健康人双任务范式汉字加工的功能磁共振成像研究

裴倩，宋鲁平，张通

健康人双任务范式汉字加工的功能磁共振成像研究

裴倩1，宋鲁平2,3，张通2,3

目的利用功能磁共振成像(fMRI)考察健康人双任务范式下汉字加工过程。方法10名健康受试者分别进行双任务范式的“按键朗读”任务及单任务范式的“按键”“朗读”任务。采用标准的组块相关设计对受试者大脑进行fMRI扫描，观察任务中脑功能激活区及偏侧化指数。结果和结论执行任务时，右侧额下回、双侧顶叶、双侧小脑显著激活；偏侧化指数显示，脑激活区呈现左半球优势。

汉字加工；功能磁共振成像；脑功能激活区；偏侧化指数

[本文著录格式]裴倩，宋鲁平，张通.健康人双任务范式汉字加工的功能磁共振成像研究[J].中国康复理论与实践,2014,20 (11):1004-1007.

近年来，功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)在探讨注意机制等方面的研究已引起人们的重视。注意在大脑皮质区域有广泛分布，前额皮质、扣带回、颞上回、丘脑和脑干的网状结构均与注意有关。Posner等描述了前警觉后定向系统这样一种注意模式[1]。警觉系统位于前额叶和扣带回，这些区域接受丘脑和脑干网状结构觉醒系统的神经纤维投射；定向系统位于内侧顶叶和颞上回。因此脑损伤，包括脑血管意外、脑外伤、中枢神经系统感染、脑中毒都可导致注意障碍。

本研究采用标准的组块相关设计对10名健康受试者进行fMRI扫描，考察语义加工任务中脑功能激活区及偏侧化指数。

1 对象与方法

1.1 研究对象

选择2010年2月～2011年12月在中国康复研究中心实习或进修的医师10名，其中男性6名，女性4名；年龄24～41岁，平均(35.43±7.76)岁；均为本科及以上学历；既往体健。每名被试在实验前均签署知情同意书。

1.2 研究方法

1.2.1 实验材料

从《字库》(电子版)的3个字频段(0.05～0.07、0.1～0.15和0.5～1.0)中选取30个字作为按键判断任务的加工对象。字义任务中具有“动物”意义的“是”反应字和不具有“动物”意义的“否”反应字各15个。“是”反应字采用“蝎牛鹤豺鹅犬虾猫虱蝉熊蛇龙狗蚕”15个汉字，其字频为(0.0361±0.0479)，笔画数为(9.07±1.66)；“否”反应字采用“管吗肝谍锚巢舌免聋骄谋饼贪叛景”15个汉字，其字频为(0.0682± 0.0602)，笔画数为(9.07±1.66)。

1.2.2 实验程序

采用标准的组块相关设计(block design)，每个任务扫描时间为384 s，其中前24 s为预扫描；后依次行任务与休息各30 s，共6个周期。刺激序列由DMDX软件编写。由计算机编程的刺激程序通过光纤投射到眼镜上，被试者在MRI扫描仪内可看到眼镜上的刺激内容。实验过程中，要求被试者注视眼镜中央并保持头部不动。利用1.5 T磁共振成像仪(美国GE公司)进行大脑扫描。被试戴上耳机听命令。左手持鼠标，分别用中指、示指按左、右键，表示“是”和“否”。在正式测验前均先进行指导语讲解和练习，然后进入正式测验。正式任务开始后，眼镜中央呈现1个刺激字，要求被试对该汉字是否表示某种动物，用按键做出判断。实验一只需要按键判断，实验二只需小声朗读看见的字，实验三同时按键判断和朗读该汉字。当被试做出按键反应时，电脑自动记录按键判断反应时和错误率。

1.2.3 MRI图像采集

采用磁共振成像系统(Siemens Sonata)进行图像采集。首先用自旋回波(SE)脉冲序列获得颅脑轴位20层T1WI像，扫描参数：TR/TE=2100 ms/10.4 ms，层厚6 mm，间隔1.6 mm，FOV 24×24 mm，矩阵256× 320。再用单次激发梯度回波平面回波(EPI)序列进行血氧水平依赖fMRI检查，扫描层面与T1WI相同，每层获取120帧图像。EPI扫描参数为：TR/TE=3000 ms/40 ms，翻转角90°，层厚5 mm，间隔0，FOV 24× 24 mm，矩阵64×64。最后用三维Turbo FLASH磁化准备快速梯度回波成像(magnetization prepared rapid gradient echo imaging,MPRAGE)序列行矢状位覆盖全脑扫描，进行三维重建及空间配准。

1.3 数据处理

1.3.1 任务评定

剔除错误按键的项目，将正确反应项目的反应时和完成该任务的错误率作为统计指标，分别统计各项任务的反应时与错误率的平均值。

1.3.2 fMRI

采用SPM、MRIcron软件分析图像数据。预处理中首先对功能像进行头动校正，并对图像进行各向同性高斯平滑(FWHM=6 mm)。然后计算功能像信号变化率，对其进行数据标准化；将功能像与三维全脑结构像对齐和空间标准化，并在该标准坐标体系内以3× 3×3 mm为单元进行重新采样；最后将受试者的平均脑功能图像叠加到与之相应的解剖图像上，以显示激活脑区。在激活脑区图像处理中，各项结果均为按键朗读任务激活区分别减去按键激活区和朗读激活区。计算各项语义加工任务中左右脑的激活体积。根据公式

计算双侧大脑半球激活体素的偏侧化指数(lateralization index,LI)。其中，L=左侧激活体素数，R=右侧激活体素数。取LI＞0.1为偏左侧优势。采用配对资料的符号秩和检验研究受试者各项任务左、右脑激活区有无显著性差异。

2 结果

10名健康受试者各项任务的平均反应时与错误率见表1、表2。

表1 健康受试者各项任务反应时(ms)

表2 健康受试者各项任务错误率(%)

健康受试者在执行按键朗读双任务，右侧额下回、双侧顶叶、双侧小脑显著激活。见图3。

图1 健康受试者大脑皮层激活图

按键、朗读、按键朗读时，双侧脑激活区均有显著性差异(P＜0.05)。10名健康受试者3项任务中均有9名呈左侧化趋势，即以左半球激活为主。见表3。

表3 各项任务的脑激活体积(mm3)

3 讨论

3.1 双任务范式(dual-task paradigm)

多年来，双任务范式已广泛应用于注意资源理论的研究中。双任务范式考察注意如何在两个并行任务间起到指向和调节作用。其基本方法是，让被试执行两个明显不同的任务，然后研究者评估这两个任务间相互影响的程度，通过使任务相互竞争来揭示注意的特性。研究发现，单任务时注意需求最小，被试相对有足够的资源容量进行语言性加工；而当复杂或多个操作施加的任务需求增加时(例如双任务范式)，大部分被试会由于注意资源容量不足或分配障碍而导致任务成绩下降。

通过对双任务加工执行功能定位研究发现，前额叶皮层在双任务执行过程中占据核心地位。经典双任务范式包括行为双任务范式和交叠双任务范式。前额叶皮层为双任务加工执行功能定位相关脑区，主要表现为具有特定区域和激活程度改变两种观点[2]。本研究中，单任务范式要求被试独立进行按键或朗读，双任务范式要求被试同时按键、朗读，其中单任务范式对注意的需求较小，双任务范式中两个并行任务间相互影响、相互竞争注意资源，对注意的需求较大。本研究通过单任务、双任务范式之间的差异来反应注意功能，即注意资源容量及分配能力。

3.2 注意功能的大脑皮层激活区

fMRI结合了功能、影像和解剖等方面的因素，具有较高的时间和空间分辨率和整体性，在生理状态下可无创性研究人脑的复杂功能活动，直接显示激活区所在的确切位置，是目前唯一无侵入、可精确定位人脑高级功能的研究手段[3]。fMRI产生的激活图描述大脑不同区域在特定任务期间或对特定刺激的反应所参与的平均程度[4]。目前，用于研究大脑有效连接度的因果分析模型已经广泛应用在神经影像研究中。现有的因果分析模型有结构方程模型(structural equation modeling,SEM)[5]、动态因果模型(dynamic causal modeling,DCM)[6]和Granger因果模型(Granger causality model,GCM)[7]等。

本研究在SPM处理中，将按键朗读任务激活区分别减去按键激活区和朗读激活区，体现了双任务中的注意成分的激活区。结果显示，右侧额下回、双侧顶叶、双侧小脑的激活为特异性激活区。

汉字认知加工相关的研究中，部分学者认为，言语产出与认知加工中的注意水平关系密切，注意的集中、分配等对语言产出有重要作用。Dong等应用fMRI发现，部分脑区由于任务对注意分配的需求而激活[8]，为此种观点提供了证据。

注意是指对客观环境或主观意识的某一方面进行准备与选择的过程，是认知科学的中心主题。因为人脑只能同时处理有限的信息量，因而在日常生活中，必须适当地对信息进行选择处理。随着神经心理学和神经影像学等研究技术的不断进步，注意的研究可以导致教育和认知训练等方面的革新[9]。

根据注意水平可将注意分为分别注意、重点注意、持续注意、选择性注意和交替注意。本研究双任务中主要为分别注意，即对多项任务同时反应的能力。Kotz等研究了注意力集中和分散的认知过程神经解剖相关性，fMRI显示在目标刺激过程中主要激活右前额皮质[10]。Jiang探索了右侧额下回在知觉注意分配和反应选择解决双重任务干扰时的作用，研究显示，右侧额下回在短的刺激发生不同步条件下，比在长的刺激发生不同步条件下激活更显著[11]。诸多对大脑执行控制功能的研究均提示，前额叶参与执行控制[11-12]，在需要加强注意、冲突负荷加重时，前额叶可能调节注意资源，有效配置注意资源。本研究结果显示右额叶激活明显，证实右额区在知觉注意阶段对解决双重任务干扰非常重要。

为了进一步探索注意的神经机制，研究者对神经网络进行了剖析。目前认为，注意的神经网络主要包括警觉网络、定向网络和执行网络。其中，定向网路的主要组成部分是顶叶[13]。对恒河猴的研究证明，顶叶皮层存在“注意神经元”，对注意转移非常敏感。本研究双任务下顶叶出现了激活，表明双任务范式对注意的需求增多。

研究表明，小脑参与注意网络的认知功能，小脑病变可选择性损害注意网络的定向和执行控制功能，警觉功能相对保留正常。本研究与之相符。

3.3 注意功能的偏侧化趋势

fMRI能较稳定地提取出多个大脑功能网络，包括初级感知觉网络(运动、听觉、视觉网络)和高级认知功能网络(语言、注意、执行控制、工作记忆，默认网络)[14]。语义联想及动词产生任务均表现为左侧半球优势[15]。本研究显示，尽管汉字有明显的图形化特征，汉字加工仍然和拼音文字一样是左半球优势。

Tan等采用词汇联想任务研究汉字加工的优势半球，结果显示额叶和颞叶的激活是左半球优势，而顶叶和枕叶则是右半球优势[16]。Tan等的研究采用事件相关模式，而我们采用组块设计模式。这可能是造成结果差异的原因。

由于人类认知语言学的高度复杂性，采用fMRI所得出的结论也有所差异，有些结论与传统的观点互为佐证，也有不少则与之相悖或者属于新的发现，这些都为今后的认知语言学研究带来新的挑战和契机。

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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.国家自然科学基金项目(No.C030307)；2.中国康复研究中心课题(No.2011-3)。

1.北京积水潭医院康复医学科，北京市100035；2.中国康复研究中心北京博爱医院神经康复科，北京市100068；3.首都医科大学康复医学院，北京市100068。作者简介：裴倩(1986-)，女，汉族，江苏徐州市人，硕士，医师，主要研究方向：神经康复、骨科康复。通讯作者：宋鲁平、张通。E-mail:songluping882002@aliyun.cn(宋鲁平)、zt61611@sohu.com(张通)。