抓握运动对儿童言语流畅影响的脑功能成像研究

田旻露 周成林

上海体育学院（上海 200438）

动作技能是一种自然、普遍存在、经过练习而巩固下来的、自动化的、完善的动作活动方式。有研究表明，动作技能对言语生成和理解有重要作用[1，2]。但很难从神经生理角度探求动作技能发展与语言相关的神经机制。Gentilucci等[3]发现，在言语表达不同大小物体时，手部的抓握运动会影响音节的发音。这表明，人类和猴子一样，抓握运动不仅控制手部，也控制嘴的运动，从而影响言语生成[4]。这给研究动作技能和言语的关系提供了新的角度。由于通过记录运动轨迹可以得到手部抓握运动精确的运动指标，其可精确测量的特性得到了研究者的重视，成为探察言语与手部运动关系问题的另一条重要途径[5]。

成年人的言语生成加工机制已经非常稳定和成熟，不容易改变，但儿童处于言语发展的关键时期，期间会经历言语发育、发展、成熟。其言语生成时如果增加抓握运动训练，加工机制是否有所改变？言语流畅测试是被广泛认可的神经心理学范式，用来研究言语生成。该测试要求被试根据某一线索生成词汇，这一过程需要从个体的长期记忆存储中搜索相关的词汇并提取出来[6]。汉字是世界上现存的重要的表意文字。与英语等拼音文字不一样，大部分汉字是象形文字，有着独立的字形和字音。有关研究[7]发现，中文的语言区更接近于大脑运动功能区。使用拼音文字者，常用的是后脑的威尔尼克（Wernicke area）语言区，而使用中文的人，此区几乎用不到，其常用的是前脑的布洛卡区（Broca’s area）。前运动区的腹侧属于布洛卡区，与言语生成功能相关。以上研究提示，长期从事某种手部抓握运动可以激活大脑的布洛卡区，从而改善其言语生成能力。而汉语加工的脑神经机制又给予这种假设以神经证据支持。如果此假设成立，是否这种运动经历会改变个体大脑神经加工的机制？

功能磁共振（functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）是在MRI的基础上，通过测量个体完成特定认知任务时脑局部区域磁化率的改变，了解与功能相关的脑区域的结构功能状况。近十年在许多领域得到广泛应用，包括对脑功能的探索。本研究采用fMRI技术，通过语义流畅性测验，比较无手部抓握运动训练儿童和有手部抓握运动训练经历儿童的脑神经活动状况，考察长期手部抓握运动训练儿童的神经活动特点，探讨手部抓握运动对儿童言语的影响，为抓握运动促进言语生成研究提供参考。

1 对象和方法

1.1 研究对象

采取本人自愿、家长知情同意的原则，24名少年儿童参加本实验，其中男10名，女14名；年龄8～15 岁（仅1名为15岁），平均（11.38±1.95）岁。 按有无运动经历，将所有被试分为有运动训练经历组和无运动训练经历组。有运动训练经历组入选条件为从事三年以上以手部抓握运动为特征的运动训练。有运动训练经历组被试来自上海市、江苏省的部分运动技术学校，其中男5名，女7名；年龄9～15岁，平均（12.25±1.87）岁；5 名从事乒乓球运动训练，7 名从事羽毛球运动训练。无运动训练经历组被试来自于上海及常州地区中小学学生，包括男5名，女7名，年龄 8～13 岁，平均（10.50±1.68）岁。 受试者具体情况见表1。

表1 研究对象基本情况（±s）

表1 研究对象基本情况（±s）

????????? 24 11.38–1.95 5.50–1.91 ????????? 12 12.25–1.87 6.50–1.62 4.67–1.44???????? 12 10.50–1.68 4.50–1.68 ??? n ?????????????

所有被试的母语均为汉语，且无任何语言认知能力障碍。根据临床检查和诉说症状面谈，被试均智力正常（IQ>85），视力或矫正视力正常，身体健康，无脑部损伤和神经系统疾病。经修改后的中文版爱丁堡手部侧化量表[8]测试，所有被试均为右利手。两组在受教育时间（P=1.000）和年龄（P=0.864）上均无显著性差异。

1.2 实验仪器

采用华东师范大学上海市磁共振重点实验室西门子3.0T全身磁共振成像仪 （Siemens Magnetom Trio 3.0T）测试。西门子3T Trio磁共振成像仪系统包括经典的12通道头部线圈、多核波谱、开放研发平台、In-vivo功能成像刺激装置、MRI（Magnetic Resonance Imaging）造影剂注射装置、激光打片机。为满足fMRI研究的需要，本实验配备了MRI专用的视觉刺激装置，型号为IFIS-SA。这套装置可使fMRI实验实现视觉和听觉的刺激，并实现fMRI测试和刺激的精确同步。

1.3 试验设计及程序

正式试验之前，所有被试均进行了语义流畅性测试，使被试熟悉言语流畅性任务。fMRI测试前熟悉言语流畅任务采用的语义类别，如家具等类别不会出现在正式试验中。计算一分钟的产词量，为正式测验时被试的产词量作参考。在MRI扫描前，向每位受试者讲解实验设计意义以争取积极配合，告知每位受试者在执行上述各项任务时保持头部静止不动，说话时声音尽量偏低，嘴唇肌肉运动尽量小，以及在扫描期间的注意事项和具体操作过程，直至被试者完全理解并能完全配合。

采用组块设计（blocked design）实验范式进行言语流畅的fMRI测试。实验由静息状态开始，在一个平面回波成像（Echo-Planar Imaging，EPI）扫描序列中，静息状态和任务刺激状态每隔32秒先后交替出现各5次。每个EPI序列扫描时间为320 s。所有任务均通过专业刺激任务设计程序E-prime编排播放到银幕上。受试者实验时仰卧，可以通过悬挂在眼睛正上方的电脑屏幕看到内容，头部左、右两侧加软海绵垫固定于线圈内以减少头部运动。采用INVIVO的视觉刺激系统，给被试提供视觉信息。被试同时使用配套的按键，反馈信息。

静息状态:当屏幕上出现“+”时，要求受试者注视它并保持安静，不要思考任何问题。任务刺激状态:语义流畅性任务在屏幕上出现“请尽可能多地用中文词汇列举水果的例子，轻轻读出来时，按一下键，越多越好，重复无效”的提示语，其他四次任务的语义类别分别为动物、食品、植物和超市卖的商品[9，10]。 任务刺激状态共持续32秒，其中指导语6秒，而后出现“+”，受试者开始完成言语流畅任务，共持续26秒。

被试右侧手上套有按钮键，说出一个词汇，同时用右手食指按键记录产词量。Basho[11]指出，控制言语反馈节奏的外显言语流畅范式 （paced overt verbal fluency paradigm）在fMRI研究中更适合应用在语义流畅性测试中，就控制和监控行为反馈而言，这种范式有很大优势，特别当研究对象是病人、儿童或其他本身就缺乏一定配合性的被试。有了言语反馈，就可以获取在扫描过程中生成的词汇数量和精确性。因此本研究采用了控制其反馈节奏的外显的言语流畅范式。

1.4 测试指标

本研究指标包括行为学指标和fMRI指标。行为学指标主要指言语任务的产词量。产词量指在完成言语任务的规定时间内言语生成的正确词汇的数量。产词量反映了言语流畅加工的准确性和速度。fMRI指标主要包含任务显著激活区域、言语侧向等指标。

1.5 数据采集

采用上海市磁共振重点实验室西门子3.0T全身磁共振成像仪（Siemens Magnetom Trio 3.0T）进行脑结构和功能数据的采集。采用12导阵列线圈，以平面回波成像（EPI）序列采集T2*功能像，扫描参数:TR=2000 ms，TE=30 ms，断层间隔为 1 mm，翻转角度为 90°，层厚 3 mm，矩阵 64×64，视野 220×220 mm2，体素大小为（3.4×3.4×3.0）mm3，共 32 层，层间距为33%，逐层扫描。

1.6 统计学分析

采用统计参数绘图 （Statistical Parametric Mapping，SPM；The Wellcome Department of Cognitive Neurology，University College London，UK）软件 SPM8在Matlab 2009的平台上处理实验数据。首先进行抖动分析（realign），前160帧进行校正定位。首先对每个被试的fMRI数据进行时间校正，接着进行头动校正，排除头部平动大于2 mm、转动大于2°的被试对象，而后将校正后的图像进行标准化，采用SPM自带模板归一化到标准的蒙特利尔神经学研究所（Montreal Neurological Institute，MNI）系统，并 将每个体素 （成像技术中把这种很小的组织单元称为体素，是MRI图像中所能得到的最小的单位）重采样至2 mm×2 mm×2 mm；最后使用高斯核函数进行平滑，降低空间噪声，全宽半高值 （full width at half maximum，FWHM）为6 mm，激活范围阈值设为10个体素。在个体水平，采用固定效应模型（fixed effects model），P<0.001（未校正）为差异有统计学意义；采用二级随机效应模型（random effects model），对组内数据分别进行单样本t检验分析，P<0.001（未校正）为差异有统计学意义。组间比较采用双样本t检验，P<0.001（未校正）为差异有统计学意义。最后将两组激活图及差异图叠加在MNI模板上显示。

根据归一化比值 100×（L-R）/（L+R）测算出非对称指数（asymmetry index，AI），了解每位受试者的言语侧向性 （语言加工的侧化模式即单侧脑区的激活）。L、R分别代表大脑左右半球超阈值体素的数量。若AI≥20，言语加工为左侧半脑居优势，若AI≤ -20，言语加工为右侧半脑居优势，若AI在两值中间，表明言语加工为双侧化的。

2 结果

2.1 行为学结果

所有受试者均顺利完成语义流畅性任务。有运动训练经历组130秒产词量平均为 （52.83±14.22）个；无运动训练经历组130秒产词量平均为（42.50±13.69）个。在语义流畅性测试中，两组产词量无显著性差异（P>0.05）。

2.2 fMRI 结果

由图1、表2可知，有运动训练经历组儿童完成语义言语流畅性测试时，显著激活其以下脑区:双侧额下回、双侧丘脑、右豆状核、右额叶（中央前回）、右小脑后叶、双侧脑岛、右侧脑室、左丘脑（腹外侧核）。所有被试均未表现出明显的言语侧向性（AI=-7.41±1.22）。

表2 有运动训练经历组完成言语流畅任务时激活脑区及其相关参数

由图2、表3可知，无运动训练经历组完成语义言语流畅性测试时，显著激活其以下脑区:左侧脑室、左额下回、左脑岛。所有被试未表现出明显的言语侧向性（AI=-0.30±1.61）。

表3 无运动训练经历组完成言语流畅任务时激活脑区及其相关参数

有运动训练经历组和无运动训练经历组共同显著激活了大脑左额下回、左脑岛。但有运动训练经历组在任务中显著激活的右额下回、双侧丘脑、右豆状核、右额叶（中央前回）、右小脑后叶、双侧脑岛、右侧脑室、左丘脑（腹外侧核）等脑区，并未在无运动训练经历组呈现显著激活。由图3、表4可知，有运动训练经历组和无运动训练经历组大脑区域通过双样本t检验有显著性差异，有运动训练经历组更为强烈激活的脑区为左脑岛、双侧额下回、左额叶（中央前回）。

两组在言语侧向化指标上未表现出显著性差异（P=0.481）。两组均为双侧大脑激活，未出现言语加工的左侧优势化。结果显示，有运动训练经历组儿童完成言语任务时比无运动训练经历组激活强烈，激活区域范围较广。

表4 完成言语流畅任务时有运动训练经历组比无运动训练经历组激活程度更高的脑区及其相关参数

3 讨论

3.1 儿童言语流畅的认知加工特征

儿童在言语流畅加工过程中激活的脑区包括左额下回和脑岛。左额下回是语义流畅性研究中经常提到的激活脑区，是语义流畅加工的主要脑区[12]。由于语义流畅性要求个体在有限的时间内能够高效的产出尽量多的词汇，这样的言语能力和人体的词汇提取能力和表达能力密切联系[12]。本研究还发现语义流畅性任务显著激活了所有被试的左脑岛。Dronkers[13]总结认为脑岛的这个部位对于协调口腔发音动作起到了关键作用。本研究中所有的被试都要求在完成语义流畅性的同时将生成的词汇轻声表达出来，这样既不产生太多的伪迹，也便于观测其言语流畅性的绩效，还可使被试很好地完成任务，不因不配合造成脑部无明显的言语加工。此任务不仅涉及被试的言语发音，而且需要其从长期记忆中搜索词汇，抑制不符合语义类别或已经重复的词汇。

3.2 有运动训练经历组激活区域的认知加工特征

有运动训练经历组执行语义流畅性任务时，显著激活的脑区多于无运动训练经历组。虽然两组有相同的激活脑区，分别是大脑左额下回、左脑岛，但本研究中，有运动训练经历组还显著激活了其他脑区，包括右额下回、双侧丘脑、右豆状核、右额叶（中央前回）、右小脑后叶、双侧脑岛、右侧脑室、左丘脑（腹外侧核）等脑区。其中，有运动训练经历组激活程度更高的区域，同无运动训练经历组存在显著性差异。这些脑区分别是左脑岛、双侧额下回、左额叶（中央前回）。有运动训练经历组在任务中显著激活的这些区域与运动有明显联系。右额下回是汉语加工的经典区域。有研究者推测，右额叶和右顶叶的皮层主要负责对汉字笔划的空间位置和笔划组合进行加工，协调大量的视觉－空间分析，这是加工方块字所必需的[14]。 布洛卡区（Broca's area）是言语生成的主要加工区域，主要位于大脑皮层额下回后部，事实上它还包含发音的运动加工。本研究中，有运动训练经历组无论自身显著激活区域还是与无运动训练经历组比较，均涉及双侧额下回和双侧额叶的中央前回。额叶中央前回不仅与运动前区非常接近，也是和手部运动密切相连的脑区。有运动训练经历组被试均至少有三年以上的手部抓握运动训练经历，经常激活运动前区，也影响到周围脑区，因此，本研究中这些区域的激活和手部抓握运动有密切联系。

小脑是协调运动行为的重要脑区，也包括言语运动加工。小脑出现损伤，就出现共济失调性构音障碍（Ataxic dysarthria）。这是一种影响言语运动的疾病，是言语运动器官失去肌肉控制的协调能力。近几年，有研究表明，小脑是在言语生成时言语短时记忆的储存库[15]。因此，在言语生成时，基于小脑运动控制能力的不均匀性，其产生的认知作用也不同。手部抓握运动是一种协调运动，会影响小脑的神经活动，并进一步影响与之相关的言语加工。

基底核、尾状核、豆状核、苍白球、丘脑下核、伏隔核和黑质，这些组织相互影响，形成了一系列的反馈回路帮助维持运动[16]。基底核损伤引起各种运动性障碍疾病，如帕金森氏症、汉丁顿症等，而这些疾病都有其不同的言语障碍症状。这说明基底核是言语发音和发声的协调区域。本研究中，有运动训练经历组的手部抓握训练不断激活了该区，影响其神经活动，从而影响了言语生成的发音活动。

3.3 抓握运动影响儿童言语流畅的神经机制

有运动经历的被试在高水平的动作安排和选择等方面好于无运动经历的被试[17]，这也反映在显著激活的脑区，如双侧额下回、双侧额叶中央前回、双侧脑岛和豆状核等。但本研究注意到，无运动经历的被试其绩效（行为学结果）和有运动训练经历组被试并无显著性差异，可能因为儿童尚处在言语发展期，其言语加工机制还不稳定。虽然在大脑加工区域上有差异，但由于言语任务不复杂，未明显体现行为学的差异。儿童在言语生成的过程中，其搜索、聚类和转换策略的不一样也影响绩效。

有运动训练经历组在言语加工侧向性方面与无运动训练经历组无显著性差异，都呈现双侧大脑激活。但从显著激活区域看，有运动训练经历组呈现双侧脑区激活现象，而无运动训练经历组激活脑区都集中在大脑左侧。这说明手部抓握运动不仅激活了大脑运动前区，还普遍激活了大脑其他区域。无论是显著激活区，还是与无运动训练经历组比较，有运动训练经历组均显著激活了左额下回和中央前回脑区，表明手部抓握运动主要影响与左运动前区接近的脑区，这与前人研究一致[18]。有研究认为，左运动前区对高水平动作选择这一认知特征起到重要作用，也对言语生成起重要作用，这与言语加工是否有侧向化无关系[18]。

有运动训练经历组完成言语任务时显著激活的区域明显多于无运动训练经历组；两组比较，激活区域有显著性差异，有运动训练经历组有更多激活程度更高的脑区，这反映了手部抓握运动对言语生成的影响。这些脑区不仅涉及言语生成脑区，也是与手部运动相关的脑区[19]。这说明长期手部抓握运动训练可以影响或改变周围激活的言语加工区域，从而改变言语加工的神经机制。这类研究结果尤其适用于汉语加工者。因为使用中文的人常用前脑的布洛卡区，前运动区腹侧部分属于布洛卡区，因此中文的语言区更接近大脑运动功能区。这种相互接近的区域优势，使言语受运动的影响成为可能，而且影响效果更明显。通过观察完成言语任务，发现有运动训练经历组呈现出特殊的神经活动模式。这类被试的运动系统很好地协调了手部抓握运动和言语生成的关系。确切地说，当长期抓握训练从一定程度上影响了言语生成时同样激活的运动前区和初级感官－运动皮层，大脑协调系统就形成了一定的因果链；反过来，这些被影响的运动脑区也影响了言语的生成。因此抓握运动引起的言语生成加工方式的变化并不是抓握运动附带的变化，而是影响言语生成的内在成分之一。这些大脑和行为方式的改变反映了言语生成的深层机制。

西语研究指出，语义流畅性显著激活了大脑的颞叶皮质[20]。但本研究中，无论有运动训练经历组还是无运动训练经历组，均未见该区域显著激活。这也证实了汉语加工主要集中在布洛卡区，颞叶不是言语流畅性加工的主要区域。布洛卡区与运动前区非常接近，经常激活运动前区会引起布洛卡区的神经活动，从而改善言语的生成能力。手部抓握运动一定程度上可以帮助改善汉语言语加工能力。

4 总结

有运动训练经历组和无运动训练经历组儿童完成言语任务时均显著激活了大脑左额下回和左脑岛。但有运动训练经历组在任务中显著激活了右额下回、双侧丘脑、右豆状核、右额叶（中央前回）、右小脑后叶、双侧脑岛、右侧脑室和左丘脑（腹外侧核）等脑区，无运动训练经历组并未显著激活相同脑区。有运动训练经历组比无运动训练经历组激活程度强，激活区域广，可能和长期抓握运动训练有关。

[1]McNeill D.Gesture and thought.Chicago.IL:University of Chicago Press，2005.77-92.

[2]Goldin-Meadow.Hearing gesture:how our hands help us think.Cambridge，MA:Belknap Press of Harvard University Press，2003:203-224.

[3]Gentilucci M，Benuzzi F，Gangitano M，et al.Grasping with hand and mouth:a kinematic study on healthy subjects.J Neurophysiol，2001，86:1885-1699.

[4]Rizzolatti G，Aribib MA.Language within our grasp.Trends in Neuroscience，1998，21（5）:188-194.

[5]朱明泉，张智君.言语与手部运动关系的研究回顾.心理科学进展，2007，15（1）:88-93.

[6]Lezak，Muriel Deutsch.Neuropsychological assessment.Oxford[Oxfordshire]:Oxford University Press，1995.62-67.

[7]Xue G，Dong Q，Jin Z，et a1.An fMRI studywith semantic access in low proficiency second language learners.Neuro Report，2004，I5（5）:79I-796.

[8]李心天.中国人的左右利手分布.心理学报，1983，15（3）:268-276.

[9]Gaillard WD，Balsamo L，Ibrahim Z，et a1.fMRI identifies regional specialization of neural networks for reading in young children.Neurology，2003，60:94-99.

[10]孙一忞，郭起浩，袁晶，等.4种流畅性测验上海社区中老年人的常模分和划界分.中国行为医学科学，2007，16（8）:714-717.

[11]Basho S，Palmer ED，Rubio MA，et a1.Effects of generation mode in fMRI adaptations of semantic fluency:Paced production and overt speech.Neuropsychologia，2007，45:1697-1706.

[12]Thompson-Schill SL，D’Esposito M，Aguirre GK，et a1.Role of left inferior prefrontal cortex in retrieval of semantic knowledge.A reevaluation.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，1997，94（26），14792-14797.

[13]Dronkers NF.A new brain region for coordinating speech articulation.Nature，1996，384:159-161.

[14]刘丽虹，张积家，谭力海.汉语加工脑神经机制研究的新进展.心理科学，2004，27（5）:1165-1167.

[15]Silveri MC，Di Betta AM，Filippini V，et al.Verbal shortterm store-rehearsal system and the cerebellum.Evidence from a patient with a right cerebellar lesion.Brain，1998，121:2175-2187.

[16]Love RJ，Webb WG.Neurology for the Speech-language Pathologist. （Third ed.）.Butterworth-Heienemann，Boston，MA，1996.17-35.

[17]Cross ES，Hamilton AFC，Grafton ST.Building a motor simulation de novo:Observation of dance by dancers.Neuroimage，2006，31:1257-1267.

[18]Grafton ST，Hamilton AF.Evidence for a distributed hierarchy of action representation in the brain.Hum Mov Sci，2007，26（4）:590-616.

[19]Poldrack R，Gabrieli J.Characterizing the neural mechanisms of skill learning and repetition priming:Evidence from mirror reading.Brain，2001，124:67-82.

[20]Mummery CJ，Patterson K，Hodges JR，et al.Generating“tiger” as an animal name or a word beginning with T:differences in brain activation.Proc Biol Sci，1996，263（1377）:989-995.