang W，Chen K，et al.Arithmetic processing in the brain shaped by cultures［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2006，103(28):10775－10780.

［17］Siok WT，Perfetti CA，Jin Z，et al.Biological abnormality of impaired reading is constrained by culture［J］.Nature 2004，431:71－76.

［18］Hoeft F， Meyler A， Hernandez A， et al.Functional and morphometric brain dissociation between dyslexia and reading ability［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2007，104(10):4234 －4239.

［19］Ramus F，Rosen S，Dakin SC，et al.Theories of developmental dyslexia:insights from a multiple case study of dyslexic adults［J］.Brain，2003，126(Pt 4):841 －865.

［20］Siok WT，Spinks JA，Jin Z，et al.Developmental dyslexia is characterized by the co-existence of visuospatial and phonological disorders in Chinese children ［J］.Curr Biol，2009，19(19):R890－R892.

［21］Siok WT，Niu Z，Jin Z，et al.A structural-functional basis for dyslexia in the cortex of Chinese readers［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2008，105(14):5561－5566.

［22］You H，Gaab N，Wei N，et al.Neural deficits in second language reading:fMRI evidence from Chinese children with English reading impairment［J］.Neuroimage，10 Dec，2010［Epub ahead of print］.

［23］Cheung MC，Chan AS，Chan YL，et al.Language lateralization of Chinese-English bilingual patients with temporal lobe epilepsy:a functional MRI study［J］.Neuropsychology，2006，20(5):589－597.