（生物医学工程专业论文）基于fmri的数字归纳推理的神经机制研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i n d u c t i v er e 勰o m gi sd e f i n e da st h ep r o c e s so fi n f e r r i n gag e n e r a tr u l eb yo b s e r v a t i o n a n da n a l y s i so fs p e c i f i ci n s t a n c e s t h ep s y c h o l o g i c a lp r o c e s s e so fi n d u c t i v er e a s o n i n g h a v eb e e ns t u d i e de x t e n s i v e l y , b u tl i t t l ei sk n o w na b o u ti t sn e u r a lb a s i s t oa d d r e s st h i s i s s u ew es c a n n e d12s u b j e c t s 、) l r i t l lf l v i r i ，w h i l et 1 1 e ) ，e n g a g e di ns i m p l ei n d u c t i v e r e a s o n i n gt a s k sa n dc o m p l e xi n d u c t i v er e a s o n i n gt a s k w eo b s e r v e sa c t i v i t yo ff r o n t a l l o b e ，t e m p o r a ll o b ea n dp a r i e t a ll o b ei nb o t ht a s ka n dal e f tl a t e r a l i z a t i o n w e h y p o t h e s i z et h a tt h el e f th e m i s p h e r ep l a y sac r i t i c a lr o l ei ni n d u c t i v er e a s o n i n ga n di s n e c e s s a r ya n de v e ns u f f i c i e n tf o rr e a s o n i n g ，w h i l et h er i 班h e m i s p h e r ei ss o m e t i m e s n e c e s s a r y , b u tn o ts u f f i c i e n t o u rr e s u l ta l s os h o w st h a td o r s o l a t e r a lp r e f r o n t a lc o r t e x p l a y sak e yr o l ei nm a t h e m a t i c si n d u c t i v er e a s o n i n g ，a n db r a i nf u n c t i o n a ln e t w o r ki s m o r ea c t i v a t e di nc o m p l e xi n d u c t i v er e a s o n i n gt a s kt h a ns i m p l ei n d u c t i v er e a s o n i n g t a s k o v e r a l l ，o u rf i n d i n gh i g h l i g h t as t r o n ge v i d e n c eo ft h ei n v o l v e m e n to f f r o n t a l - t e m p o r a ls y s t e mi nd i f f e r e n tl e v e l so fi n d u c t i v er e a s o n i n g k e y w o r d s ：m a t h e m a t i c a l , i n d u c t i v er e a s o n i n g ，f m r i 9l a t e r a l i z a t i o n , a s y m m e t r y n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特另w j ：d l ：i 以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：垃延羔 日期：纱衫年月p 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定)， 签名：囱：亚芝 导师签名娅盈经 日期：钐卯7 年莎月p 日 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 人类的大脑是迄今为止最复杂的系统，具有最复杂的框架体系。脑功能成像 技术在临床诊断上的应用已经取得了巨大的成功，但在医学和心理认知科学研究 中的作用和巨大的应用潜力也逐渐引起了研究者的注意，成为当前神经科学研究 的前沿和热点，越来越受人们关注和重视。近二十年来，随着以功能磁共振成像 ( m 4 r d 为代表的神经影像技术的快速发展，已使脑神经机制研究从单一的功能学或 者形态学研究向功能与形态相结合的系统研究方向发展。认知科学、神经科学和 脑成像技术与处理专家都关心着这一领域的发展。脑功能成像技术是以神经活动 引起的血流或代谢方面的变化为信号，运用成像技术并经过图像处理之后，将人 脑的活动以直观的图像形式表达出来，它的一个显著特点是可以同时观察多个脑 功能区的神经活动，探讨各个功能区的相互关系。近年来，应用脑神经影像技术 来探索脑的功能己引起学术界的广泛注意，各种脑功能成像技术得到了不断地完 善和发展，并取得了较大的进展。 功能磁共振成像( f u n c t i o n a lm p - d 是在磁共振成像( m a g n e t i cr e s o n a n c e i m a g i n g ，m r ) 技术的基础上发展起来的一种非常有效的研究脑功能的非介入技 术，已经成为了最广泛使用的脑功能研究手段。它通过对神经活动引起的脑血流 或葡萄糖代谢等变化的观察，生成反映脑血流变化的图像，能无创伤地、精确可 靠的定位各脑功能区以及其内部构造，提供层次清晰的解剖图像，并具有比较高 的空间分辨率( 2 r a m ) 和时间分辨率( 1 s ) 及较好的可重复性等特点。利用良好的f m g i 图像处理和分析技术，还可以更进一步地研究人脑的高级认知活动情况。据文献 报道，国内外利用功能磁共振成像技术对脑神经机制进行了大量的研究，主要包 括对大脑运动，视觉，听觉，情感等功能区的定位研究，对大脑认知( 如学习， 记忆) 等复杂功能的研究也已经起步，越来越多的心理活动的脑机制被揭示出来， 人们逐渐把研究的兴趣关注到思维的脑机制上来，研究推理过程中的脑活动，也 成为当前认知神经心理学的热点之一。 在日常生活、学习和工作中，人们经常要对各种各样的事物进行判断，判断 事物的对与错、是与非、可能与不可能等，这种从感知、思维或判断中获得结论 电子科技大学硕士学位论文 的思维过程叫做推理。它在人们认识和改造客观世界的活动中具有重要意义，它 能触类旁通，启发思考，不仅是解决日常生活中大量问题的基础，而且是进行科 学研究和发明创造的有力工具。推理能力是人的智力的核心成分，它的强弱往往 反映一个人对事物本质及事物间联系的认知能力的高低。推理能力涉及对图形、 词语概念、事件关系和文字材料的认知理解、比较、组合、演绎、综合判断等能 力。对推理的神经机制已经逐渐成为了认知领域的一个热点。 1 2 国内外研究现状 对推理心理机制的研究很早便开始了，而近年来，随着正电子发射断层扫描 ( p e t ) 、功能磁共振成像( 9 4 p d 9 等功能神经影像技术的出现和发展，研究者开始探 讨推理时的脑活动机制问题。推理分为演绎推理、归纳推理、类比推理等，这三 大类推理的神经机制，国内外都有一些研究。 从逻辑的角度来说，演绎推理主要有三种类型：第一，范畴三段论推理：关心 的是对象间的一般和特殊的特性，g o e l 8 】【9 】【1 1 】【1 2 1 ，o s h e r s o n 1 0 1 等先后用p e t 和 f m r i 对这种推理的神经机制进行了研究，发现这种推理激活了左侧额一颞系统。 第二，条件推理，关心的是命题间的蕴涵关系或条件关系，研究【1 3 , 1 4 , 2 1 2 2 搿1 发现左 侧顶叶一额叶网络，双侧顶叶有激活。第三，传递推理：关心的是对象间关系的 逻辑特性，如对象之间的大小关系、空间位置和时间先后等，研究【2 6 2 9 , 1 1 , 3 2 】发现传递 推理阶段背外侧前额叶皮层扣顶叶皮层有激活。相对于其他类型，演绎推理是被 研究得最多的一种，但是尚未形成一致、系统的结论。研究结果存在着差异，但 是仍有很大的类同之处，这些差异可由任务成分、实验设计和测量技术的不同来 解释。 归纳推理是从特定的事件、事实向一般的事件或事实推论的过程，是将知识 或经验概括简约化的过程，是个体进行学习，获得适应的重要方式，也是科学发 现的重要途径。尽管对归纳推理的哲学思考历史悠久，但对这一基本能力的心理 学研究却仅有三十多年，主要围绕归纳论断力度的判断研究及个体归纳推理能力 的发展研究。归纳推理的认知神经科学研究起步更晚，主要从两方面来进行，一 是研究有特定脑区损伤的病人，观察他们在解决某种类型的推理任务时是否存在 困难，如果存在，则可以将这一特定脑区与这种推理联系起来。另一种方法是用 脑功能成像技术如p e t 、f m r i 来研究正常人的哪一些脑区因为特定的推理过程或 推理任务而被选择性地激活。目前对归纳推理的脑机制研究还处于尝试阶段，很 2 第一章绪论 不成熟并且存在很多问题，随着认知神经科学的发展，归纳推理的脑机制研究有着 十分广阔的前景。 类比推理在人们认识和改造客观世界的活动中具有重要意义。它能触类旁通， 启发思考，不仅是解决日常生活中大量问题的基础，而且是进行科学研究和发明 创造的有力工具。目前关于类比推理的脑机制研究仍处于起步阶段，初步研究发 现类比推理主要受大脑左半球前部和后部区域的调节，g u t 等人n 即提出左脑角回可 能是进行类比推理的主要部位。 还有研究者对工作记忆与推理的关系问题进行了研究，认为工作记忆与推理 关系密切，工作记忆是推理的核心。工作记忆在推理中的作用主要表现在两个方 面：是保持信息，二是在工作记忆中形成初步的心理表征。工作记忆在推理过程 中不仅为推理提供所必需的信息，而且还提供一定的能量资源。工作记忆在推理 中的重要作用得到许多理论和研究的证明【4 , 5 , 6 , 1 6 , 1 t j 。 1 3 本课题研究内容 本课题研究数字归纳推理的神经机制，数字归纳推理是归纳推理的_ 种，数 字推理能力主要是反映一个人对数量关系的理解能力与反应速度，体现了一个人 抽象思维的发展水平。数字推理题由于排除了语言文化因素的影响，减少了其它 能力的干扰主要优点是背景知识的影响微小到可以忽略。它含有速度与难度的双 重性质。在速度方面，要求反应灵活，思维敏捷；在难度方面，其所涉及的数学 知识或原理都不超过小学与初中水平，如果时间充足，获得正确答案是不成问题 的。但在一定的时间限制下，要求答题既快又准，这样，个人之间的能力差异就 显现出来了。但目前有关数字归纳推理的心理和神经机制的研究甚少，c h r i s t o u 1 9 】 等对数字归纳推理的构架进行了研究，根据推理加工过程中包含的对相似性、差 异性、综合、特性和关系的分析，把数字归纳推理分成了六种类型。王亚南n 羽等， 研究了加工速度和工作记忆与数字推理能力的关系，得出在数字推理能力的发展 过程中加工速度和工作记忆发挥着重要的作用，其中工作记忆对数字推理能力的 发展的作用大于加工速度。加工速度可能是年龄与工作记忆的中介，加工速度可能 仅对工作记忆的发展起一种直接调节作用，工作记忆对数字推理能力的发展可能 起直接调节作用，在数字推理能力的发展过程中工作记忆比加工速度可能发挥着 更直接、更般的作用。 p e i p c n gl i a n g l 2 0 等作了关于数字归纳推理的e r p 研究，探讨了数字推理过程在 3 电子科技大学硕士学位论文 时间上的特征。目前数字归纳推理的具体制及参与的神经网络尚不完全清楚，鲜 有这方面的研究，因此数字归纳推理的脑机制研究有着十分广阔的前景。本课题 将从信息科学的角度，结合神经心理学、认知心理学、神经生理和解剖学等相关 学科，设计出合理的实验方案，并准确可靠的处理数据和分析实验结果，对数字 归纳推理的进行脑功能成像研究，以进一步了解人脑推理加工的原理，对人脑认 知功能的研究作出一定的贡献。 1 4 论文结构安排 本文的结构安排如下： 第一章是绪论部分，介绍了课题的研究背景与意义，并引出了本文所要研究 的问题：数字归纳推理的脑活动机制。 第二章介绍了相关的理论知识，包括功能磁共振的发展与成像原理，磁共振成 像的特点和信号特征，以及磁共振的应用等等； 第三章介绍了归纳推理的研究现状，功能磁共振成像实验的设计方法等背景 知识，最后详细介绍了本论文实验模式及数据处理方法。 第四章对实验结果进行讨论，确定了和数字归纳推理相关的脑功能区，并且 分析了脑激活区存在的偏侧化现象，以及激活范围和强度和问题难度之间的关系。 第五章本文工作的总结和展望。 最后为致谢、参考文献和论文成果。 4 第二章脑功能磁共振成像技术 第二章脑功能磁共振成像技术 近二十年来，以功能磁共振成像( f l v m i ) 为代表的神经影像技术得到了飞速的发 展，大批的研究人员已经开始从事磁共振功能神经成像的研究，并将它应用到了 认知神经科学的各个领域。功能磁共振成像技术结合了传统磁共振成像技术的高 分辨率解剖成像能力与血流动力学反应，将人脑的功能像精确地投影到基本的解 剖像上，从而成为了研究人脑认知思维活动的强有力的工具。功能磁共振成像技 术在脑认知研究和神经活动定位等方面显示出了巨大的应用潜力，已经有国内外 学者应用f m r l 来研究学习、语言、记忆、思维、感知觉、等认知活动的神经生理 机制，取得了大量研究成果。 2 1 磁共振成像技术的发展过程 早在1 9 4 6 年美国科学家f e l i xb l o t c h 等发现了物质的磁共振现象。5 0 年代中期 瑞典科学家则在动物组织活细胞中进行了磁共振技术研究。6 0 - - - 7 0 年代美国科学 家已开始用磁共振射频激发技术研究水在各种细胞和组织中弛豫、扩散与化学交 换现象等，同时也测量出活组织中t l 和t 2 弛豫时间。1 9 7 2 年美国科学家d a m a d i a n 已开始以申请专利的方式申请了核磁共振扫描用于人体的思路。1 9 7 4 年英国科学 家首先发现了组织内磁共振光谱。1 9 7 3 年美国科学家p a u l l c ll a u t e b u r 在美国著名 科学学术杂志n a t u r e 发表了试管水的磁共振成像所得的第一张影像，同年英国科学 家曼斯菲尔p e t e r lm a n s f i e l d 也进行大量的磁共振成像研究工作。1 9 7 5 年提出了解决 磁共振相位编码、频率编码、傅立叶变换等从而确立了磁共振技术基础。1 9 8 6 年 第一台磁共振扫描仪研制成功。1 9 8 7 年实现磁共振成像显示单一心脏循环的实时 成像。1 9 9 3 年用于研究与测量人类大脑功能的磁共振扫描仪即功能m r i ( f m r i ) 问 世。1 9 9 9 年第一个真正意义上可移动式m r i 扫描仪出现。 2 2 磁共振成像原理 f m r i 是检测脑血流的变化以间接获取脑活动信息的功能成像方法，它的原理 主要是依据血氧水平依赖b o l d 效应。生理学知识告诉我们，红细胞中的血红蛋白 5 电子科技大学硕士学位论文 是氧的载体，携氧的血红蛋白叫做氧合血红蛋白，失去氧的血红蛋白称为脱氧血 红蛋白。毛细血管内的血红蛋白会引起微观磁场的变化，即造成磁场的不均匀性。 这两种血红蛋白对磁场有着完全不同的影响，脱氧血红蛋具有顺磁性，而氧合血红 蛋白具有抗磁特性，氧合血红蛋白的磁特性与组织接近，所以不会影响它的弛豫 过程。脱氧血红蛋白是顺磁性物质，其铁离子有4 个不成对电子，可产生横向磁化 磁豫缩短效应。当神经元活动增强时，脑功能区皮质的血流、血流容积及血氧消 耗都会增加，但是它们增加的比例有着明显的差异，这就使局部组织中氧的供应 量超过了消耗量，也就是说氧合血红蛋白的增加量大于脱氧血红蛋白的增加量， 顺磁性的脱氧血红蛋白的相对减少削弱了横向磁化磁豫缩短效应，t 2 加权像信号 强度就会有所增加。因此磁共振图像信号强度增加。当周期性地重复地加上某种 刺激，大脑中对应脑功能区的磁共振图像信号就会相应地周期性地增强和减弱。 2 3 功能磁共振成像信号特征 2 3 1 功能磁共振信号特征 1 信号强度 血流变化在脑活动期间一般是很小的。灰质中的变化近似为6 ，白质中的毛 细血管密度小于灰质，因此白质中血流变化更小。尽管n m r 信号的能量是非常微 弱的，只要信噪比( s n r ) 足够高，还是可以很清楚地观测到m r 图像中的这些变化。 2 信号的时程 f m r i 信号变化可以分为静息期、上升期、反应期和下降期。 由于大脑皮层对刺激的反应存在着延迟，因此信号存在上升时间和下降时间， 这种延迟随刺激情况不同及脑区不同而有差别。上升期是指从刺激开始，伽u 信 号需要经过几秒后才达到其最大值的9 0 ，而下降期是指从刺激停止到信号下降 到最大值的1 0 这段时间。 3 时间和空间分辨率 由于存在着上升时间和下降时间，f l v l r i 的响应总是要落后与神经响应，这会 限制f m r i 的时间分辨率。f l v l r i 的分辨率也会受到神经活动所产生的生理变化的 限制。光学成像技术表明在脑活动期间，在神经活动部位周围半径为几毫米的区 域内血管氧合程度加深。这可能给f m r i 造成一个固有的空间分辨率的极限。 4 噪声 6 第二章脑功能磁共振成像技术 f m r i 信号的噪声主要来自人体和电路元件两个方面。各种形式的运动都是引 起信号波动的噪声源，例如受试者头部在实验过程中未完全固定而发生的的刚体 运动、心跳和呼吸周期引起头部的节律性运动等。这是对f m r i 信号影响最大的噪 声源，以随机噪声的形式出现，并且是不容易避免的。除了与呼吸和心跳有关的 噪声以外，对准和调整后残存的噪声的移动和仪器的不稳定性还会产生低频噪声 分量以及被试和扫描仪都由于热运动产生的白噪声。这些干扰一般是可以排除的。 这些噪声可能使本来就能量微弱的n m r 信号被淹没，是f m r i 数据分析变得困难。 因此发展高速稳健的定位方法以及数据处理方法来消除f m r i 数据中的噪声是非常 必要的。 2 3 2 功能磁共振成像质量 磁共振成像质量的影响因素很多，包括图像的空间分辨率、图像的信噪比、 影像对比度及检查条件等等。 图像空间分辨率指的是图像中每一个像素所代表的体素的大小。影响空间分 辨率的主要因素是图像矩阵的大小。随着矩阵的增加，图像的空间分辨率增大， 但同时扫描时间也将延长，可能造成信噪比较低。除此之外，空间分辨率还会受 到层厚影响。一般来说层厚越小，空间分辨率越高，但是层厚过小信号也会变弱， 从而影响图像的质量。 图像对比度：采用不同的扫描方式，影响图像对比度的因素也不同。例如， 在反转回波序列中主要影响因素是t 1 ，而在自旋回波序列中，参数t r 和t e 是影 响对比对的主要因素。并且在自旋回波序列中，调节t r ，t e 等脉冲序列参数可 以使图像中某种对比度得到突出，同时降低其它对比度的影响，这样的图像称为 加权像。常见的加权像有3 种，t l 加权像；t 2 加权像以及质子密度加权像。在序 列中采用短t r ( 对照任 务) 差异直接相关的激活区。统计阂值概率设定为p 0 0 0 1 ，激活范围阈值设定 为2 0 个象素，即连续激活象素数达n 2 0 以上的区域考虑为有意义激活区。 在组分析中，我们采用了s p m 中的o n e - s a m p l ett e s t 模型( 自由度为1 1 ) 。并进 行了f w e ( f a m i l y - w i s ee r r o r ) 校正。统计阈值概率设定为p 0 0 1 ，激活范围阈值 设定为2 0 个象素。 2 l 电子科技大学硕士学位论文 4 1 行为数据结果 第四章数据处理结果与分析 论文使用健康受试者1 2 名( 7 名女性，5 名男性) ，平均年龄2 4 4 岁，平均受教 育年限1 7 年，均为右利手。实验由e p r i m e 软件设计，并所记录了实验过程相关信 息。反应时间是记录的从显示数字推理题目到被试按键的一段时间，记作：r t ( r e a c t i o nt i m e ) 。如果被试未能在限制的时间( 简单数字推理任务为1 2 秒，复杂任 务为1 8 秒) 内选择按键，i 汀则记为该限制的时间长度。表4 - 1 显示了两种推理任务 的平均正确率和平均反应时间。简单推理任务和复杂推理任务的平均正确率分别 为8 8 3 和7 2 5 ，平均反应时间分别为5 0 3 ( s e0 2 3 ) s 和9 5 4 ( s e0 3 9 ) s 。可见 推理题目难度的增加导致了正确率的下降和反应时间的增长，这符合我们的猜想。 并利用软件s p s s 做了p a i r e ds a m p l e st e s t 分析，两组间存在着显著性差异，反应时 间复杂任务明显长于简单任务( t ( 1 1 ) = 1 0 1 6 1 ，p 0 0 1 ) ，正确率简单任务明显高 于复杂任务( t ( 1 1 ) = 2 8 4 4 ，p 27 2 ：p 2 7 2 p 0 0 电子科技大学硕士学位论文 表4 2 简单归纳推理和复杂归纳推理激活区域 b a ：b r o d m a na r e a , l = l e f th e m i s p h e r e ，r = r i g h th e m i s p h e r e ，h 朗1 - h e m i s p h e r e 第四章数据处理结果与分析 4 3 讨论 本实验结果发现，数字归纳推理激活了包含额叶背外侧，项叶，颞叶及枕叶 在内的神经网络，主要包括额上回( b a 8 9 ) ，额中回( b a 6 8 ) ，额内侧回( b a l 0 ) ， 颞上回( b a 3 9 ) ，颞中回( b a 3 9 ) ，角回( b a 3 9 ) ，中央前回( b a l 9 3 9 ) ，和项下小叶 ( b a 7 3 9 4 0 ) 。 许多研究指出前额皮层在高级认知过程中发挥着重要的作用，比如，计划， 执行功能，监控等等。另外，对病人的研究也发现前额皮层的参与在一些复杂的 认知加工中是必不可少的，如推理和解决问题。许多神经影像学的研究都发现完 成推理任务时前额皮层出现激活，证实了上述结论唧1 0 】【1 2 】【1 5 1 。例如，g e a k e 在0 5 年的一篇文章中提出左腹外侧( 1 e f tv c n t r o l a t c r a lg y r u $ ) ( b a 4 5 ，4 6 ) 可能参与了关系 整合( r e l a t i o ni n t e g r a t i o n ) 这种认知加工。而且，前额皮层外侧的活动被认为是和假 设生成( h y p o t h e s i sf o r m a t i o n ) 的认知加工有判2 】【卿。本研究也发现了前额皮层背外 侧的激活( 额上回( b a 8 9 ) ，额中回( b a 6 8 ) 和额内侧回( b a l 0 ) ) ，结合前人的研 究，我们认为，前额皮层背外侧在归纳推理加工中发挥了重要的作用。在s t r a n g e 等人的研究中，前额皮层背外侧被认为和规则应用( r u l ea p p l i c a t i o n ) 有关，而 g e a k e 等提出左额上回和类比推理中的规则回想( r e c 0 1 1 e c t i o no fr u l e ) 有关( 归 纳推理同样也包括这个认知成分) 。g o e l 等认为前额皮层背外侧负责了假设形成和 验证过程中的背景知识的提取【3 2 】【8 0 1 。s h a l l i c c 及s t u s s 等人的研究显示前额皮层背 外侧损伤的病人出现了推理困难。 4 3 1 激活强度与问题难度相关性 将简单推理任务和复杂推理任务的结果进行比较，发现在复杂任务中，激活 区的范围和强度均强于简单任务。图4 - 3 给出了复杂推理和简单推理任务中，前 额皮层背外侧的激活程度的比较。 电子科技大学硕士学位论文 图4 - 3 额上回在简单推理任务和复杂推理任务中激活程度对比( 1 2 个被试的平 均激活程度及标准差) 我们认为反应时间可以体现出题目的难度，题目越难，被试的反应时间应该 更长，于是将每道题目的平均反应时间归一化之后作为它的难度系数，图4 - 4 ，4 5 描述了在两组不同的任务中，每道题目的难度系数与脑激活强度( 额上回) 的散点 图。从图中我们可以看出随着题目难度系数的增大，脑激活强度也增强，说明激 活强度和题目难度存在着相关性( 简单任务组：r = o 6 3 9 ，p o 0 5 ；复杂任务组： r = o 7 0 3 ，p o 0 5 ) 。综上，激活强度都和问题难度成正相关。 图4 - 4 额上回在简单推理任务中难度系数和活动强度散点图 第四章数据处理结果与分析 盆 。 簧 囊 难度系披与活动强度彀点豳 难厦系数 图4 - 5 额上回在复杂推理任务中难度系数和活动强度散点图 目前普遍认为前额叶具有执行加工功能，即对工作记忆信息加工过程本身进 行控制与协调，包括注意力控制、任务管理、控制协调信息加工过程和监控等功 能c 4 2 犏4 9 ，矧。前额叶执行加工的工作基础为前额叶背外侧皮层( b a 8 4 6 ) 和扣带回 前部( b a 2 4 3 2 ) 4 3 j ，并且前额皮层、额内回及扣带回等脑功能区是工作记忆 ( w o r k i n gm e m o r y ) 的重要解剖基础【3 9 a 0 ，工作记忆是一种与经典短时记忆相区别的 概念，短时记忆是一种短时储存信息的能力、而工作记忆是一种对信息进行暂时 性加工和储存的综合能力。进行复杂认知任务，如语言理解、学习、推理和心算 时都需要在工作记忆系统中作临时的信息储存和加工【4 。 有研究发现当记忆负荷增加时，更多脑区激活，其中前额皮层背外侧最明显， 对信息加以控制协调【删。c h r i s t o f f 等人【7 7 】提出前额皮层背外侧负责了关系整合 的加工，关系整合是推理加工的认知成分之一，它和问题的难度有关。和我们的 结果很类似，随着题目难度的增加，关系整合以及协调信息加工过程的过程将更 为困难，同时也需要更多工作记忆的参与，需要更多神经元参与完成任务【5 1 ，5 2 1 。 在简单任务中，主要激活了左侧前额皮层和和左脑角回，右半脑基本未找到激活 区，执行复杂推理任务时，激活区域增大，强度增强，并且右侧对称区域也发现 激活，前额皮层激活偏侧化现象均明显下降，即两侧大脑半球激活程度差异减小。 说明当处理简单归纳推理问题时，主要依靠左侧前额皮层执行控制，当任务难度 增加时，需要更多神经元参与完成任务，激发了右侧前额皮层潜在的高级管理及 控制注意力功能，双侧功能区共同应对复杂任务。r y p m a 等【4 5 】在右利手f m r i 研究 中发现右前额叶仅在高记忆负荷时才激活，也说明了右侧前额皮层具有潜在的高 电子科技大学硕士学位论文 级功能。 4 3 2 不对称性 人的左右脑的内部结构不同，导致机能存在差异，据认为左脑控制“语言、 逻辑 ，右脑控制“感情、空间认识 ，这就是著名的大脑两半球机能一侧化 ( 1 a t e r a l i z a t j o n ) 或称为不对称( a s y m m e t r y ) 现象，源于上个世纪中叶的临床发 现。但对这一问题的系统研究是从本世纪五六十年代才开始的。在七八十年代这 一研究进入高潮，人们似乎对大脑两半球机能一侧化现象的认识也有了相对一致 的看法，认为人脑在进行言语及相关高级心理活动时存在机能明显偏于一侧的现 象，即左脑半球是言语活动的优势半球，而右脑半球则是各种非言语机能活动( 图 像的感知和记忆、空间知觉和操作、音乐的感知和记忆及情绪活动等) 的优势半 球。r y p m a 等在f m r i 研究中发现右前额叶仅在高记忆负荷时才出现激活【4 习本研究 中简单推理实验右前额皮层无激活，而复杂推理时出现激活，说明右侧前额皮层 是潜在的高级脑功能区，当任务难度增加时，与左侧前额皮层共同参与完成任务。 在本实验中，我们也发现了明显的偏侧化现象，即在数字推理加工过程中， 脑激活区域表现出左偏侧化现象，在简单数字推理任务中，仅仅只有左半脑的上 述区域有激活，而复杂数字推理任务虽然双侧都有激活，但是仍然存在着左侧优 势，从表4 - 3 可以看出，左侧半脑激活的范围明显大于右侧，并且，左侧激活强 度也明显强于右侧。例如，左侧额上回激活3 3 1 体素，最大t 值为5 2 7 ，而右侧 额上回仅仅激活了1 5 个体素，最大t 值为3 1 8 。因此，我们认为，在归纳推理加 工过程中，脑神经活动存在左侧化的趋势，左半脑为推理活动的优势半球，并且 也是必不可少的，甚至某些情况下，仅仅需要左脑的参与就足够了。这个结论和 之前一些脑神经成像研究的结论是一致的。例如，g o e l 的一项p e t 研究发现了左 额一颞系统的激活【8 】。g a z z a n i g a 和同事对病人的一项研究也表明，推理加工表现 出左侧化现象【7 9 】f 2 】【l2 】【8 0 1 。除此之外，还有研究对归纳推理和演绎推理进行了比较， 发现在归纳推理中，左前额皮层的背侧活动较演绎推理中更耐z j 嶂u 】。g o e l 等人对 额叶损伤病人进行的一项研究提出，额叶是参与推理过程的必不可少的脑区，并 且它存在着左偏侧化现象【1 2 】。还有一项较早的研究让切除颞叶的病人进行三段论 推理，发现左侧颞叶切除病人的推理能力比右侧颞叶切除的病人受到的损害更大。 这些研究证实了我们的假设：人脑在进行归纳推理的加工过程中存在着偏侧化现 象，左半脑为推理活动的优势半球，并且也是必不可少的，甚至某些情况下，仅 第四章数据处理结果与分析 仅需要左脑的参与就足够了。 表4 3 复杂推理任务双侧脑区激活范围和强度 左半脑右半脑 区域 b av o x e ltb av o x e it 额上回8 9 1 03 3 1 5 2 78 9 1 01 53 1 8 额内侧回 1 05 14 5 91 043 0 9 颞上回 3 93 15 1 43 93 03 2 2 颞中回 3 97 46 4 33 92 03 0 3 角回 3 9 1 7 1 6 7 43 9 6 2 4 2 5 4 4 结论 本研究在以前的研究工作上，改进了前人研究的实验任务，采用一种典型的 数字归纳推理任务作为刺激组，以消除被试间背景知识差异带来的影响，另外采 用计算任务作为对照组，来排除数字识别和心算加工等不需要的认知过程的干扰， 使得能够更准确地探测出与归纳推理相关的脑区活动特征。采用磁共振数据经典 分析方法定位出数字归纳推理过程在具体脑区的神经表达。与数字归纳推理相关 的脑区主要在额上回( b a 8 9 ) ，额中回( b a 6 8 ) ，额内侧回( b a i o ) ，颞上回( b a 3 9 ) ， 颞中回( b a 3 9 ) ，角回( b a 3 9 ) ，中央前回( b a l 9 3 9 ) ，和项下小叶( b a 7 3 9 4 0 ) 并且 存在左偏侧化现象，这与既往的研究结果较为一致，除此之外，我们发现随着问 题难度的增加，激活的范围增大，强度增加。论文的研究结果揭示了在归纳推理 加工过程中，人脑激活区域存在着偏侧化现象，左半脑为推理活动的优势半球， 并且也是必不可少的，甚至某些情况下，仅仅需要左脑的参与就足够了。 电子科技大学硕士学位论文 第五章结论和展望 脑功能研究是目前国际上研究的热点之一。随着近年磁共振成像技术的不断 发展，其在人脑的功能研究领域的应用越来越重要。目前对于人脑功能的研究主 要集中于对人脑的高级认知功能。在人脑的认知功能研究中，合理的实验设计、 对数据进行科学性分析是取得可靠实验结果的保证。 5 1 论文结论 本研究利用磁共振技术对数字归纳推理的神经机制进行了初步的影像学研 究。主要成果和结论如下： 1 论文利用功能磁共振成像技术，并改进前人的实验模式，设计了有关归纳 推理研究的实验设计方案：采用数字归纳推理题目作为实验材料，以排除语言， 背景知识等无关因素，使得更加准确地定位出与归纳推理相关的脑区。 2 实验结果表明有关数字归纳推理的神经系统区域主要在前额皮层背外侧 ( 额上回( b a 8 9 ) ，额中回( b a 6 8 ) ，额内侧回( b a i o ) ) ，颞上回( b a 3 9 ) ，颞中回 ( b a 3 9 ) ) ，角回( b a 3 9 ) ，中央前回( b a l 9 3 9 ) ，和项下小叶( b a 7 3 9 4 0 ) ，验证了前 人的结论。其中前额皮层背外侧可能具有重要作用，各功能区可能在相互联系的 整体配合中完成数字归纳推理任务。 3 脑激活区的范围和强度与任务难度相关，难度增加时，各脑区活动加强， 化具有显著的相关性。我们认为其原因可能是随着题目难度的增加，推理加工过 程中的关系整合以及协调信息加工的认知过程将更为困难，同时也需要更多工作 记忆的参与，需要更多神经元参与完成任务。 4 在归纳推理加工过程中，人脑激区域存在着偏侧化现象，左半脑为推理活 动的优势半球，并且也是必不可少的，甚至某些情况下，仅仅需要左脑的参与就 足够了。右侧前额皮层是潜在的高级脑功能区，当任务难度增加时，与左侧前额 皮层共同参与完成任务。 第五章结论和展望 5 2 工作展望 归纳推理的脑神经机制是目前国际上研究的热点之一。论文的结果与既往的 文献资料结果一致，但如何解释这一现象，需要做进一步的研究。在人脑的认知 功能研究中，合理的实验设计、对数据进行科学性分析是取得可靠实验结果的保 证。由于时间与工作量等因素影响，论文的实验中只完成归纳推理相关脑功能区 的分析，以及完成不同难度任务的大脑活动差异的的分析，其相应的神经系网络 的工作模式还不是很清楚，有许多方面需要深入的研究。这在后续工作中需要进 一步探讨完善研究。与推理相关的心理过程和认知子成分是非常复杂的，例如： 精确定位出各脑功能区与各认知子成分的对应关系以及具体功能，将是一个很大 的挑战，需要与心理学以及行为学等学科的进一步合作。此外，论文主要是针对 归纳推理的脑功能研究，而归纳推理渗透于人类生活的各个层面，进一步的研究 分析当结合其它的相关因素，情绪、性格、环境等因素才能揭示出其中的奥秘。 希望在以后的工作中能够将f l v i r i 技术同神经心理学、脑e r p 及神经解剖、神经 生理及生化研究相结合，设计更能反映脑功能活动的精细f l v i r i 实验，并将语言、 注意力、记忆及计算等多种高级认知活动进行对比研究，有助于理解脑功能区的 工作机理，或有可能分离出归纳推理功能的特异性脑区以及脑功能区之间的内在 功能联系方式及相互关系。 电子科技大学硕士学位论文 致谢 首先，由衷地感谢我的导师陈华富教授，感谢他在课题的选择和研究过程中 给我提出了很多指导性的建议! 在此也感谢他为我的课题研究创造了良好的软、 硬件环境。他丰富的实践经验和对课题进度得当的把握，以及在论文写作过程中 给予我的悉心指导都让我获益匪浅；他严谨的治学态度给我留下了深刻的印象； 他渊博的学识，宽厚待人的风范和所倡导的自由开放的学术氛围使我受益颇多； 他对学术的热情和锲而不舍的研究精神以及忘我的工作态度使我终生难忘，并将 继续影响我今后的学习和工作。 其次，我要感谢教研室的各位师兄师姐在我课题研究期间给予的帮助和有益 探讨，感谢所有关心和支持我研究工作的各位同学，感谢家人多年来对我学业一 如既往的支持和鞭策，在他们的鼎力支持下，我才得以顺利地完成学业。 我会珍惜三年来的点点滴滴，记住与大家共渡的日子，愿与大家共勉，共赴 美好前程。 3 2 参考文献 参考文献 1 】休谟人类理智研究 m 】吕大吉，译北京：商务印书馆，1 9 9 9 【2 】v i n o dg o e l , r a y m o n dj d o l a n d i f f e r e n t i a li n v o l v e m e n to fl e f tp r e f r o n t a lc o r t e xi ni n d u c t i v e a n dd e d u c t i v er e a s o n i n g 【j 】c o g n i t i o n ，2 0 0 4 ( 3 ) ：1 2 1 3 f 3 】v g o d , b g o l d , s k a p u ta n ds h o u l e ，t h es e a t so fm a s o n ? a ni m a g i n gs t u d yo fd e d u c t i v e a n di n d u c t i v er e a s o n i n g n e u r o r e p o r t ( 1 9 9 7 ) ，p p 1 3 0 5 - 1 31 0 【4 】4m a r k o v i t sh ，d o y o nc ，s i m o n e a um i n d i v i d u a ld i f f e r e n c e si nw o r k i n gm e m o r ya n dc o n d i t i o n a l r e a c h i n gw i t hc o n c r e t ea n da b s t r a c tc o n t e n t t h i n k i n ga n dr e a s o n i n g ，2 0 0 2 ，8 ( 1 ) ：9 7 1 0 7 5 】s u e s shm ，o b e r 龃e rkw i t t m a nww ，e ta 1 w o r k i n gm e m o r yc a p a c i v e x p l a i n sr e a s o n i n g a b i l i t y - a n dal i t t l eb i tm o r e ，i n t e l l i g e n c e ，2 0 0 2 ，3 0 ：2 6 1 - 2 8 8 【6 】c o l 弛l a n dd ，r a d v a n s k yg w o r k i n gm e m o r ya n ds y l l o g i s t i cr e a s o n i n g t h eq u a r t e r l yj o u r n a lo f e x p e r i m e n t a lp s y c h o l o g y ：s e c t i o n 2 0 0 4 ，5 7 ( 8 ) ：1 4 3 7 1 4 5 7 7 】p r a b h a k a m nv s m i t hjal ，d e s m o n dje n e u r a ls u b s w a t e so ff l u i dr e a s o n i n g ：a nf l v i r is t u d y o fn e o c o r t i c a la c t i v a t i o nd u r i n gp e r f o r m a n c eo ft h er a v e n sp r o g r e s s i v em a t r i c e st e s t c o g n i w e p s y c h o l o g y ，1 9 9 7 ，3 3 ：4 3 6 3 【8 】g o e l ，v e ta 1 ( 1 9 9 7 ) t h es e a t so fr e a s o n ：al o c a l i z a t i o ns t u d yo fd e d u c t i v e & i n d u c t i v e r e a s o n i n gu s i n gp e t ( 0 1 5 ) b l o o df l o wt e c h n i q u e n e u r o r e p o r t8 ，1 3 0 5 - 1 3 1 0 【9 】9 g o e l ，v e ta 1 ( 1 9 9 8 ) n c u r o a n a t o m i c a lc o r r e l a t e so fh u m a nr e a s o n i n g j c o g n n e n r o s c i 1 0 ， 2 9 3 - 3 0 2 【1 0 】o s h e r s o n ，d e ta 1 ( 1 9 9 8 ) d i s t i n c tb r a i nl o