发展性阅读障碍的脑机制研究及其进展

1、发展性阅读障碍的脑机制研究进展本研究得到国家自然科学基金（项目号：30870757，30400133）的资助。 *通讯作者：丁国盛，男，副教授，博士学位，E-mail: dinggsh魏娜 丁国盛*(北京师范大学 认知神经科学与学习国家重点实验室，北京 100875)摘 要 文章从脑功能与脑结构两方面介绍了发展性阅读障碍的脑机制研究。研究发现阅读障碍者左半球背侧通路与腹侧通路激活不足，右侧相应脑区出现代偿性激活；在脑结构方面，阅读障碍者左侧语言区白质和灰质的微结构异常。此外，简要介绍了汉语阅读障碍的脑机制研究。在此基础上，分两个方面分析了该领域的最新进展：功能整合研究和训练干预研究。最后提出了

2、当前研究的局限及有待进一步解决的问题。关键词 发展性阅读障碍，脑机制，脑成像技术1 引言发展性阅读障碍是指个体具有正常的智力、动机水平和受教育机会，没有明显的神经或器质上的缺陷，但是阅读成绩显著落后于相应智力或年龄的应有水平。发展性阅读障碍的发生率大约为5%17.5%1，而在学习障碍群体中，发展性阅读障碍者的比率高达80%2。由于发展性阅读障碍会对儿童的认知、个性以及社会性发展产生重大影响，因此得到了众多领域的研究者以及社会和各国政府的共同关注。目前对发展性阅读障碍（下文简称阅读障碍）的理论解释主要有两种观点。一种观点认为阅读障碍具有语言学特异性，其核心缺陷存在于语音表征和加工方面，这就是语音

3、缺陷理论的观点。另外一种观点则认为，阅读障碍由更一般、更基本的视听加工缺陷所致，语音缺陷只是一种二级缺陷。虽然有一些阅读障碍者存在基本的感知缺陷，但是研究者认为这并非阅读障碍的核心特征。目前，研究者普遍认为，语言学方面的缺陷才是阅读障碍的核心缺陷。随着脑成像技术的发展，研究者开始将其应用于阅读及其障碍的脑神经机制的研究。本文将从脑功能和脑结构两个方面介绍发展性阅读障碍的脑机制研究。2发展性阅读障碍的脑功能研究左半球有三个脑区与正常阅读有关，包括左侧大脑后部的颞顶区、枕颞区和前部的左侧额下回。脑成像研究表明，阅读障碍者这三个脑区的激活模式与正常读者不同，其中左半球后部与阅读有关的脑区激活不足，而

4、在右半球的一些脑区出现了代偿性的激活。2.1左侧后部阅读系统Dejerine在1892年报告了一例病人，该病人左侧角回受损后表现出视觉单词表征受损，同时他还指出枕颞区对阅读也很重要。如今，脑功能成像技术进一步证实了这一观点，研究者发现阅读障碍者左半球后部脑区功能异常，表现为在语音加工任务中激活不足3,4。左半球后部阅读系统主要包括两条通路：背侧通路和腹侧通路。背侧通路，也叫颞顶通路，包括左侧顶下小叶的角回和缘上回，以及颞上回（威尔尼克区）后部。该区域在阅读所需要的跨通道整合中起关键作用，主要功能是在单词的视觉形式与语音结构之间建立映射关系。背侧通路与慢速编码有关5,6，比如分析单词的形音对应关

5、系，需要占用较多的注意资源。腹侧通路，也叫枕颞通路，包括外纹状区，以及左侧枕颞区下部。该通路负责单词的快速识别，较少依赖注意资源，在熟练、流畅的阅读中起重要作用5-7。在正常阅读中背侧通路和腹侧通路都会被激活。但是脑成像研究表明，阅读障碍者这两条通路功能异常。基于fMRI的研究发现，阅读障碍者的左侧颞顶区在阅读任务中激活不足。随着实验任务对语音分析的要求逐渐增大，阅读正常组在左侧颞顶通路的激活随之增强，但阅读障碍组在颞顶区的激活显著低于阅读正常组，而且没有随任务要求的增加出现相应的增强3。以儿童为被试的研究也证明了这一点，在语音加工任务中，阅读障碍儿童在左侧颞顶区的激活不足8。除此之外，在句子

6、水平进行的研究也得出了相同的结论9。关于腹侧通路的研究表明，阅读障碍者腹侧通路功能受损3,6,10。对于正常读者，单词呈现约180ms后，在左侧枕颞区就会出现显著激活；但阅读障碍者的腹侧通路却激活不足或反应较晚。相反，他们在额下回出现较早的反应，这表明阅读障碍者颞枕通路功能异常6。Helenius等（1999）的MEG研究也证实，正常读者左侧颞枕区对字母串的最大反应出现在刺激呈现后150ms时，但是在阅读障碍者身上没有发现这种反应 10。背侧通路与腹侧通路在发展中的作用是不同的。背侧通路发展得更早，它引导并塑造了腹侧通路的发展11。儿童在最初学习阅读时，需要依靠背侧通路来建立单词的形音对应规则

7、。随着阅读熟练水平的提高，左半球腹侧通路的作用越来越重要，儿童能够对单词的整体进行快速反应。2.2左侧前部阅读系统 左侧前部阅读系统包括左额下回的布洛卡区，其主要功能是：1）该区对单词的形音规则敏感。研究发现，额下回对不规则词的激活强于规则词，并且更多地参与低频词和假词的加工，在这个意义上它和背侧通路的功能类似。2）左额下回与发音准备密切相关。此外，该区在默读任务中也会被激活。左额下回在阅读中起重要作用，但是由于该区域在认知加工中的作用较为复杂，因此研究结果很不一致。有一些脑成像研究发现，阅读障碍者相对于正常读者，在额叶有更多的激活，但在另外一些研究中情况则相反。研究者对此进行了解释。有研究者

8、认为额下回的活动与任务难度有关。Cao等（2006）将单词押韵判断任务分为冲突条件和非冲突条件两种，发现在非冲突条件下，阅读障碍者与阅读正常者之间没有激活差异；但在冲突条件下，阅读障碍者在左侧额下回的激活不足。阅读正常者在额下回的激活更大反映了对后部表征自上而下的更有效的调节12。也有研究者认为阅读障碍者左侧额下回起补偿作用。他们从发展的观点出发，发现阅读障碍儿童的年龄与语音任务中双侧额下回的激活成正相关13。因此可以推测，阅读障碍者开始学习阅读时左额下回没能正常发挥作用，随着年龄增大，该区将起补偿作用,从而帮助阅读障碍者通过发音准备过程对单词进行持续发音，进而映射单词的语音结构，使其能够进行

9、阅读，虽然阅读速度较慢、效率较低。2.3右侧脑区的代偿性激活大量研究表明，随着阅读系统的成熟，右半球的激活将逐渐减少14。但是，阅读障碍者在阅读过程中却表现出对右半球相关脑区的依赖3，他们会以相同的时间进程激活语言系统的右半球对应脑区15。右半球的额外激活是为了易化单词视觉形式的识别，通过非语音的感知觉加工来补偿左半球后部受损的语音加工系统。阅读障碍者右侧脑区的额外激活使他们能够进行流畅性和自动化水平较低的阅读。3 发展性阅读障碍的脑结构研究在磁共振成像技术中，研究脑结构的方法主要有基于脑结构成像的脑灰质、白质密度分析和基于弥散张量成像（diffusion-tensor imaging，DTI

10、）的脑白质纤维束分析。以往的脑功能研究发现，阅读障碍者左侧颞顶区激活不足1,3，因此研究者试图寻找这种功能异常的结构基础16-19。基于DTI技术的研究发现，与正常读者相比，阅读障碍者的左侧颞顶区的白质纤维束髓鞘化程度低，白质纤维束的这种结构异常导致了相关脑区之间联结强度不足16。阅读障碍儿童与阅读正常儿童在左侧颞顶区的白质结构有差异，这可能是造成阅读困难的一个原因。白质结构的差异进而与不良阅读经验相互作用，使两组群体的差异变得更加明显17。基于脑结构成像（VBM）技术的研究发现，儿童阅读能力的发展与左侧颞顶区灰质和白质密度的改变有关18。阅读障碍者与正常读者在其它一些脑区也存在结构上的差异，

11、如额下回20,21、舌回20、小脑前叶及后叶22,23。阅读是一种包含多个神经网络的复杂的认知活动，研究者逐渐发现，没有哪一个单一的解剖结构能够区分阅读障碍者与正常读者。较为一致的结论是阅读障碍者左侧颞顶区白质和灰质微结构异常、个体之间脑形态差异更大24。而阅读障碍的脑结构异常与脑功能异常之间是否存在对应关系，还需要进一步研究。4 汉语发展性阅读障碍脑机制研究汉语发展性阅读障碍研究起步较晚。近十年来，这方面研究的数量逐渐增多，内容涉及诊断筛选、亚类型研究、认知特点研究、认知神经机制研究以及教育干预等方面25。这些研究表明，汉语阅读障碍既有类似于拼音文字的认知缺陷，也有其独特的语言加工缺陷。与拼

12、音文字类似，汉语阅读障碍也存在语音意识缺陷26和命名速度缺陷27。与拼音文字不同，语素意识缺陷可能是汉语阅读障碍的一个主要缺陷28,29。已有的研究发现，相对于拼音文字，汉语阅读障碍的脑机制有其独特性，表现为左侧额中回在汉语阅读中起重要作用，该区功能异常会导致汉语阅读障碍。汉语阅读障碍者完成语音任务时在该区的激活不足；但是拼音文字阅读障碍者完成类似任务时则在左侧颞-顶区激活不足30 。关于脑结构的研究也发现，汉语阅读障碍者左侧额中回灰质体积（volume）减小。因此，左侧额中回功能与结构异常可能是汉语阅读障碍脑机制独特的方面。拼音文字阅读障碍主要由左半球后部脑区结构功能异常导致，而汉语阅读障碍

13、者并不存在这种异常 31。目前关于汉语阅读障碍的认知神经机制方面的研究还十分薄弱，还需要大力加强，从而为研究语言加工的普遍性与特异性作出更多有价值的探索32。5发展性阅读障碍的脑成像研究新进展5.1从功能定位到功能整合以往有大量研究都关注阅读障碍者特定脑区的功能异常，这是一种功能定位（functional localization）的研究思路。近年来，研究者逐渐认识到对阅读障碍更深入的理解需要考虑不同脑区之间的关系，这些脑区在加工信息时是如何相互配合的，即考察脑区之间的功能整合(functional integration)，这是一种神经网络的研究思路。目前研究者已经发展了很多探讨脑区功能整合

14、的技术，包括功能连接，有效联结，生理心理交互分析（PPI），结构方程模型（SEM）,动态因果模型（DCM）等。Horwitz等发现，阅读障碍者后部阅读系统功能连接受损，表现为角回和枕叶、颞叶的功能连接较弱，而正常读者这几个脑区间的功能连接较强33。Pugh等（2000）用功能连接的方法分析了Shaywitz等（1998）的研究数据，发现在语音组合（phonological assembly）任务上，阅读障碍者左半球功能连接受损；而在不需要语音组合的字母大小写判断和单个字母押韵判断任务上，阅读障碍者和正常阅读者一样在左半球表现出较强的功能连接。在非词押韵判断和语义范畴判断任务上，阅读障碍者左半球

15、功能连接受损，而右半球相应脑区则表现出较强的功能连接，这也为右半球的补偿功能提供了证据34。此外，阅读障碍者后部与前部脑区之间的功能连接也不正常。例如，在真词阅读时，虽然正常读者和阅读持续困难者（persistently poor readers，PPR）在左半球后部阅读系统都有激活，但是功能连接分析发现，正常读者的左侧枕颞区和左侧额下回（经典语言区）之间的激活相关显著；而PPR组的左侧枕颞区和右侧前额区之间的激活显著相关，右侧前额区通常与工作记忆以及记忆提取有关。因此，虽然PPR组的枕颞区也被激活，但它与前部阅读系统的功能连接异常。阅读障碍者的枕颞区是记忆神经网络的一部分，阅读障碍者对真词的

16、识别基于记忆，而非语音技能35。Cao等（2008）考察了脑区之间的有效连接（effective connectivity），发现与阅读障碍组儿童相比，阅读正常组儿童表现出更强的脑区间的调节作用36。5.2 训练与干预的脑成像研究脑成像研究表明阅读障碍是一种具有生物学基础的障碍，近年来研究者开始关注训练与干预对大脑活动的影响。语音训练是目前支持证据最多、最成功的干预方案之一。以往大量的行为研究为语音训练提供了证据。近年来研究者也开始关注语音训练的脑成像研究。这方面的研究大多是对被试进行为期数周或数月的语音训练，通过分析、比较训练前后扫描得到的脑激活图像，揭示由训练和干预所引起的脑功能变化。相关

17、研究发现，经过语音训练，阅读障碍者阅读的流畅性和理解力等方面有显著提高。在脑机制方面，阅读系统的相应脑区激活得到增强，右半球的相关脑区出现补偿性的激活，脑区间的功能联结也趋于正常化。例如，以阅读障碍儿童为被试的研究发现，与控制组相比，训练组儿童的阅读流畅性显著提高；训练组儿童左侧相应脑区的激活也明显增强，包括额下回和颞中回。训练结束一年后，训练组儿童的阅读流畅性仍高于控制组。而且，训练组儿童的双侧额下回、左侧颞上回和枕颞区的激活水平也比控制组高。这表明语音训练程序促进了负责熟练、流畅阅读的神经机制（枕颞区）的发展37。对成人阅读障碍者进行的研究也发现，训练组的阅读成绩有了显著提高，包括准确性、

18、速度和理解水平等方面。此外，相应脑区的激活显著增强，包括双侧顶叶、右侧外侧裂38。脑区功能联结方面，Richards等（2008）发现，与正常儿童相比，阅读障碍儿童左侧额下回与左右额中回、左右辅助运动区、左侧前中回、右侧额上回之间的功能联结异常。经过三周的训练，这些脑区之间的功能联结状况显著改善39。6. 研究展望与未来方向目前发展性阅读障碍的脑机制研究得到了一些初步一致的结论：拼音文字阅读障碍者左侧颞顶区功能与结构异常；相关脑区之间的功能连接异常；右侧脑区出现代偿性激活；汉语阅读障碍与左侧额中回的功能与结构异常有关。但现有研究还存在一些分歧，如：（1）对于拼音文字阅读障碍，左侧额下回究竟是功

19、能不足还是功能代偿？（2）虽然现有研究表明语素意识缺陷是汉语阅读障碍的重要缺陷，但是关于汉语阅读障碍的核心缺陷研究者仍未达成共识。我们认为在未来研究中，下列问题需要引起研究者的充分重视。1）对“阅读障碍”的界定存在分歧，由此带来的对阅读障碍障碍患者的筛查标准不统一。不同研究者对“阅读障碍”的概念存在不同的界定。有的研究者对阅读障碍的诊断是通过读者是否可以正确的读出单词或字的读音来衡量，而不管是否能够正确理解单词的含义。而有的研究者的筛选标准是以是否能理解词义，或者同时包括读音和词义两个方面。由于研究中采用的标准不统一，导致研究结果之间的可比性不高。而且，阅读障碍的异质性较大，可能存在不同的亚类

20、型。如何对阅读障碍的亚类型进行细分，仍然存在很大争论。因此在进一步的研究中，需要对“阅读障碍”进行更清晰的界定，并详细分析阅读障碍者的行为表现和认知特点，将个体的认知与行为缺陷与脑功能和结构的异常结合起来，进行综合分析，并尽量揭示与分辨潜在的亚类型。2）脑功能异常与脑结构异常之间的关系。研究发现阅读障碍者的脑结构与阅读中的脑功能激活均存在异常，但二者是什么关系现在还不确定。脑功能激活的异常可能源自脑结构异常。但按照Hebb的神经集合理论，神经元之间的功能性联结会改变神经元之间的神经纤维的分布。这意味着，神经功能的异常会带来结构的异常。当然，还有一种可能是，阅读障碍有其基因基础，脑功能和脑结构的

21、异常均源自非正常的基因。目前，这方面的探讨非常薄弱，需要在进一步的研究中加强。3）阅读障碍的训练和干预中的脑动态可塑性变化。需要进一步深入分析训练方案、阅读障碍者的行为改善、脑功能特征的变化三者之间的内在关系，从而分离出方案中的关键有效成分，并揭示其对改善行为和脑功能活动的作用方式和作用机制。在此基础上，进一步完善训练方案。目前这方面的研究只是对某种特定训练程序的效果进行单独考察，缺少对比研究。而且，研究中使用的训练程序包括多种认知成分的训练，未来的研究应该试图分离出关键有效成分，并确定这些关键成分会引起大脑活动哪些关键改变。4）汉语发展性阅读障碍脑机制的特殊性和普遍性。现有研究多是沿袭拼音文

22、字系统中研究语音意识缺陷神经机制的传统，但汉语阅读障碍的核心缺陷与拼音文字阅读障碍不同，应该根据汉语阅读障碍的特异性开展研究，例如shu等认为语素意识可能是汉语阅读障碍的重要缺陷29，那么汉语阅读障碍儿童语素意识缺陷的神经机制是怎样的？汉语阅读障碍与拼音文字系统阅读障碍的神经生理机制有什么异同呢？对这些问题的回答都有待于研究者的进一步研究。参考文献1 Shaywitz S E, Shaywitz B A. Dyslexia (specific reading disability). Biological Psychiatry, 2005, 57(11):1301-13092 Lyon G R

23、, Shaywitz S E, Shayzvitz B A. A definition of dyslexia. Annals of Dyslexia, 2003,53(1):1-143 Shaywitz S E, Shaywitz B A, Pugh K R, et al. Functional disruption in the organization of the brain for reading in dyslexia. Proceedings of the National Academy of Science of the United States of America, 1

24、998, 95(5):2636-26414 Price C, Mechelli A. Reading and reading disturbance. Current Opinion in Neurobiology, 2005, 15 (2):231-2385 Price C, Moore C, Frackowiak R S J. The effect of varying stimulus rate and duration on brain activity during reading. Neuroimage, 1996, 3 (1):40-526 Salmelin R, Service

25、 E, Kiesila P, et al. Impaired visual word processing in dyslexia revealed with magnetoencephalography. Annals of Neurology, 1996, 40 (2):157-1627 Dehaene S, Cohen L, Sigman M, et al. The neural code for written words: A proposal. Trends in cognitive sciences, 2005, 9 (7):335-3418 Temple E, Poldrack

26、 R A, Salidis J, et al. Disrupted neural responses to phonological and orthographic processing in dyslexic children: an fMRI study. Neuroreport, 2001, 12(2):299 -3079 Meyler A., Keller T A., Cherkassky V L, et al. Brain Activation during Sentence Comprehension among Good and Poor Readers. Cerebral C

27、ortex, 2007, 17(12):2780-278710 Helenius P, Tarkiainen A, Cornelissen P, et al. Dissociation of normal feature analysis and deficient processing of letter-strings in dyslexic adults. Cerebral cortex, 1999, 9(5):476-48311 Pugh K R, Mencl W E, Jenner A R, et al. Neurobiological studies of reading and

28、reading disablility. Journal of Communication Disorders, 2001, 34(6):479-49212 Cao F, Bitan T, Chou T, et al. Deficient orthographic and phonological representations in children with dyslexia revealed by brain activation patterns. Journal of Child Psychology and Psychiatry, 2006, 47(10):1041-105013

29、Shaywitz B A, Shaywitz S E, Pugh K R, et al. Disruption of posterior brain systems for reading in children with developmental dyslexia. Biological Psychiatry, 2002, 52(2):101-11014 Shaywitz BA, Skudlarski P, Holahan J M, et al. Age-related changes in reading systems of dyslexic children. Annals of N

30、eurology, 2007, 61(4):363-7015 Vellutino F R, Fletcher J M, Snowling M J, et al. Specific reading disability (dyslexia): what have we learned in the past four decades? Journal of Child Psychology and Psychiatry, 2004, 45(1):2-4016 Klingberg T, Hedehus M, Temple E, et al. Microstructure of temporo-pa

31、rietal white matter as a basis for reading ability: Evidence from diffusion tensor magnetic resonance imaging. Neuron, 2000, 25(2):493-50017 Deutsch G K, Dougherty R F, Bammer R, et al. Childrens reading performance is correlated with white matter structure measured by diffusion tensor imaging. Cort

32、ex, 2005, 41(3):354-36318 Silani G, Frith U, Demonet J F, et al. Brain abnormalities underlying altered activation in dyslexia: a voxel based morphometry study. Brain, 2005, 128(10):2453-246129 Niogi S N, McCandliss B D. Left lateralized white matter microstructure accounts for individual difference

33、s in reading ability and disability. Neuropsychologia, 2006, 44(11):2178-218820 Brown W E, Eliez S, Menon V, et al. Preliminary evidence of widespread morphological variations of the brain in dyslexia. Neurology, 2001, 56(6):781-78321 Robichon F, Levrier O, Farnarier P, et al. Developmental dyslexia

34、: atypical cortical asymmetries and functional significance. European Journal of Neurology, 2000, 7(1):35-4622 Leonard C M, Eckert M A, Lombardino L J, et al. Anatomical risk factors for phonological dyslexia. Cerebral Cortex, 2001, 11(2):148-15723 Eckert M A., Leonard C M, Richards T L, et al. Anat

35、omical correlates of dyslexia: frontal and cerebellar findings. Brain, 2003, 126(2):482-49424 金花，莫雷.发展性阅读障碍的神经生物学研究进展.心理科学，2003，26(5)：901-90225 王艳碧，余林.我国近十年来汉语阅读障碍研究回顾与展望.心理科学进展，2007，15(4)：596-60426 姜涛、彭聃龄.汉语儿童的语音意识特点及阅读能力高低读者的差异.心理学报, 1999, 31（1）：60-6827 Ho C S, Chan D W, Lee S, et al. Cognitive pr

36、ofiling and preliminary subtyping in Chinese developmental dyslexia. Cognition, 2004, 91(1): 43-7528 吴思娜，舒华，刘艳茹.语素意识在儿童汉语阅读中的作用.心理与行为研究，2005，3（1）：35-3829 Shu H, Chang C M, Wu S, et al. Understanding Chinese developmental dyslexia: morphological awareness as a core cognitive construct. Journal of Edu

37、cational Psychology, 2006, 98(1):122-13330 Perfetti C A., Tan L H, Siok W T. Brain-behavior relations in reading and dyslexia: Implications of Chinese results. Brain and language, 2006, 98(3):344-34631 Siok W T, Niu Z, Jin Z, et al. A structuralfunctional basis for dyslexia in the cortex of Chinese

38、readers. Proceedings of the national academy of Sciences of the United States of America, 2008,105(14):5561-556632 王久菊, 毕鸿燕,卫垌圻等.发展性阅读障碍的产生机制从行为到遗传研究.生物化学与生物物理学进展，2008，35(7)：729-73433 Horwitz B, Rumsey J M, Donohue B C. Functional connectivity of the angular gyrus in normal reading and dyslexia. Pro

39、ceedings of the National Academy of Science of the United States of America, 1998, 95(15):8939-894434 Pugh K R, Mencl W E, Shaywitz B A, et al. The angular gyrus in developmental dyslexia: Task specific differences in functional connectivity in posterior cortex. Psychological Science, 2000, 11(1):51

40、-5635 Shaywitz S E, Shaywitz B A, Fulbright R K, et al. Neural systems for compensation and persistence: Young adult outcome of childhood reading disability. Biological psychiatry, 2003, 54(1):25-3336 Cao F, Bitan T, Booth J R. Effective brain connectivity in children with reading difficulties durin

41、g phonological processing. Brain and Language, 2008, 107(2):91-10137 Shaywitz B A., Shaywitz S E, Blachman B A, et al. Development of left occipitotemporal systems for skilled reading in children after a phonologically-based intervention. Biological psychiatry, 2004, 55(9):926-93338 Eden G F, Jones

42、K M, Cappell K, et al. Neural changes following remediation in adult developmental dyslexia. Neuron, 2004, 44(3):411-42239 Richards T L, Berninger V W. Abnormal fMRI connectivity in children with dyslexia during a phoneme task: before but not after treatment. Journal of Neurolinguistics, 2008, 21(4):294-304Neural basis of developmental dyslexia: a review of neuroimaging studies Wei Na, Ding Guosheng(State Key Laboratory of Cognitive Neuroscience and Learning, Beijing norma