漢語言自由聯(lián)想功能磁共振的初步研究

王鵬，于紅梅，杜飛舟，顧明，汪洋，何次

漢語言自由聯(lián)想功能磁共振的初步研究

王鵬，于紅梅，杜飛舟，顧明，汪洋，何次*

目的 設(shè)計一種適合漢語言自由聯(lián)想的腦功能磁共振刺激任務(wù)，探索漢語言自由聯(lián)想腦功能區(qū)表現(xiàn)。材料與方法 對19名健康漢語志愿者進行任務(wù)態(tài)自由聯(lián)想語言功能刺激，同時采集功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)數(shù)據(jù)，通過SPM 8軟件分析獲取自由聯(lián)想任務(wù)相關(guān)主要腦功能區(qū)位置，激活大小及最大激活強度。結(jié)果 漢語自由聯(lián)想主效應(yīng)區(qū)位于右顳上回(BA21)；左顳枕內(nèi)側(cè)回、左海馬旁回在聯(lián)想任務(wù)中沒有激活信號，雙側(cè)海馬的激活程度較低。結(jié)論 利用該語言任務(wù)能激活正常人自由聯(lián)想語言功能區(qū)；同時血氧水平依賴性功能磁共振成像(blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging, BOLD-fMRI)可以準(zhǔn)確定位激活區(qū)，量化激活區(qū)大小及最大激活強度，技術(shù)穩(wěn)定可靠，適用于漢語言聯(lián)想相關(guān)腦功能區(qū)疾病研究。

漢語；功能性磁共振成像；腦；語言功能；自由聯(lián)想

Received 3 Dec 2015, Accepted 26 Dec 2015

ACKNOW LEDGM ENTSThis w ork w as part of China’s Postdoctoral Science Foundation (No. 2013M 542582); General program of Chengdu M ilitary region during the 12th Five-Year Plan Period (No. C12036); General program of Chengdu Military General Hospital (No. 2013YG-B004).

漢語是世界上最古老的語言之一，也是目前使用人口最多的語言。不同于西方字母符號，漢字是一種表意性質(zhì)的音節(jié)文字，大多是象形字，有復(fù)雜的空間二維構(gòu)形，其神經(jīng)加工機制也與英語等西方語言有很大的差別[1]。自由聯(lián)想(free fluency，F(xiàn)F)是組織語言必不可少的基本步驟，在強調(diào)語義聯(lián)系的漢語表達中尤為重要，自由聯(lián)想實驗也是語言神經(jīng)機制研究中被普遍認可并行之有效的方法。

近年來，血氧水平依賴性功能磁共振成像(blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging, BOLD-fMRI)作為一種無創(chuàng)腦功能檢查手段，在語言神經(jīng)功能研究中發(fā)揮越來越重要的作用[2-4]。本研究利用BOLD-fMRI技術(shù)驗證一種漢語言自由聯(lián)想刺激任務(wù)的有效性，并探索在這一刺激任務(wù)下，正常漢語言自由聯(lián)想時腦功能區(qū)激活狀態(tài)，為理解漢語言神經(jīng)加工機制提供有益的探索，為研究漢語言障礙疾病提供前期參照。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2014年2月至11月招募健康漢語志愿者19名，人口學(xué)資料見表1。志愿者最大年齡為59歲，最小為18歲，中位年齡為27歲。納入標(biāo)準(zhǔn)：母語均為漢語，無神經(jīng)系統(tǒng)疾病，無外傷史，無吸毒史，無心臟起搏器或其他金屬植入物。智力、視力、聽力能按照要求完成實驗，了解實驗內(nèi)容及權(quán)益并簽署知情同意書。排除標(biāo)準(zhǔn)：病人及家屬拒絕功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)檢查，刺激任務(wù)完成＜80%，頭動＞5°。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用組塊設(shè)計(block design)、刺激(task)與靜息(rest)交替進行。刺激內(nèi)容為連續(xù)性自由聯(lián)想設(shè)計。以漢字短語、符號形式呈現(xiàn)于投影屏幕上，要求被試者以一系列詞或事實作反應(yīng)，即前一個聯(lián)想的反應(yīng)詞或事實作為下一個聯(lián)想的刺激，不斷地聯(lián)想下去。例如，屏幕提示“玻璃”，被試者可聯(lián)想“窗戶、房子、家具、床、被子……”，下一聯(lián)想詞盡可能與前一詞語有一定的相關(guān)性，要求盡可能多地列舉出系列相關(guān)聯(lián)的詞語，直到下一個任務(wù)開始為止，每個Block持續(xù)30 s。緊接著為朗讀并重復(fù)(read & repeat, RR)，如屏幕提示“科學(xué)”要求被試者朗讀一次，重復(fù)一次，持續(xù)15 s。最后屏幕出現(xiàn)“+”， 休息(rest) 15 s，此三個組塊為一個循環(huán)，共5個循環(huán)。

表 1 志愿者基本資料Tab. 1 Demographic data of all the subjects

試驗前通過PPT向被試者演示，詳細介紹任務(wù)內(nèi)容，講解試驗設(shè)計意義，使其能完全理解，以爭取積極配合。然后訓(xùn)練其在執(zhí)行任務(wù)時保持頭部靜止不動，并提前進入MR室內(nèi)適應(yīng)掃描環(huán)境，平靜后開始試驗。

1.3 fMRI掃描參數(shù)

所有被試者通過頭線圈上小鏡子觀看投影以進行任務(wù)刺激，通過磁共振語音系統(tǒng)實施聲音刺激。所有數(shù)據(jù)采集均在GE Discovery MR750 3.0 T核磁共振上完成，采用32通道射頻頭部集合線圈和體部射頻線圈。血氧水平依賴(blood oxygenation level dependent，BOLD)信號采集使用單激發(fā)平面回波序列(echo-planar imaging，EPI)，掃描參數(shù)：TR=3500 ms，TE=60 ms，NEX=1，F(xiàn)LIP Angle= 90°，M atrix=128×128，F(xiàn)OV=24 cm×24 cm，Thickness=6 mm，Gap=1 mm。覆蓋全腦掃描，共21層。橫斷解剖像T1W I(SE序列)參數(shù)：TR=500 ms，TE=12 ms，NEX=1，F(xiàn)OV=24 cm×24 cm，F(xiàn)LIP ang le=90°，M atrix=192×256，Thickness、

Gap同EPI序列。FOV最大限度包括額葉及顳葉，提高額顳葉圖像信嗓比。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPM 8 軟件(W e lcom e Departm en t o f Cognitive Neurology, http://www.fil.ion.ucl.ac. uk/spm/)進行預(yù)處理和統(tǒng)計參數(shù)分析。

步驟如下：(1)頭動校正(realign)：應(yīng)用三維sinc內(nèi)插算法將所有功能圖像與第一時相的功能圖像進行配準(zhǔn)，校正頭部運動，生成校正后的圖像和平均圖像。(2)腦標(biāo)準(zhǔn)化(norm alize)：以蒙特利爾神經(jīng)學(xué)研究所(M ontreal Neurological Institute，MNI)的標(biāo)準(zhǔn)腦為參照，通過非剛體變換獲得平均功能圖像的標(biāo)化參數(shù)，對所有功能圖像進行標(biāo)化。(3)功能圖像的空間平滑(sm ooth)：以半高全寬(full w idth at half maximum, FWHM)為6 mm的高斯函數(shù)對標(biāo)化后的功能圖像進行平滑處理。

以經(jīng)血流動力學(xué)函數(shù)卷積后的刺激模式函數(shù)作為設(shè)計矩陣，采用一般線性模型對功能圖像的時間序列進行參數(shù)估計。對同組內(nèi)所有數(shù)據(jù)計算后判定激活，激活水平定義為P＜0.01，經(jīng)校正檢驗，語言任務(wù)激活范圍≥10 個體素，T＞2.5，定義為有效激活區(qū)。組間分析采用SPM內(nèi)置2nd level單樣本t檢驗對不同任務(wù)進行分析。通過X jview (http://www.alivelearn.net/xjview8/)記錄和輸出不同的語言刺激任務(wù)下激活區(qū)的峰值MN I坐標(biāo)(Peak MNI coordinate, PMC)、最大激活區(qū)域解剖位置(maximum activated regions, MAR)、體素點的數(shù)量大小(num ber o f voxels, NV)和峰值強度(peak intensity)。

2 結(jié)果

2.1 一般結(jié)果

所有被試者均能很好地配合完成刺激任務(wù)，試驗成功獲取19組圖像數(shù)據(jù)。經(jīng)SPM分析FF在雙

側(cè)額、顳葉激活分布區(qū)域廣泛，左顳上、中、下回，右側(cè)顳上、中回，雙額上、中、下回及右顳枕內(nèi)側(cè)回均有不同程度的激活。

2.2 個體分析

不同刺激任務(wù)的激活區(qū)分布具有明顯的差別，F(xiàn)F主要分布在右側(cè)顳上回(圖1A)，左側(cè)額中回。FF-RR激活主要分布于左側(cè)顳中回及左額中回，F(xiàn)F-RE激活在右側(cè)顳中回，雙側(cè)顳上回(圖1B)也有較高程度的激活，F(xiàn)F-RR&RE最大激活在左側(cè)額中回。其中左枕顳內(nèi)側(cè)回，左海馬旁回沒有檢測到激活信號，雙側(cè)海馬的激活程度普遍較低。見表2。

2.3 組分析

上述差別經(jīng)過full factor組分析顯示：FF主要效應(yīng)區(qū)均在右側(cè)顳上回(21區(qū))；FF-RE 主要效應(yīng)區(qū)為雙側(cè)顳上回(21區(qū)，38區(qū))。見表3。

2.4 激活與負激活對照分析

經(jīng)t檢驗后正激活及負激活區(qū)分布：FF最大的激活區(qū)域在右側(cè)顳上回(BA 21區(qū))，激活強度為2.91，最大的負激活在左側(cè)額中回(BA 11區(qū))，最大激活強度為4.29；FF-RE最大激活強度也在右側(cè)顳中回，最大強度為3.11，最大負激活強度在右側(cè)額下回，激活強度為6.40。見表4。

圖 1 男，25歲，右利手。A：顯示FF最大激活區(qū)位于右側(cè)顳上回(66 –10 –6)，激活強度T=4.45，體素量為NV=144；B：顯示FF-REST最大激活區(qū)位于右側(cè)顳上回(68 –14 –6)，最大激活強度T=6.21，體素量為NV=507Fig. 1 Male, twenty-five years old, right handedness. A: The FF of the maximum activation in the STG-R(66 –10 –6), T=4.45, NV=144; B: The FF-Rest of the maximum activation in the STG-R(68 –14 –6), T=6.21, NV=507.

表2 19例全腦有效激活分布(對象內(nèi)分析)Tab. 2 Global maxima activation (GMA) of all the 19 subjects: first level

表3 19例全腦激活區(qū)組分析(完全因素)Tab. 3 Global maxima activation (GMA) of all the 19 subjects: second level(full factors)

3 討論

語言是人類最偉大的發(fā)明之一，也是智慧的象征，其對文明的價值和影響不可估量。同時語言具有明顯的種族、文化差異。漢語言作為一種表意的音節(jié)文字，更強調(diào)語義的聯(lián)通和組合，其語義語法，組織形式、言語行為習(xí)慣等與西方語言文字有顯著差異。例如，漢語言交流更強調(diào)語義和語境間的聯(lián)系，具體語義與當(dāng)時情景和文化背景密切相關(guān)；而且時態(tài)、語態(tài)及感情色彩一般通過實義詞表達，字詞、句子的結(jié)構(gòu)并無太大變化。有時完全同樣的語句在不同語境下可以表達不同、甚至相反意義。故筆者認為用西方經(jīng)典的語言模型解釋漢語言的神經(jīng)加工機制不一定可靠[1]。聯(lián)想是組織漢語表達必不可少的步驟，聯(lián)想能力在語言的內(nèi)容豐富程度、上下文邏輯性上都有直觀的表現(xiàn)。漢語交流的神經(jīng)加工過程中聯(lián)想活動可能更為活躍。

長久以來對于漢語言功能的神經(jīng)機制的認識仍無突破性進展，國外已有報道利用詞語聯(lián)想fMRI對西方語言機制和失語疾病開展了廣泛的實驗研究。主要方向包括語言學(xué)習(xí)過程及其機制、帕金森病早期語言失利表現(xiàn)、語義語音網(wǎng)絡(luò)等[5-8]。本研究設(shè)計的自由聯(lián)想漢語言刺激任務(wù)，結(jié)果顯示FF在雙側(cè)額、顳葉激活區(qū)域分布廣泛，左顳上、中、下回，右側(cè)顳上、中回，雙額上、中、下回，右顳枕內(nèi)側(cè)回均有不同程度的激活。其中FF最大的激活區(qū)域在右側(cè)顳上回(BA 21區(qū))，強度為2.91；FF-RE最大激活強度也在右側(cè)顳上回，最大強度為3.11，這些區(qū)域多為語義網(wǎng)絡(luò)激活區(qū)[9-10]，這說明漢語自由聯(lián)想主要是語義聯(lián)想。FF最大的負激活在左側(cè)額中回(BA11區(qū))，強度為4.29。Wende KC等[11]認為額中回可能是因果邏輯關(guān)系的聯(lián)系中樞，反映FF較少使用因果邏輯關(guān)系，這與自由聯(lián)想任務(wù)設(shè)計相符。FF-RE最大負激活強度在右側(cè)額下回，強度為6.40?？紤]到本組試驗被試者均為右利手及均衡手，這可能與優(yōu)勢半球相關(guān)。本研究中左側(cè)額中回在FF、RR、FF-RR及FF-RR&RE中均有不同程度的激活；一般認為左側(cè)額中回是漢語拼寫、語音、語義多任務(wù)的重疊激活區(qū)。FF-RR&RE中又沒有統(tǒng)計學(xué)差異，說明左額中回不是自由聯(lián)想的特定功能區(qū)，更可能是多種語言功能的重疊激活區(qū)。這和W u CY[12]的研究結(jié)果一致。左顳枕內(nèi)側(cè)回、左側(cè)海馬旁回及右側(cè)海馬沒有激活信號，雙側(cè)海馬及海馬旁回的激活信號較低，提示上述區(qū)域可能并未參與到正常漢語者的自由聯(lián)想功能加工機制中或為非決定性功能區(qū)。馮燕韻等[13-14]漢語聯(lián)想任務(wù)的研究結(jié)果中也未提到上述區(qū)域存在激活信號。但Sheldon S等[15]國外學(xué)者認為海馬對自由聯(lián)想有重要作用，這種差異是否來自漢語言與西方語言的神經(jīng)機制不同還有待更深入的探討和驗證。

英語言詞語聯(lián)想任務(wù)能激活的主要腦區(qū)有Broca區(qū)(BA 44、45)、左側(cè)額中下回(BA46、47)、扣帶回前部(BA 32)、左額葉背外側(cè)部(BA 8、9)、左顳葉中上回后部(BA 22、39)、左顳葉中下回后部(BA21、37)、運動輔助區(qū)(supplementary motor area，SMA)、雙側(cè)小腦上部等，其中BA44、45區(qū)(即經(jīng)典的Broca區(qū))及 BA46、47區(qū)被認為與語音及語義處理相關(guān)[16-17]。國內(nèi)報道漢語言詞語聯(lián)想任務(wù)時激活的腦區(qū)主要有雙側(cè)額葉內(nèi)側(cè)面SMA、雙側(cè)中央前回運動區(qū)(相當(dāng)于Brodmann 6 區(qū)，BA6) (左側(cè)較右側(cè)顯著)、左側(cè)枕葉皮層(BA 18、19)、左側(cè)額葉下回(BA 45、47)、左側(cè)島葉(BA13)、雙側(cè)小腦上部[18]。對比發(fā)現(xiàn)本研究的激活區(qū)域與中外研究結(jié)果存在重疊，但主要的效應(yīng)區(qū)并不一致。這可能與語言神經(jīng)機制不同有關(guān)，更可能與刺激任務(wù)的設(shè)計不同有關(guān)。本研究采用的是連續(xù)自由聯(lián)想設(shè)計，與以往的動詞聯(lián)想、類別從屬詞聯(lián)想不同，自由聯(lián)想的內(nèi)容不設(shè)限制，不過多的進行關(guān)系判斷，牽連的功能區(qū)更少。同時可排除被試者的年齡、教育程度差異導(dǎo)致的聯(lián)想能力不同，還最大程度保證被試者思維的連續(xù)性和較強激活度，為fMRI提供更穩(wěn)定的信號。同時內(nèi)容上采用短語刺激而非單個漢字，任務(wù)的可靠性和有效性較高[19]。

總的來說，該自由聯(lián)想刺激任務(wù)能有效激活漢語言腦功能區(qū)，該BOLD-fMRI技術(shù)能準(zhǔn)確地定位激活區(qū)，量化激活強度；技術(shù)穩(wěn)定可靠，患者依從性好，適用于未來自由聯(lián)想相關(guān)腦功能區(qū)疾病研究。

本研究也存在樣本較小，感興趣區(qū)局限的不足，隨著樣本量的擴大后期將會有更詳實的數(shù)據(jù)報道。

表4 19列全腦激活區(qū)單樣本t檢驗Tab. 4 Global maxima activation (GMA) of all the 19 subjects: second level(One Sample t-test)

[References]

[1]Lu JF. M ulti-m odal techniques for Language mapping in chinese-speaker. Shanghai: Fudan University, 2013.

路俊鋒. 漢語語言中樞的多模態(tài)技術(shù)研究及其在外科手術(shù)定位中的應(yīng)用. 上海: 復(fù)旦大學(xué), 2013.

[2]Song WM, Chen NK. fMRI: a brief review and outlook on the state-of-the-artmethodology. Chin J M agn Reson Imaging, 2013, 4(5): 361-372.

宋無名, 陳南圭. 功能MRI: 最先進方法的簡要回顧和展望.磁共振成像, 2013, 4(5): 361-372.

[3]Chiang S, Haneef Z. Graph theory findings in the pathophysiology of temporal lobe epilepsy. Clin Neurophysiol, 2014, 125(7): 1295-1305.

[4]Zhang ZQ, Xu Q, Lu GM, et al. Dynamic functional MRI study of absence seizures. Chin J M agn Reson Imaging, 2013, 4(1): 3-7.

張志強, 許強, 盧光明, 等. 失神性癲癇的動態(tài)功能MRI研究.磁共振成像, 2013, 4(1): 3-7.

[5]Comesana M, Fraga I, Moreira AJ, et al. Free associate norms for 139 European Portuguese words for children from different age groups. Behav Res M ethods, 2014, 46(2): 564-574.

[6]Marques JF, Nunes LD. The contributions of language and experience to the representation of abstract and concrete words: different w eights but sim ilar organizations. M em Cognit, 2012, 40(8): 1266-1275.

[7]Kenett YN, Kenett DY, Ben-Jacob E, et al. Global and local features of sem antic netw orks: evidence from the Hebrew mental lexicon. PLoS One, 2011, 6(8): 23912.

[8]Borge-Holthoefer J, Moreno Y, Arenas A. Modeling abnormal prim ing in A lzheimer's patients w ith a free association network. PLoS One, 2011, 6(8): 22651.

[9]Simanova I, van Gerven MA, Oostenveld R, et al. Predicting the sem antic catego ry of internally generated w ords from neuromagnetic recordings. J Cogn Neurosci, 2015, 27(1): 35-45.

[10]Nelson DL, Kitto K, Galea D, et al. How activation, entanglement, and searching a semantic network contribute to event memory. M em Cognit, 2013, 41(6): 797-819.

[11]Wende KC, Straube B, Stratmann M, et al. Neural correlates of continuous causal word generation. Neuroimage, 2012, 62(3): 1399-1407.

[12]Wu CY, Ho MH, Chen SH. A meta-analysis of fMRI studies on Chinese orthographic, phonological, and semantic processing. Neuroimage, 2012, 63(1): 381-391.

[13]W ende KC, Straube B, Stratmann M, et al. Neural correlates of continuous causal word generation. Neuroimage, 2012, 62(3): 1399-1407.

[14]Feng YX, Huang B, Gao MY, et al. Funtional MRI related w ith the semantic and syntactic task. Chin J M ed Im aging Technol, 2012, 28(5): 865-868.

馮燕韻, 黃飚, 高明勇, 等. 語義、語法任務(wù)相關(guān)的腦功能磁共振成像. 中國醫(yī)學(xué)影像技術(shù), 2012, 28(5): 865-868.

[15]Sheldon S, Rom ero K, M oscovitch M. M edial temporal lobe amnesia im pairs performance on a free association task. Hippocampus, 2013, 23(5): 405-412.

[16]Norris DG. Principles of magnetic resonance assessment of brain function. J Magn Reson Imaging, 2006, 23(6): 794-807.

[17]W eber B, W ellmer J, Reuber M, et al. Left hippocam pal pathology is associated w ith atypical language lateralization in patients w ith focal epilepsy. Brain, 2006, 129(Pt 2): 346-351.

[18]Jiang Z, Zhang CY, Gong ZG, et al. Comparison of fMRI on the cortical o rganization using two language tasks in norm al subjects. Suzhou University Journal of Medical Science, 2008, 28(3): 449-451.

蔣震, 張彩元, 貢志剛, 等. 兩種語言任務(wù)腦功能區(qū)激活的功能磁共振成像比較. 蘇州大學(xué)學(xué)報(醫(yī)學(xué)版), 2008, 28(3): 449-451.

[19]Deyne SD, Navarro DJ, Storms G. Better explanations of lexical and semantic cognition using networks derived from continued rather than single-word associations. Behav Res Methods, 2013, 45(2): 480-498.

A p rimary fMRI study of the chinese language function: a free fluency paradigm

WANG Peng, YU Hong-mei, DU Fei-zhou, GU Ming, WANG Yang, HE Ci*
Department of Radiology, Chengdu M ilitary General Hospital, Chengdu 610083, China

Ob jective: To design a stimulus task for Chinese free fluency, and exp lore the brains language function areas in Chinese people. M ater ials and M ethods: Nineteen healthy Chinese volunteers underwent a BOLD-fMRI scan w ith a free fluency stimulus task, that w as block design. A ll images w ere collected and processed by SPM 8, followed by a First- and Second-level analysis. The distribution, sizes(number of voxels), and peak intensity of activations were shown by Xjview. Results: A ll participants completed the language task in connection w ith chinese language functional areas located primarily in the right superior temporal gyrus. In this study, the left fusiform gyrus and left parahippocam pal gyrus w ere not activated, and bilateral hippocampus w ith low-grade activations. Conclusion: This stimulus task effectively activated brain language areas relating to chinese free fluency. BOLD-fMRI located activated areas accurately, and quantified the size and peak intensity of activations. It was stable and reliable w ith good compliance from patients. This study shows that chinese free fluency.

Chinese language; Functional magnetic resonance imaging; Brain; Language function area; Free fluency

中國博士后科學(xué)基金(編號：2013M 542582)；成都軍區(qū)“十二五”科研面上項目(編號：C12036)；成都軍區(qū)總醫(yī)院面上項目(編號：2013YGB004)

成都軍區(qū)總醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科，成都610083

何次，E-mail: hecicd@163.com

2015-12-03接受日期：2015-12-26

R445.2；R338.2

A

10.12015/issn.1674-8034.2016.04.008

王鵬, 于紅梅, 杜飛舟, 等. 漢語言自由聯(lián)想功能磁共振的初步研究. 磁共振成像, 2016, 7(4): 282–287.

*Correspondence to: He C, E-mail: hecicd@163.com