大腦半球互動：一個影響認知活動的因素*

王博韜 陳泊蓉 段海軍 胡衛(wèi)平,2

(1陜西師范大學現(xiàn)代教學技術(shù)教育部重點實驗室、教師專業(yè)能力發(fā)展中心,西安 710062)(2中國基礎(chǔ)教育質(zhì)量監(jiān)測協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100875)(3陜西師范大學教育學院,西安 710062)

來自腦電EEG(Nielsen,Abel,Lorrain,&Montplaisir,1990;Propper,Pierce,Geisler,Christman,&Bellorado,2012)與裂腦人(Sperry,1984;Teng&Sperry,1973)的研究同時表明：認知過程與心理活動的產(chǎn)生是大腦左右兩側(cè)半球相互交流、共同協(xié)作的結(jié)果。很多研究者(Christman,2013,2014;Christman&Butler,2011;Christman&Jasper,2014;Lyle,Chapman,&Hatton,2013;Lyle&Jacobs,2010;Parker&Dagnall,2007,2010;Shobe,Ross,&Fleck,2009)都認為大腦半球互動(inter-hemispheric interaction,IHI)可作為一項衡量大腦機能的重要指標。他們按照被試在大腦半球互動程度上的不同將其分組,并對比各組被試在完成各項認知活動時所表現(xiàn)出的差異,以此來明確大腦半球間的信息交流模式與心理活動之間的關(guān)系。本文對近十年來該領(lǐng)域研究的新進展進行了梳理,系統(tǒng)闡述了大腦半球互動的概念、評估個體大腦半球互動程度的方法,并對大腦半球互動影響認知活動的相關(guān)實證研究進行了分析和總結(jié),對未來的研究方向進行了展望。

1 大腦半球互動的概念

大腦半球互動概念的產(chǎn)生,經(jīng)歷了一個逐步深化的過程。這一概念最早由生理學家提出,他們認為大腦半球互動就是運動、感覺信息在大腦半球之間進行傳遞與加工。他們還為大腦兩個半球間的信息傳遞與加工尋找到生理基礎(chǔ)—胼胝體(corpuscallosum)。之后,Sperry(1984)對裂腦人的研究,逐步加深了人們對大腦半球互動概念的理解。他指出大腦半球間的互動過程不僅僅是運動、感覺信息在大腦半球之間的傳遞與加工,同時還包括大腦兩個半球在處理高級認知活動時,彼此間相互協(xié)作與調(diào)節(jié)的作用。近年來,隨著實驗方法的改進及人們對大腦半球互動認識的不斷深化,一些研究者(Henshall,Sergejew,Rance,McKay,&Copolov,2013;Sankari,Adeli,&Adeli,2011)開始在實驗中將大腦半球互動作為一項因變量,以期尋找并描述出大腦在完成認知活動時機能的變化。采用EEG相干分析的方法(通過計算EEG信號在各個腦區(qū)之間信息傳遞的線性依存關(guān)系,來揭示各種認知加工過程中不同功能網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同工作方式(王琳,張清芳,楊玉芳,2007)。)他們發(fā)現(xiàn)：與基線水平相比,個體在完成認知活動時,半球間的腦電同步性會明顯增加(Kaiser&Lutzenberger,2005);而與正常個體相比,具有幻聽癥狀的精神分裂癥患者在聽覺皮層上存在半球間互動減少的現(xiàn)象(Henshall et al.,2013)。而更為重要的是,另一些研究者(Christman,Henning,Geers,Propper,&Niebauer,2008;Christman,Propper,&Dion,2004;Propper,Christman,&Phaneuf,2005)通過區(qū)分正常個體在大腦半球互動程度上存在的先天差異,或者在實驗室條件下,人為地操縱被試的大腦半球互動水平,將大腦半球互動作為實驗的自變量,來探討其對高級認知活動的影響。這樣便在大腦活動與心理機能之間架起了新的橋梁?；诖罅康难芯砍晒?人們普遍認為,大腦半球互動是人們在從事各項生理、心理活動時,大腦左右半球以胼胝體為基礎(chǔ),為處理和加工各類信息而進行的信息傳遞、資源組織、腦區(qū)協(xié)作與關(guān)系調(diào)節(jié)等各種聯(lián)系的總和。

2 大腦半球互動水平的測量

大腦半球互動的差異主要體現(xiàn)在半球互動的水平上,半球互動的水平越高則表明半球間的信息交流越多;反之,則越少。當前,可以通過兩種有效的操作方法,在實驗室中區(qū)分出個體不同的大腦半球互動水平：一種是通過評估被試的利手程度來衡量他們已有的大腦半球互動水平;另外一種是在實驗中通過為被試添加眼動刺激的方法,人為地促進大腦半球互動,暫時性地提高他們的半球互動水平。

利手程度之所以能夠用來衡量被試的大腦半球互動水平,是由于中樞神經(jīng)對手的活動存在對側(cè)化控制的神經(jīng)機制,雙手的協(xié)調(diào)使用以大腦半球互動為基礎(chǔ),因此大腦半球互動水平與被試利手單側(cè)化程度存在反比關(guān)系。利手單側(cè)化程度越高,則表明大腦半球互動水平越低;反之,則越高 (Christman, 2013; Prichard, Propper, &Christman,2013)。雖然在傳統(tǒng)的觀念中,人們只是簡單地按照方向?qū)€體利手傾向劃分為左利手者和右利手者。但許多研究 (Oldfield,1971;Luders et al.,2010;Lyle&Orsborn,2011;Propper et al.,2012;Prichard et al.,2013)均表明：個體的利手差異并不只是非左即右的狀態(tài),而是存在一個方向的維度,左利手和右利手位于這一維度的兩個極端,而每一個個體的利手程度事實上處于這一維度的某一位置,也就是說,個體的利手差異其實是一種程度差異。使用改編版的愛丁堡利手問卷(Oldfield,1971),根據(jù)被試在利手問卷上的得分,可將其劃分為強右利手者(測驗得分≥80)、混合利手者(?80<測驗得分<80)以及強左利手者(測驗得分≤?80),強利手者(強左利手者與強右利手者)的大腦半球互動水平低于混合利手者。下列研究為此觀點提供了有力的認知神經(jīng)科學證據(jù)： 首先,胼胝體是大腦半球互動的生理基礎(chǔ),胼胝體的體積大小反映了大腦半球互動水平的高低;胼胝體越大,橫行纖維越多,大腦的半球互動水平越高。Clarke和Zaidel(1994)的研究表明,個體的胼胝體大小與利手使用程度間存在緊密的聯(lián)系,具體表現(xiàn)為右利手者的胼胝體體積小于非右利手者。Luders等人(2010)的研究也指出,被試的利手程度越高,其胼胝體的體積越小。其次,Nielsen等人(1990)通過EEG相干分析發(fā)現(xiàn),在清醒與快速眼動睡眠狀態(tài)下,左利手者的大腦比右利手者存在更多的半球互動。Propper等人(2012)研究證實,較高的利手程度會降低大腦右側(cè)半球的激活水平。此外,大量的行為研究也表明：依賴于較高的半球互動水平,混合利手的被試在情景記憶(Brunyé,Mahoney,Augustyn,& Taylor,2009;Christman&Butler,2011)、面孔記憶(Lyle&Orsborn,2011)、語義組織(Sontam&Christman,2012)、信念的更新(Christman et al.,2008)、新奇想法產(chǎn)生(Badzakova-Trajkov,H?berling,&Corballis,2011)以及創(chuàng)造性思維產(chǎn)生(Shobe et al.,2009)等實驗任務(wù)中表現(xiàn)更佳。

按照為個體添加眼動刺激的方法,可以在實驗中人為地改變被試的大腦半球互動水平(Parker,Relph,&Dagnall,2008)。具體實驗操作程序是：首先要求被試靜坐并將注意集中于面前的顯示屏;當實驗正式開始后,屏幕會呈現(xiàn)出一個以固定的視角,按照一定的方向進行運動的圓點刺激,被試的任務(wù)是讓雙眼追隨圓點刺激進行相同的運動,時間大約持續(xù)30秒。若眼動刺激能引起被試雙眼的有效運動,那么被試的大腦半球互動將會增加,半球互動水平也會得到暫時性的提高(Brunyé et al.,2009;Christman&Butler,2011),原因如下：首先,從眼動的生理機制來看,雙眼眼動的產(chǎn)生需要依靠眼球外部三對眼外肌的調(diào)節(jié),它們分別受到動眼神經(jīng)、滑車神經(jīng)以及外展神經(jīng)的支配,且運動神經(jīng)的傳導(dǎo)具有對向投射性,因此,要想雙眼達到統(tǒng)一協(xié)調(diào)的運動,大腦兩個半球必須協(xié)同作用。不僅如此,由于眼球網(wǎng)膜所采集的視覺信息需要經(jīng)過顱內(nèi)交叉的視神經(jīng)(視交叉)投射至大腦的初級視覺皮層,因此,視覺信息的感知過程也是大腦兩個半球間相互聯(lián)系的過程。其次,有關(guān)眼動能夠增加大腦半球互動的觀點還得到了以下認知神經(jīng)科學研究的有力支持：Bakan和Svorad(1969)的研究表明,左眼或右眼的單邊眼動會激活對側(cè)的大腦半球,這從某種程度上證實了雙邊的眼動可以增加大腦半球的互動;Propper,Pierce,Geisler,Christman和 Bellorado(2007)通過對比眼動組與非眼動組被試在腦電信號Gamma頻段(35~54 Hz)的相干分析結(jié)果,發(fā)現(xiàn)眼動組被試大腦半球的同步化趨勢更加明顯。由于EEG信號中Gamma頻段(≥30 Hz)的相干分析結(jié)果,常被認為是大腦在認知活動中,半球與腦區(qū)間激活模式與互動水平高低的客觀反映(Babiloni et al.,2004;Herrmann,Munk,&Engel,2004),因此兩組被試的差異性結(jié)果很可能是由眼動對大腦半球互動的改變而造成的;來自對快速眼動睡眠(REM)的腦電研究也證實了眼動對半球互動具有增益作用：Barcaro等人(1989)與 Dumermuth和 Lehmann(1981)的研究均表明與基線水平相比,處于快速眼動睡眠期的大腦,在多個腦電頻率(1~4 Hz、5~7 Hz以及8~10 Hz)均出現(xiàn)半球間互動增加的EEG相干分析結(jié)果。同時,行為實驗結(jié)果也證實：眼動通過提高大腦半球互動水平的方式對情景記憶(Brunyé et al.,2009;Christman&Butler,2011)、信息的檢索(Parker et al.,2008)以及創(chuàng)造性活動(Shobe et al.,2009)有促進作用。但需要特別指出的是,眼動刺激對于大腦半球互動的促進作用具有時限性,是一種短暫的激活作用。

3 大腦半球互動對認知活動影響的研究范式

大腦半球互動對認知活動影響作用的研究,已逐步形成了較為成熟且被廣泛認可的實驗范式。這類研究會將劃分利手程度與添加眼動刺激相結(jié)合。在研究某一項具體認知活動時,多采用雙實驗設(shè)計,以期從先天、后天兩個角度綜合、全面地考察大腦半球互動的影響作用。具體做法如下：實驗一中,研究者會通過測量個體先天的利手程度差異,將被試劃分為IHI高水平組(混合利手組)與IHI低水平組(強利手組：強左利手組+強右利手組),并要求兩組被試完成相同的認知任務(wù),對任務(wù)完成的績效進行差異性檢驗,通過先天的差異來發(fā)現(xiàn)與描述大腦半球互動是否對認知任務(wù)存在顯著的影響。實驗假設(shè)為：若該項認知活動受到大腦半球互動的影響,則混合利手被試與強利手被試在該項認知活動上的表現(xiàn)存在顯著差異。若實驗一的結(jié)果證實存在差異,則進行實驗二。實驗二將重新選取一批IHI低水平(強右利手)被試,并將其隨機分組,通過人為操作的方式,為每組添加不同的眼動刺激(至少包括無眼動對照組與水平眼動組,詳見Christman等人(2004)的研究),在被試完成眼動活動后,立刻進行認知任務(wù)的測試,再對比不同眼動刺激組下被試的認知活動得分。實驗假設(shè)為：水平雙眼眼動會短暫性地提高被試的大腦半球互動水平,若水平雙眼眼動組被試的成績與實驗控制組之間存在差異,則表明大腦半球互動影響該認知活動。以下,將對采用此類范式的研究成果進行梳理。

4 大腦半球互動的相關(guān)研究成果

4.1 對認知控制的影響

認知控制(cognitive control)是指個體在信息加工過程中,根據(jù)當前任務(wù)目標,自上而下地對相關(guān)信息進行儲存、計劃和操控的過程(劉勛,南威治,王凱,李琦,2013)。在認知控制的作用下,個體會按照任務(wù)的需求,選擇相關(guān)信息進行加工,同時抑制那些無關(guān)的信息。Christman(2014)在最近的一項研究中發(fā)現(xiàn),受到認知控制的調(diào)節(jié),IHI高水平被試在對環(huán)境中相關(guān)信息的選擇與收集過程中表現(xiàn)得更加積極與主動;而采用經(jīng)典的Stroop任務(wù)與globe-local任務(wù)對個體無關(guān)信息抑制能力考察的實驗結(jié)果也表明,不同IHI水平的被試在無關(guān)信息抑制能力上也存在顯著差異。這兩類任務(wù)的共同點在于,任務(wù)中所使用的刺激均同時具有兩種屬性(Stroop任務(wù)為顏色和字義、globe-local任務(wù)為整體與部分),而實驗中只要求被試對其中的一種屬性進行關(guān)注,與實驗無關(guān)的屬性將被抑制。通過結(jié)果比較,Christman(2001)發(fā)現(xiàn)IHI高水平被試在兩類任務(wù)中的表現(xiàn)均差于IHI低水平被試,具體表現(xiàn)為干擾效應(yīng)更大、反應(yīng)時更長以及錯誤率更高。這反映出IHI高水平被試對無關(guān)信息的抑制能力更低。

4.2 對情景記憶的影響

情景記憶即以時間和空間為坐標對個人親身經(jīng)歷的、發(fā)生在一定時間和地點的事件(情景)的記憶。最早將大腦半球互動與情景記憶相互聯(lián)系的觀點,來源于創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙(PTSD)的眼動治療技術(shù)。研究者觀察到,當經(jīng)過眼動治療的干預(yù),患者的閃回癥狀與情緒問題可以得到有效的改善。已有大量研究證實(Lyle&Jacobs,2010;Lyle,Logan,&Roediger,2008;Christman,Propper,&Brown,2006),IHI高水平被試在記憶任務(wù),尤其是情景性記憶任務(wù)上的表現(xiàn)要好于IHI低水平被試(Parker&Dagnall,2007,2010;Parker et al.,2008),且情景記憶內(nèi)容在IHI高水平被試的工作記憶中占有較高的比重(Kempe,Brooks,&Christman,2009)。Christman和Butler(2011)在實驗中對情景記憶的來源與編碼方式進行了控制,要求不同IHI水平的被試均完成有意識記(結(jié)構(gòu)編碼、語音編碼和語義編碼)與無意識記(無意編碼)任務(wù),以探討差異產(chǎn)生的內(nèi)在機制。結(jié)果表明：IHI高水平被試在情景記憶檢索中的良好表現(xiàn),可能源于他們對記憶材料更為精細的語義編碼加工。Lyle,McCabe和Roediger(2008)對IHI水平影響情景記憶的年齡差異進行了研究,通過對比中年組與老年組在任務(wù)上的表現(xiàn),發(fā)現(xiàn)高IHI水平對情景記憶的促進作用隨著年齡的增加而不斷減弱。

4.3 對創(chuàng)造性活動的影響

在一項有關(guān)語義靈活性的研究中,Sontam和Christman(2012)要求被試盡可能多地說出他們知道的動物名稱,結(jié)果發(fā)現(xiàn)：IHI高水平被試更傾向于在概念的子類別之間進行轉(zhuǎn)換;Shobe等人(2009)選用物品多用途測試作為考察被試創(chuàng)造力的工具,通過對比不同IHI水平被試的創(chuàng)造力表現(xiàn),發(fā)現(xiàn)IHI高水平被試具有更高的創(chuàng)造性傾向與創(chuàng)造力表現(xiàn)。這種優(yōu)勢性差異不僅存在于創(chuàng)造力任務(wù)的總分,在新穎性、流暢性與靈活性維度上均有所體現(xiàn)。Badzakova-Trajkov等人(2011)的研究顯示,從行為數(shù)據(jù)上看,IHI高水平被試在創(chuàng)造力與新奇想法產(chǎn)生任務(wù)中的表現(xiàn)更好,但fMRI的結(jié)果尚不能為行為學上的差異提供有力的神經(jīng)生理學證據(jù)。

4.4 對決策偏好的影響

在音樂偏好的研究中Christman(2013)發(fā)現(xiàn),與IHI高水平被試相比,IHI低水平被試對流行音樂的整體喜愛程度較低,具體表現(xiàn)為：蘭草(bluegrass)與雷鬼(reggae)兩種音樂類型最低,而針對主流音樂排行榜中的音樂材料則無顯著差異。作者認為這種選擇偏好的差異可能源于被試不同的認知靈活性。Westfall,Jasper和Christman(2012)指出,在完成經(jīng)濟決策任務(wù)時,隨著投資任務(wù)中對損失的厭惡感不斷增加,IHI高水平者會表現(xiàn)出更強的不作為慣性與更大的成本效應(yīng)。Christman和Jasper(2014)的研究表明,面對經(jīng)濟決策時,IHI低水平被試傾向于采用“全或無”的風險選擇原則;而IHI高水平被試傾向于選擇“較多或較少”的風險選擇原則。

5 未來與展望

當前,有關(guān)大腦半球互動的研究還在不斷地展開,尤其體現(xiàn)在研究內(nèi)容的擴展與研究方法的創(chuàng)新上。研究內(nèi)容已由對人類智力活動影響作用的研究,逐漸深入到對焦慮(Lyle et al.,2013)、人格(Christman,2014)等非智力因素影響作用的研究。研究方法出現(xiàn)了對于劃分IHI水平新指標的討論,如Nieuwenhuis等人(2013)基于多種運動、感覺通路存在對側(cè)中樞皮層投射的生理基礎(chǔ),開展了采用聽覺、體感觸覺等指標來干預(yù)大腦半球互動水平的嘗試性研究。

不難看出,大腦半球互動是一項重要的大腦生理指標,與多種認知活動存在密切的關(guān)系。因其客觀、有效且兼具良好的可操作性,研究者可在實驗中,以不同方式加入大腦半球互動變量：第一,將其作為因變量。通過EEG相干分析,研究者可以觀察到大腦在進行各項心理活動時,半球間互動模式與水平的改變,并基于全腦的角度,更加全面的探尋心理活動發(fā)生時的動態(tài)腦機制。第二,將其作為自變量。采用劃分利手程度與為被試添加眼動刺激的方法,可以將個體已有的大腦半球互動差異與實驗室控制下的人為改變相結(jié)合。按照 “發(fā)現(xiàn)–描述–分析–驗證”的實驗思路,研究者不僅可以完整揭示出大腦半球互動對因變量所產(chǎn)生的影響;還可以與以往只采用右利手被試開展的相關(guān)研究結(jié)果進行比較,不斷豐富與深化人們對現(xiàn)有理論成果的理解;更能在方法學上提高研究者對于大腦機能探索的主動性。

因此,在研究者聚焦于心理活動大腦半球偏側(cè)化優(yōu)勢與腦機能定位研究的熱潮中,大腦半球互動變量的加入,能為未來研究提供更加豐富的視角。

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