功能磁共振成像在人腦語言中的研究進展

馬來陽，劉光耀，張鵬飛，王俊，馬玉榮，鄒婕，張靜

人類語言習(xí)得是一個極其復(fù)雜的過程，涉及多種運動、感覺和認(rèn)知領(lǐng)域[1]。在工作及生活中需要并使用兩種或兩種以上語言的人，稱雙語者或多語者。人腦語言的加工處理機制，尤其多種語言系統(tǒng)是如何共存并協(xié)同工作的，引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。功能磁共振成像(f unct ional magnetic resonance imaging，f MRI)技術(shù)先進，可以無創(chuàng)地觀察正常人腦的功能，并已獲得很多有價值的發(fā)現(xiàn)。利用f MRI技術(shù)探索雙語、多語等的發(fā)生機制以及語言與腦內(nèi)在神經(jīng)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)之間關(guān)系是目前的研究熱點。本文就f MRI在人腦語言方面的研究現(xiàn)狀作一綜述。

1 人腦語言研究簡介

人類語言包括表達(dá)、理解、閱讀、書寫等功能，不同功能在大腦中分布不同。最早證明語言的腦功能定位研究來自于Br oca對失語癥患者的尸體解剖[2]。他發(fā)現(xiàn)語言功能主要集中在左半球，且語言的某些方面與特定的腦皮層部位相聯(lián)系。隨后，Carl Wer nicke提出了關(guān)于大腦語言功能的第一個理論[2]，即語言的高級功能是分離的，信息從大腦的一個區(qū)域傳遞到另一個區(qū)域。Geschwind[3]認(rèn)為腦語言功能需要多個腦區(qū)相互配合完成，而Lur ia[4]則聯(lián)合認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等，進一步闡述了腦語言功能與大腦皮層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，研究大腦語言功能的技術(shù)也日漸廣泛，如開顱手術(shù)過程中對大腦進行直接的刺激；腦磁圖(megnat oencephal ogr aphy，MEG)在腦語言功能區(qū)的定位研究；正電子發(fā)射斷層掃描(posit ron emission t omogr aphy，PET)對被試進行言語思維的腦機制研究等，擴充了對語言功能研究的認(rèn)識。f MRI具有較高的空間分辨率，適用于各種復(fù)雜的心理實驗范式，運用成像技術(shù)和圖像處理方法，可以將腦的活動以直觀的圖像形式表達(dá)出來，并已在人腦語言相關(guān)研究中獲得很多有價值的發(fā)現(xiàn)。

2 功能磁共振在人腦語言中的研究進展

2.1 語言的腦功能區(qū)定位

利用f MRI高空間分辨率的特點，可以較準(zhǔn)確地定位腦語言區(qū)。一些關(guān)于漢語和西方語言的研究表明，當(dāng)大腦在處理語言時，不同的大腦區(qū)域會被激活。例如一項關(guān)于英語和字母語言系統(tǒng)的研究表明[5]，在語義處理過程中，左側(cè)額下回是最重要且相對持續(xù)激活的區(qū)域；而在處理語音加工時，顳上回會顯著激活[6]。Tan等[7]的研究結(jié)果表明，左側(cè)頂后回和額中回是漢語語音處理的腦區(qū)。也有研究表明，漢語語言認(rèn)知任務(wù)的腦激活區(qū)有雙側(cè)額下回、雙側(cè)額中回、左中央前回及雙側(cè)小腦上部等區(qū)域[8-9]。有大量證據(jù)支持語言學(xué)習(xí)涉及遠(yuǎn)超出經(jīng)典語言中心的區(qū)域(Broca區(qū)域和Wernicke區(qū)域)，還包括小腦和基底神經(jīng)節(jié)區(qū)域。Boot h等[10]研究表明小腦與左額下回和左外側(cè)顳葉皮層相互連接，殼核與這兩個腦區(qū)單向連接。此外，小腦與這些語音處理區(qū)域之間的聯(lián)系強于殼核與這些區(qū)域之間的聯(lián)系，這一結(jié)果表明殼核和小腦在語言處理中可能有不同的作用[11]。上述研究表明除了所有語言處理共享的神經(jīng)活動之外，每種語言都擁有獨特的皮質(zhì)活動區(qū)。

2.2 語言偏側(cè)指數(shù)的研究

Wer nicke-Licht heim-Geschwind(WLG)模型是描述腦語言的經(jīng)典模型，其闡述了一個完全左側(cè)化的語言系統(tǒng)，認(rèn)為語言系統(tǒng)主要位于左側(cè)外側(cè)裂皮層，主要包括產(chǎn)生語言的Br oca區(qū)及理解和感知語言的Wer nicke區(qū)，區(qū)域間由弓狀束連接[12]。隨后有研究在WLG模型的基礎(chǔ)上，更精確地闡述了語言的加工模型，認(rèn)為語言產(chǎn)生、加工及閱讀等功能區(qū)位于左腦；而語言功能區(qū)的聯(lián)系反映了完整的語言加工過程如何通過腦區(qū)間的協(xié)作完成的[13]。

Cor bal l is等[14]研究發(fā)現(xiàn)在95%～99%的右利手和70%左右的左利手人群中，語言的產(chǎn)生均位于左側(cè)大腦半球。隨后有研究指出右側(cè)大腦半球在語言發(fā)生中有激活區(qū)，但是右半球激活區(qū)較左半球激活區(qū)范圍小[15]。例如，Vigneau等[16]在動詞生成任務(wù)中發(fā)現(xiàn)右前額葉激活(額中回與額下回附近)，這可能與右側(cè)大腦半球相應(yīng)區(qū)域代償有關(guān)；也有研究認(rèn)為其可能是大腦在執(zhí)行認(rèn)知任務(wù)時產(chǎn)生的激活，與語言的產(chǎn)生無關(guān)[17]。綜上，很多研究均發(fā)現(xiàn)左腦優(yōu)勢，說明言語的產(chǎn)生在群體層面具有很強的左側(cè)化趨勢。

長期以來，研究證據(jù)普遍支持左側(cè)大腦半球在大多數(shù)右利手人群的語言處理中占主導(dǎo)地位，但越來越多的證據(jù)表明，右側(cè)大腦半球在語言功能中起到不可或缺的作用，例如左側(cè)大腦半球受損后，語言功能的恢復(fù)與右側(cè)大腦半球腦區(qū)活動的增強相關(guān)[18]。而右側(cè)大腦半球卒中后語言理解也會受到損害[19]。因此，在不同個體中，語言能力的功能偏側(cè)可能并非是單一的，針對右腦語言功能機制的研究目前研究尚少，有待于進一步研究。

2.3 失語者腦功能區(qū)研究

臨床上引起語言障礙的原因有很多，包括腦卒中、腦部占位性病變、腦炎、頭部外傷等，其中以優(yōu)勢半球腦卒中引起的失語癥最為常見[10]。經(jīng)典的“病灶-缺損模型”的失語腦模型己沿用了100多年，但是該模型難以完全解釋某些語言障礙出現(xiàn)的原因。Bal aev等[20]認(rèn)為部分損傷可能通過破壞與基底神經(jīng)節(jié)和丘腦連接的網(wǎng)絡(luò)而影響語言功能。由于f MRI在構(gòu)建腦網(wǎng)絡(luò)中有其獨特性和優(yōu)勢，已在腦血管病后失語癥方面得到普遍應(yīng)用。

Al l endor f er等[21]的研究證實，腦卒中患者言語的流暢度可能更多取決于優(yōu)勢半球的語言網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和功能的完整性。Rosen等[22]對左側(cè)額下回梗死的患者行任務(wù)態(tài)f MRI檢查研究失語可塑性的機制，結(jié)果顯示右側(cè)額下回的激活程度強于左側(cè)額下回，但其激活程度與失語恢復(fù)之間無關(guān)聯(lián)性，而左側(cè)額下回明顯激活的患者其失語的恢復(fù)較好，故Rosen認(rèn)為左側(cè)額葉梗死灶周圍殘存的語言功能區(qū)的激活對失語的康復(fù)更明顯。Nardo等[18]對18例左側(cè)大腦半球腦卒中后發(fā)生獲得性失語癥的患者行任務(wù)態(tài)f MRI，發(fā)現(xiàn)左側(cè)大腦半球梗死后右側(cè)大腦半球很快被激活，激活區(qū)涉及大量重疊的雙側(cè)額葉網(wǎng)絡(luò)，包括右側(cè)前島葉、額下回和背側(cè)前扣帶回皮質(zhì)，以及左側(cè)運動前皮質(zhì)。雖然目前已有大量研究發(fā)現(xiàn)，失語癥患者在康復(fù)機制中可有不同腦區(qū)的激活，左腦病灶周圍功能區(qū)的激活被認(rèn)為是失語癥恢復(fù)的關(guān)鍵，但右側(cè)大腦半球語言同源區(qū)域的激活及其作用仍在激烈辯論中，尤其是右額葉皮質(zhì)發(fā)揮的作用。因此，失語癥患者語言恢復(fù)機制仍需進一步研究。

3 雙語者及多語者的研究

3.1 雙語者及多語者腦功能與結(jié)構(gòu)方面的研究

在人腦中，多種語言系統(tǒng)是如何共存并協(xié)同工作的？Oj emann等[23]通過對皮層的直接刺激，發(fā)現(xiàn)某些腦區(qū)會分別對第一語言、第二語言(f ir st l anguage、second l anguage，L1、L2)或是兩種語言都產(chǎn)生一定的干擾作用。該研究表明各種語言區(qū)并不完全重疊。此后，f MRI相關(guān)研究不斷增多。如Tham等[24]的研究發(fā)現(xiàn)，漢-英雙語者漢語(L1)的語音處理激活區(qū)在雙側(cè)額葉、右枕葉和左顳葉，而英語(L2)的激活區(qū)則位于雙側(cè)額頂葉。Il l es等[25]在一項英語-西班牙語的語義判斷任務(wù)中發(fā)現(xiàn)兩種語言都激活了左額下回和右額下回。因此，越來越多的證據(jù)表明不同語言的語音、語義和語法處理過程在大腦半球中占據(jù)不同的腦區(qū)，但彼此間存在重疊和功能聯(lián)系。

Berken等[26]以額下回作為種子點，發(fā)現(xiàn)靜息態(tài)下雙語者的左右額下回之間，以及額下回和涉及語言控制的腦區(qū)(包括背外側(cè)前額葉皮層、頂下小葉和小腦)之間有更強的功能連接。Liu等[27]運用靜息狀態(tài)f MRI及滑動窗口方法分析動態(tài)功能連通性，發(fā)現(xiàn)不同狀態(tài)下早晚期雙語者具有不同的聚類系數(shù)、局部和全局效率，表明雙語習(xí)得年齡會影響語言網(wǎng)絡(luò)的時間神經(jīng)激活和動態(tài)拓?fù)涮匦?。這些發(fā)現(xiàn)為了解雙語習(xí)得經(jīng)驗對雙語者語言網(wǎng)絡(luò)的影響提供了新的信息。

此外，國內(nèi)外的研究多數(shù)都認(rèn)為雙語者的兩種語言都是共同激活的。因此，雙語者必須經(jīng)常注意兩種語言的選擇；同時，L2的習(xí)得是一種持續(xù)的經(jīng)歷，它可能對大腦產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。一個新興的觀點認(rèn)為，這種處理多種語言功能的終身經(jīng)歷會導(dǎo)致大腦結(jié)構(gòu)和功能的改變[28]；而越來越多的研究表明，雙語導(dǎo)致的功能變化實際上往往伴隨著大腦解剖結(jié)構(gòu)的變化[29]。

多項研究表明[30-31]，雙語者的灰質(zhì)體積增大，以前扣帶回(anterior cingul ate cortex，ACC)和頂葉為著；而Burgal eta等[32]發(fā)現(xiàn)雙語者的基底節(jié)和丘腦結(jié)構(gòu)大于單語者。也有研究表明精通雙語的人左側(cè)ACC中部、雙側(cè)島葉、左側(cè)緣上回、雙側(cè)額下回三角部和左側(cè)額下回蓋部的灰質(zhì)體積減小。此外，在左側(cè)額下回三角部、扣帶回中前部和雙側(cè)尾狀核團中，L2練習(xí)時長與其灰質(zhì)體積呈負(fù)相關(guān)[33]。因此，灰質(zhì)體積與語言能力或?qū)I(yè)知識之間的關(guān)系呈“倒U”形關(guān)聯(lián)，隨著雙語者對L2的掌握，組織體積增加，尤其是在額頂葉區(qū)。然而，一旦雙語者獲得了高水平的專業(yè)知識，灰質(zhì)組織就會變得專一化，其相對體積較單語者似乎減小。

另一方面，F(xiàn)el ton等[34]發(fā)現(xiàn)雙語者胼胝體中前部和中部的體積比單語者大。此外，也有研究表明雙語者額葉和顳葉的白質(zhì)體積也較大[30,35]。H?m?l?inen等[36]的研究也發(fā)現(xiàn)早-雙語者和晚-雙語者之間弓狀束和額枕下束局部結(jié)構(gòu)存在差異，早-雙語者弓狀束語音相關(guān)部分的各向異性分?jǐn)?shù)增加，而晚雙語者雙側(cè)額枕下束的平均擴散率降低有關(guān)。也有研究表明早-雙語者的右側(cè)殼核和中央前回之間的纖維數(shù)量高于單語者和晚期雙語者，晚-雙語者的左顳上回和頦上回之間的纖維數(shù)量比單語者和早期雙語者要少[37]。

綜上，腦區(qū)不僅在結(jié)構(gòu)上是相互連接的，而且在執(zhí)行認(rèn)知任務(wù)、甚至在靜息狀態(tài)下也是功能相關(guān)的。人類語言習(xí)得是一個極其復(fù)雜的過程，單純的結(jié)構(gòu)或功能可能不足以解釋其原理和機制，因此，多模態(tài)磁共振可能是未來研究的熱點之一。

3.2 雙語者對認(rèn)知方面的影響

最近有研究表明雙語語言的使用不僅會導(dǎo)致與語言處理相關(guān)的大腦結(jié)構(gòu)和功能的改變，而且也會導(dǎo)致涉及非言語認(rèn)知行為的腦區(qū)和網(wǎng)絡(luò)的改變。有研究表明[38-39]雙語者在執(zhí)行功能任務(wù)上的表現(xiàn)優(yōu)于單語者，推測雙語能力不僅在成年后繼續(xù)促進認(rèn)知功能的各個方面，并且能減緩認(rèn)知功能隨年齡增長而下降的趨勢。Bial ystok等[40]證明，雙語者比單語者晚4年出現(xiàn)癡呆癥癥狀。Víct or等[41]等發(fā)現(xiàn)與雙語者相比，單語者顯示出更高的萎縮率和更多的認(rèn)知能力下降；同時，雙語會促進大腦認(rèn)知儲備。這兩個因素可能用來解釋雙語優(yōu)勢在延緩癡呆的本質(zhì)和起源中的作用。

但是，并非所有研究都支持雙語者在認(rèn)知方面存在優(yōu)勢。Paap等[42]認(rèn)為雙語在執(zhí)行功能方面的優(yōu)勢或不存在，或僅限于某些特定情況；Paap等[43]進一步的研究提示雙語者在認(rèn)知方面并不存在優(yōu)勢。Rossel l i等[44]對西班牙語-英語雙語者和英語單語者進行了語言能力、智力和非語言執(zhí)行功能(工作記憶、更新、轉(zhuǎn)移和抑制)的測試，結(jié)果顯示雙語優(yōu)勢不成立，回歸分析表明智力分?jǐn)?shù)比語言能力更能預(yù)測語言水平。

總之，一些證據(jù)表明雙語在認(rèn)知控制方面存在優(yōu)勢，但并非所有研究都如此。方法學(xué)問題和個體差異似乎可以解釋上述差異；此外，語言的習(xí)得是一個復(fù)雜的動態(tài)過程。因此，未來的研究需進行更優(yōu)化的研究設(shè)計、更大的樣本量和更多的縱向研究。

4 總結(jié)和展望

綜上所述，國內(nèi)外對于腦語言的研究已經(jīng)取得了一定成果，f MRI的出現(xiàn)使利用無創(chuàng)手段觀測其內(nèi)在神經(jīng)生物學(xué)機制成為了可能。整合上述研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大腦在處理語言時，不同的大腦區(qū)域會被激活。研究證據(jù)普遍支持左側(cè)大腦半球在語言處理中占主導(dǎo)地位。此外，雙語及多語研究發(fā)現(xiàn)，不同語言處理過程在大腦半球中占據(jù)不同的腦區(qū)，但彼此間存在重疊和功能聯(lián)系。處理多種語言功能的終身經(jīng)歷不僅會導(dǎo)致大腦結(jié)構(gòu)和功能的改變，同時也可能對認(rèn)知方面有一定影響。

人腦語言習(xí)得是個復(fù)雜的過程，要了解語言是如何在大腦和大腦中產(chǎn)生變化的，需要整合解剖、功能等多方面證據(jù)，使用評估大腦和行為所有表現(xiàn)形式的技術(shù)，多模態(tài)綜合分析方法可能是未來研究的方向之一。其次，要理解雙語是如何在思想和大腦中產(chǎn)生變化的，就需要綜合從嬰兒期到老年的整個生命周期的證據(jù)，因此縱向研究是人腦語言研究的重要方向。此外，大樣本量是減少個體差異的常用方法，可以更好地滿足研究需求。最后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工智能或機器學(xué)習(xí)在腦功能方面的應(yīng)用日益廣泛，也可能成為未來研究人腦語言的方向之一。綜上，人腦語言的研究仍處于探索階段，進一步的研究有助于對其更加深入的理解。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。