功能磁共振成像技术在汉语词汇加工过程中脑激活模式的应用

功能磁共振成像技术在汉语词汇加工过程中脑激活模式的应用

采用高分辨率成像技术及时反应脑神经活动时的功能变化，了解生命状态下不同大脑区域的主要功能变化。这是目前人们所掌握的唯一无侵入、无创伤、可精确定位人脑高级功能的研究手段,为大脑功能的研究提供了一个新的途径。语言作为人类的一种本质特征，包含了复杂的心理操作过程，它与人脑其他高级皮质功能如知觉、注意、记忆等紧密联系，因而受到多学科、多层次、多水平的关注。研究语言对于理解我们人类高级认知活动规律意义重大。目前国内关于DCDs伴语言功能障碍患者的研究尚未见报道，笔者对此进行了探讨。1材料和方法1.1术后随访及疗效正常对照组：本实验选择6名健康志愿者，在读学生。男女各3名，年龄22～25岁，平均23岁，均为右利手。病人组：2例皮质发育障碍患者，均右力手。病例报告如下：患者1，男，18岁，以发作性意识丧失、四肢抽搐2次就诊。半年前于凌晨4时突发四肢抽搐，双眼向上凝视，口吐白沫，面色青紫，呼之不应，约10min后缓解。发作中无二便失禁。发作后意识模糊。首次发作，仅予对症处理。6天前患者于夜间睡眠中再次发病，症状同前。既往史：5岁时曾有高热惊厥病史，儿时智力低于同龄人，学习成绩差，初中1年级退学在家。头颅MRI示右侧颞、额、顶叶交接区局限性皮质发育不良。EEG检查于过度换气中出现双侧颞区棘波发放，以右侧为主。简单智力状态检查量表显示认知功能轻度受损(20分)，日常生活能力量表显示明显日常生活功能障碍。诊断DCDs继发性癫痫。给予卡马西平0.1tid口服。患者2，男，16岁，以言语障碍14年，抽搐1次来诊。14年前患者因受凉后，出现高热，体温高达40℃，经治疗好转后遗留下言语表达障碍，小学文化，成绩较差，1天前，患者于夜间突发大喊一声，四肢抽搐，呼之不应，二便失禁，发作约持续3min，清醒后有头痛。既往正常。头颅MRI示双侧颞叶皮质局灶性发育不良。EEG示在过度换气中出现双颞侧高幅慢波。简单智力状态检查量表显示认知功能轻度受损（18分），日常生活能力量表显示明显日常生活功能障碍。诊断DCDs继发性癫痫。给予妥泰50mgq12h口服。1.2任务与学习时习采用声音刺激，组块设计（blockdesign），每个受试者均参与汉语单词任务，每序列4min，分为12块，每块20s。任务20s，对照20s。每个任务10个单词，每词2s。执行任务组时要求受试者注意听单词并尽量理解其语义，对照任务时嘱被试者注意听MRI扫描时发出的节奏声。完成任务后如实报告汉语单词任务的理解百分率、实验时的感受、情绪变化等心理状态。语言材料的制备：汉语单词均选自《现代汉语频率词典》中的高频、实性名词，为双音节词。1.3图像全质成像使用GESignaHighspeedMR/i1.5T超导MRI仪采集图像。正交头线圈，受试者仰卧，闭目，用海绵垫固定头部，以减少头部的活动。使用自旋回波（SE）序列，获取T1WI解剖图像。成像参数：TR500ms,TE12ms,FOV24×24，扫描层厚8mm，间隔2mm，矩阵256×256。fMRI采用平面回波序列(EPI)，血氧水平依赖法（BOLD）功能成像技术，单次激发。成像参数：TR4000ms,TE60ms,FOV24×24，层厚8mm，间隔2cm，矩阵64×64。1.4成像结果的对照分析使用Functool(2）软件包对数据进行处理。按照语言任务的序列将功能信号的时间过程设定理想的参考波形（6个方波），将每个像素的时间强度曲线与参考波形进行对照分析，凡相关系数≥0.40(P<0.01）的像素即可认为与实验任务有可靠的相关性。最后将功能信号与T1WI解剖图像融合，观察功能区的位置。分析（1）每个被试者在汉语任务下的皮层信号激活区进行直观定位，显示其图像。（2）区分处理正常受试组和患者组的的脑功能代表区的异同。（3）对感兴趣区绘时间信号变化图，确定其相关性(图1,2)2结果2.1正常受害者诉司法实践中复杂的词汇语义认知差异所有正常受试者积极配合并顺利完成试验,并能95%理解汉语单词的意义。而据患者1回答，显示50%的单词能够理解。据患者2回答，显示30%的单词能够理解。少数正常受试者诉表示磁共振扫描时的噪音对单词语义理解有影响，个体不一。在正常对照组中，部分受试者在试验初期存在短暂轻度恐惧感及焦虑。部分受试者有跟随单词默读并随单词语义展开想象（如视觉意象）等现象。两例DCDs患者未表示有恐惧感。患者2诉在听到老虎时，想起曾经见过的真老虎。2.2其它相关脑区听觉皮质区与颞叶：几乎所有受试者在执行两种任务时双侧颞上回（Brodmann41/42/22）和颞中回(Brodmann21)被激活，多数受试者颞下回(Brodmann20)也被激活。传统语言区：左侧额下回后部Broca(Brodmann44/45)的和颞上回后部的Wernicke区以及顶下小叶的角回和缘上回(Brodmann39/40)均可见明显激活区。其它相关脑区：双侧额上回(Brodmann9/10)、额中回(Brodmann46)、额下回、中央前后回(Brodmann4/3.1.2)、顶上小叶(Brodmann7)、海马及海马旁回、岛叶、扣带回(Brodmann24/32/31)、杏仁体、枕颞联合区(Brodmann37)、枕叶纹状区、纹周区(Brodmann18/19)等在不同受试者存在不同组合分布的激活。另外有不少受试者出现小脑、丘脑、尾状核、脑桥及中脑激活区。以上脑区除颞上、中回在几乎所有受试者均被激活外，其余脑区在不同受试者，不同语言任务条件下其激活分布模式各有不同。患者1双侧颞上回和额下回被激活，但双侧表现为明显不对称，右侧激活信号明显，且激活区域较大。同时可见左侧额上回、额中回、中央后回激活，右侧额内侧回激活。患者2：在执行语言功能的激活区呈现为明显的偏右侧，右侧额下回与颞上回明显被激活，区域较大。同时可见右侧颞中回、中央后回被激活，双侧纹状区可见激活，而左侧仅额下回表现为微小区域的激活。上述两例患者，双侧脑区激活对比明显，本研究未做像素面积对比分析。3讨论3.1是否关注语言的激活传统听感觉语言功能区被认为在颞上回后部Brodmann22区，认为该区在处理声音和听觉信息方面有重要作用。在本研究中所有受试者双侧颞上回、颞中回均被激活。我国学者李恩中等应用fMRI研究语言及音乐刺激下脑功能成像，结果显示颞上回及颞中回与听觉有关，指出左侧颞上回(Brodmann22)可能与语音分析有关，其后部属传统的Wernicke区，右侧颞上回则对音高、音调进行知觉和分析，本文研究结果与其一致。半数受试者颞下回亦出现激活，国外学者应用PET等研究手段指出该区尤其是左侧颞下回在处理词汇、语义方面具有重要作用，本研究认为主要是辅助Wernicke区处理语义方面具有重要意义。本研究发现受试者出现额区激活，尤其是额中回及额下回(Brodmann44/45/46)。左侧额下回属传统理论中的Broca区，与语言的产生有关，在本研究表现为明显激活。额中回则参与注意及语言的工作记忆等加工过程。本实验中近半数受试者顶下小叶（Brodmann40/39）出现激活，本文认为其激活与受试者集中精力听词汇的语音有关。受试者纹状区及纹周区（Brodmann18/19）激活可能与受试者出现视觉联想有关。有研究发现不同类型知识与不同脑区有相关性。另一个值得注意的现象是，受试者大脑皮质联合区域显著激活，如枕颞内侧回，颞顶交界区(Brodmann40/39/22)等，这些区域与多方面感觉信息（如视觉、听觉及躯体感觉等）的整合有关。尽管我们所采用的是听觉刺激，然而由于人脑活动的统一协调性，这些区域可能不同程度的参与本实验语言任务的认知过程。中央前回(Brodmann6)激活，有资料显示该区参与对语音的准备和判断。本研究除发现双侧大脑半球主要脑区激活外，另有一些传统上认为与语言认知过程相关性不大的结构激活。主要表现为受试者小脑、基底节区、边缘系统以及岛叶、中脑、脑桥区域的激活。推测原因可能有多种。本研究中，2例受试者报告听单词时有跟读或默读倾向，小脑及丘脑等结构则可能参与随意运动的计划和编程。实验早期受试者表示有轻度恐惧、焦虑，推测该区激活应该与边缘系统激活有关。Verfaellie等发现语义学习的皮质在海马周围（不包括海马），语义的记忆在海马，因而本文认为，海马等区域的激活与词汇的记忆或提取有重要的关系。综上所述，我们认为语言的听理解存在如下的规律，患者是听到词汇的声音，首先激活听中枢，然后是词汇的语义产生，在语义的产生过程中出现语音到语义的转化、语义的提取两个部分。上述脑结构的活化，一方面可能与个体在语言认知过程中自身内在加工机制有关，另一方面也映射出人类认知活动的高度复杂性、多样性，同时也显示出fMRI在该领域研究中的潜在优势(图1,2)。3.2语言功能的激活本研究收集的2例DCDs患者，均存在颞叶皮质发育不良。简单智力状态检查量表显示认知功能受损，日常生活能力量表显示日常生活功能障碍，在交流中表现出某些语义成分的丧失和语言流利性的丧失,2位患者基本符合语义性痴呆诊断，因为患者颞叶损害区域不同，故分别进行激活区的论述，然后进行总体分析。患者1头颅MRI示右侧颞叶、额叶局灶性发育不良。在执行听理解任务时，我们可以发现双侧大脑半球激活脑区呈现明显的不对称性，左侧激活脑区较右侧明显较多。该结果提示右侧半球因为颞叶、额叶皮质局灶性发育不良导致部分皮质听觉语言功能丧失。同时我们发现右侧的Wernicke区与Broca区周边区域激活较明显，且区域较大。该结果提示虽然发育不良皮质存在功能丧失，但并不代表其功能全部丧失，并且病灶周边可以功能代偿。双侧颞上回与额下回的激活与正常受试者激活表现一致。行为学结果显示理解的词汇为50%，也提示我们此种代偿是不完全的(图3)。患者2头颅MRI示双侧颞叶皮质发育不良。在执行听理解任务时激活区呈现为明显的偏向右侧，右侧的Wernicke区与Broca区显著激活，区域较大。而左侧额下回表现为微小区域的激活，该结果提示左侧颞叶发育不良严重，颞叶功能基本丧失，对侧区右侧颞叶进行了功能代偿。同时右侧皮质发育不良的颞叶周边激活区域较大也提示可能右侧颞叶的功能也存在部分丧失，其周边区也参与了功能的代偿。行为学的结果显示理解的词汇仅占30%，提示大脑右侧的功能代偿是部分性的。患者在双侧视区明显激活考虑与视联想有关，患者激发了视联想功能。待操作结束后，患者诉其听到老虎时，脑海出现老虎的模样，与Prabhakaran等研究结果一致(图4)。综合2例患者脑激活区与正常受试者比较，其最大的差别体现在脑皮质发育不良区域的功能不同程度的受损，导致2位患者语言词汇理解功能的下降。特别是在第2例患者表现突出，右侧Wernicke区明显激活，而左侧Wernicke功能区无激活。其次表现在代偿区域的出现与激活区域的扩大，从而保证患者的语言功能的部分保留，此点在2例患者均有体现，在第1例患者明显可见右侧Wernicke区明显激活，且区域较大，体现为发育不良周边区的功能代偿。在第2例患者明显体现为右侧相应区域的代偿，充分展示神经元的功能可塑性。从本文也提示DCDs伴癫痫患者手术前必须做有关主要功能区定位，发育不良不代表功能的完全丧失，以免出现手术后重要皮质功能丧失。最后我们可以发现2例患者其他辅助功能区的基本丧失，由于人脑活动的统一协调性，辅助区域可能不同程度的参与本实验语言任务的认知过程，形成一个大的神经网络，更有利于我们快速的反映所听到的词汇，并转化词义。在这我们将提到远隔效应来解释这一现象，远隔效应即局部的脑损害造成与之较远，但存在某种联系的区域的功能改变。产生这种效应的原因在于1个脑区的正常神经活动有赖于许多其他相关脑区信号的驱动和调节，当与之相联系的区域受损后，无损伤的皮层组织也会表现出异常的神经反应，包括无损伤的皮层组织沉默或异常