不出声和出声图片命名任务时大脑活动的fmri观察

不出声和出声图片命名任务时大脑活动的fmri观察

近年来，一些科学家在语言功能成像（mri）中使用了声音输出功能，但声音输出并不简单，对应于不需要声音输入和发音链接。本文采用fMRI技术检测健康志愿者在分别执行不出声和出声图片命名时的大脑活动,比较其神经影像学的差异,为今后语言学、尤其是失语症研究的任务选择提供参考依据。1数据和方法1.1不同性别学生的视力情况2009年1月,收集10名右利手的健康志愿者,男6名,女4名,年龄24～27岁,平均(25.2±1.0)岁,母语为汉语,语言功能正常,裸视或眼镜矫正后视力正常。所有受试者试验前签署知情同意书,1周内完成试验数据采集。1.2测试内容和方法采用组块(Block)设计方案,包含:默视无意义图片(控制任务)和不出声或出声图片命名任务。试验所需图片均为常见事物或无意义的黑白线条画。图片刺激程序通过认知刺激仪呈现在固定于头部线圈上的反光镜中,受试者在MR扫描仪内可以看到刺激内容。每次刺激的时间长度为6s(1s固视点提示+5s图片呈现)。控制任务组块含2次无意义图片刺激,命名任务组块含3次图片刺激,且两种组块顺次间隔进行。每组扫描包含11个控制任务组块和10个图片命名任务组块。每名受试者需接受4组扫描,命名任务的出声与否随机进行,其中两组为不出声(默念图片名,但舌和喉部不做发声动作),两组为出声(下颌运动幅度尽可能小的情况下,喉部发声),每组扫描间隔有短暂休息,但保持受试者头不动(佩戴耳塞和加塞海绵垫固定头部)。受试者对无意义图片做出判定(只在图片含义层面做出判定,无需命名环节参与)或对有意义图片命名后需对其左手中的键盘做出按键反应,以保证整个试验过程注意力集中。扫描前对每位受试者行简短培训,培训中使用的图片不出现在正式试验。1.3扫描频率的确定采用PhilipsInteraAchieva3.0T超导型磁共振扫描系统,8通道SENSE头线圈。fMRI采用梯度回波平面回波成像(GREEPI)序列(TR/TE2000ms/30ms,矩阵64×64,层厚3.5mm,无间隔),每次EPI扫描前行8s哑扫描以稳定磁场。最后采用快速梯度回波(TFE)序列获得全脑三维高分辨结构像,参数为:TR/TE9.5ms/4.6ms,矩阵128×128,层厚1.2mm,无间隔。1.4激活体素及其阈值使用基于Matlab7.0的SPM2软件对扫描获得图像行后处理。首先进行图像调整匹配,头动校正,然后将EPI图像、平均图像和断层图像归一化到MNI坐标系统,全宽半高(fullwidthathalfmaximum,FWHM)为8mm,进行各向同性高斯平滑处理。根据图像校正结果,单次扫描头动较大(大于2mm或2°)的图像不做统计分析(EPI图像的体素为3mm×3mm×3mm)。按照图片呈递任务的时间顺序设定理想的梯度参考波形,根据广义线性模型(generallinearmodel,GLM)建立试验假设进行估计,并将各受试者的数据合并,得到平均功能像。所有激活的体素叠加于全脑高分辨结构像,激活体素阈值设定为P<0.001(非校正后),大于50个体素。最后分别得到不出声图片命名任务和出声图片任务的脑激活图、组间差别脑激活图。头动数据采用配对样本t检验,P<0.05为差异有统计学意义。2不同出声案例的脑激活区头动分析结果显示执行不出声任务的平均头动和最大头动分别为(0.66±0.37)mm和1.55mm;出声任务的平均头动和最大头动分别为(0.82±0.48)mm和2.52mm。两组数据比较差异无统计学意义(P=0.23)。不出声图片命名任务20组扫描图像均符合标准,出声图片命名任务除一组扫描图像因最大头动为2.52mm被剔除外,余19组扫描获得的图像均符合图像分析标准。执行不出声图片命名任务时激活的脑区(表1,图1)包括双侧枕回及小脑、双侧辅助运动区(supplementarymotorarea,SMA)及中央后回(BA6)、双侧额下回(inferiorfrontalgyrus,IFG,BA44)及前扣带回(anteriorcingulatecortex,ACC);执行出声图片命名任务时激活的脑区(表1,图2)除包括执行不出声任务时激活的脑区(激活强度更强、范围更广)外,还包括双侧中央前回(BA4)、双侧后上颞回、左侧前上颞回、双侧丘脑及基底节区、左侧岛叶。将出声图片命名任务与不出声任务相减得到两种任务相差的脑激活区(表1),包括双侧中央后回(BA6)和中央前回(BA4)、双侧后上颞回(BA22/42)、双侧枕回及小脑、左侧前上颞回(BA38)及ACC(BA24/32)。将不出声图片命名任务与出声任务相减,未发现有明显激活脑区。3出声照片命名任务的激活磁共振扫描中,发声会对图像产生运动伪影等影响。尽管发声任务中某些受试者或某次扫描的头动大于不发声任务,但两种任务的平均头动数据无差异,即头动的严重程度更取决于受试者本身,而不取决于选用发声任务或不发声任务。本研究发现,不出声图片命名的神经激活网络包括双侧枕回及小脑、双侧SMA及中央后回(BA6)、双侧额下回(BA44)及ACC。根据Indefrey-Levelt模型,图片命名主要包含以下处理过程:看图片-含义分析-词汇选择-音韵提取和编码、构音-语音编码及发音。不出声图片命名的神经激活网络的功能包含了除发音及以后环节外的其他环节。双侧枕回激活反映了图片内容的视觉分析。不出声图片命名时,双侧SMA和小脑的激活主要体现在运动规划环节的参与,如音韵编码、构音及语音编码。双侧中央后回(即皮质运动前区)的内侧部与SMA延续,其激活从狭隘含义上可以理解为SMA激活区的延伸,亦代表着语言准备及发音环节的运动功能调控,但近期越来越多的研究表明皮质运动前区与SMA的功能有所不同。Duffou等通过术中电刺激发现皮质运动前区、尤其是背侧部参与图片命名。本组发现在不发声任务中双侧额下回(Broca区及其右侧相应区)有激活,提示Broca区参与说话过程,尤其在音韵处理环节发挥重要作用。ACC参与错误信息处理、监控冲突、行为或活动控制等复杂信息处理。因此ACC这种抑制反应及监控冲突的功能在不出声图片命名时可能主要体现在词汇选择这一环节。与不出声任务相似,出声图片命名任务也激活了双侧枕回、小脑、SMA和中央后回、额下回及ACC,但激活范围更广、强度更强。一方面出声较不出声任务在某些相同词语处理环节需要更费力和专注,如发音运动的计划和控制;另一方面,扣带回、小脑、SMA及双侧中央前回(即运动区,BA4),还有丘脑、基底节及岛叶均有监控和直接参与发音运动的功能。因此,笔者推测发声任务时激活更强是双重效应作用的结果。Broca区一直被认为参与说话过程中的运动计划及发音编码,因此出声图片命名任务时额下回(Broca区及右侧相应区)较不出声任务激活更强。但Huang等发现出声读词时Broca区激活强度较不出声时弱,认为Broca区主要参与非发声环节的音韵处理。产生这一差异的原因可能主要是:①本组的不出声范式更像默读或默念,而前期研究的范式可能更像默想,这样导致同是不出声范式但构音运动计划的参与程度不同;②较前期研究根据首字母定义一个动物名词并念出的范式相比,本组的图片含义相对简单和容易,不需要太多的含义理解或处理,因此可能Broca区的构音运动计划功能发挥的更多,而前期研究范式中出声较不出声读字母时Broca区激活稍强,与这一解释相吻合。出声图片命名除包含不出声命名的所有环节,还包含发音及发音后的环节,如言语调控、听觉反馈与听理解。出声图片命名任务与不出声命名任务相减得到激活区中包括发音相关区域,如双侧中央后回、中央前回及小脑。此外,在词汇选择环节,出声图片命名任务不会比不出声任务费力,因此认为两种任务相减得到的ACC的激活很可能是因其本身监控功能所致,即对说话过程持续不断地进行调控,从选词环节一直持续到发音后。因此中央后回(皮质运动前区)、中央前回(皮质运动区)、小脑及ACC对出声任务的重要性比不出声任务更明显。双侧后上颞回的显著激活提示存在听觉反馈和听理解,这是出声任务特有的环节。左侧前上颞回(BA38)区的激活代表说话过程中的语义处理环节,且从临床病例研究中可以证实这一点,如常伴有BA38区萎缩的进行性失语症病例,其初期临床症状就为口头交流时词语选择失用。总之,不出声任务和出声任务在本质上是两种不同的试