正向条件推理的神经机制：功能MRI研究

梁佩鹏 LIANG Peipeng

贾秀琴1,2 JIA Xiuqin

石 林3 SHI Lin

王德峰3 WANG Defeng

李坤成1,2 LI Kuncheng

正向条件推理的神经机制：功能MRI研究

梁佩鹏1,2LIANG Peipeng

贾秀琴1,2JIA Xiuqin

石 林3SHI Lin

王德峰3WANG Defeng

李坤成1,2LI Kuncheng

作者单位
1. 首都医科大学宣武医院放射科 北京 100053
2. 北京市磁共振成像脑信息学重点实验室北京 100053
3. 香港中文大学影像与介入放射学系 香港999077

目的 两种正向条件推理肯定前件式（MP）和否定前件式（DA）是日常生活中最常见的两种演绎推理形式，本研究拟探讨两者神经机制的异同。资料与方法本研究设计了3种抽象内容的条件推理，包括MP、DA和基线任务（BS），14名在校大学生参加了事件相关功能MRI（fMRI）实验，男、女各7名，平均年龄（23.4±1.3）岁，对条件推理过程的fMRI数据进行分析。结果 两两比较结果显示，MP、DA的平均反应时均显著慢于BS（P＜0.001）。对于正确率，条件主效应不显著（P＞0.05）。与BS相比，正向推理任务（MP、DA）均激活了左侧额下回（BA 9）、顶下小叶（BA 40）和中央后回。将MP推理与DA推理进行比较发现，MP推理比DA推理显著激活了双侧尾状核，而DA推理比MP推理则显著激活了额叶、顶叶、枕叶及扣带回。结论 MP和DA两种正向条件推理既共同激活了左侧额顶区域，又在尾状核及双侧额、顶、枕区呈显著分离，这一结果首次证实了两种正向条件推理具有不同的神经机制，有助于进一步深入揭示条件推理的脑机制。

磁共振成像；推理；神经网；额叶；顶叶；枕叶；图像处理，计算机辅助

基于条件命题而进行的条件推理是由“如果P，那么Q”的大前提和一个小前提组成。根据小前提的不同，条件推理可分为肯定前件式（modus ponens，MP）、否定前件式（denial of the antecedent，DA）、肯定后件式（affirmation of the consequence，AC）和否定后件式（modus tollens，MT），其中MP和DA推理为正向条件推理，而AC和MT推理则为反向推理。正向条件推理与反向条件推理具有不同的神经机制[1-2]。正向条件推理是人们在日常生活中最普遍使用的推理形式，但MP能够推出正确的结论，而DA则不能，目前尚不清楚MP和DA的神经机制有何异同。已有的条件推理的脑成像研究均未对MP和DA两种正向推理进行比较研究[1,3-9]。这些研究主要关注两种有效的条件推理形式（MP和MT）[6-7,9]、条件推理内容效应[3-4]、逻辑训练对推理过程的影响[5]及条件推理的规则复杂性效应[8]。尽管Noveck等[1]曾试图比较所有不同形式条件推理的脑机制，但由于其中两种无效推理任务（DA和AC）的正确率较低，该研究仅重点讨论了MP和MT两种有效推理形式的神经机制。在既往研究的基础上，本研究设计了两部分实验任务：归纳推理和正向条件推理，其中归纳推理部分的研究已发表[10]，本文主要关注正向条件推理部分。本文的研究目的包括考察MP与DA激活了哪些共同及不同的脑区，并进一步检验已有的3种关于条件推理的理论模型，包括心理模型理论（mental model theory）[11]、心理逻辑理论（mental logic theory）[12]、以Evans[13]、Goel[14]为代表的双加工理论（dual-processing theory）。

1 资料与方法

1.1 研究对象 14名在校大学生作为有偿受试者参加了实验，其中男7名，女7名；平均年龄（23.4±1.3）岁，均为右利手，视力正常或矫正后正常。所有受试者均身心健康，并签署知情同意书。本研究经首都医科大学宣武医院伦理委员会批准。

1.2 实验设计 刺激材料为规则的几何图形，每个图形有2种特征（形状和条纹方向），每种特征5种取值：形状包括方形、圆形、三角形、十字形和五星形；条纹方向包括横纹（0°）、竖纹（90°）、撇纹（45°）、捺纹（135°）和网格。

表1 实验任务

整个实验任务可分为2步：①首先呈现的2个客体均有某种（X）属性，请受试者基于此归纳：具有什么特征的客体有X属性。②在受试者形成“具有某种特征的客体有X属性”这一概念后，呈现第三个客体，要求受试者判断其是否也有X属性。第一步是典型的归纳推理过程，结果已发表[10]；第二步是条件推理，是本文的研究对象。如图1所示，完成第一步后受试者已经形成“圆形的客体有X属性”这一概念后，给出第三个客体“是圆形”（即小前提为“客体是圆形的”，也即MP任务），受试者的任务是推断第三个客体有无X属性。

本研究共包括3种实验任务（表1）：MP、DA和基线任务（baseline，BS，即第一步归纳结果是“不确定什么样的物体具有X属性”），另外还有一种休息任务。根据给出的小前提（即第二步呈现的客体）是否与第一步归纳产生的大前提一致，分为MP推理或DA推理。本文以BS任务为控制任务，关注两种正向条件推理任务MP和DA的神经机制。

刺激呈现过程见图1。实验开始后，屏幕中央首先呈现“+”（2 s），然后呈现2个图形（4 s）。要求受试者观察这2个图形并进行概括，然后尽可能快地按键作答，此时屏幕上将出现4个选项，请选择正确答案并按键作答；当屏幕中出现一个新图形后，要求受试者判断新图形是否具有属性X，并尽可能快地按键作答。每个刺激任务最后的6 s用于让受试者休息，使BOLD信号回到基线水平。对于休息任务，要求受试者尽量休息，并相应地随机按键即可。

本实验共包括150个任务，其中50个MP任务，50个DA任务，25个BS任务和25个休息任务。在休息任务时，受试者只需注视屏幕中央的“+”提示符，该任务不用于数据分析，目的是让受试者休息，以免其过于疲劳。每个分段（session）包括30个任务，每个分段扫描时间11 min 10 s。所有任务伪随机地分布在5个分段中呈现，整个实验任务的扫描时间为55 min 50 s。实验过程中出现的图形形状和条纹方向都做了平衡。按键在受试者间进行平衡。

图1 刺激呈现过程

1.3 fMRI扫描 功能像在3.0 T全身MRI仪（Siemens Magnetom Trio Tim）上获得。应用8通道相控阵头线圈，有专用的衬垫用来固定头部防止头动。全脑功能像由T2*加权单次激发梯度回波的EPI序列获得，扫描参数：TR 2000 ms，TE 30 ms，翻转角 90°，视野240 mm×240 mm，矩阵64×64，轴位30层，层厚4 mm，体素大小3.75 mm×3.75 mm×4.0 mm。3D像扫描参数：TR 1600 ms，TE 2.17 ms，翻转角9°，矩阵256×224，矢状位扫描，176层，层厚1 mm，层间隔0.5 mm，体素大小1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm。通过Presentation软件程序（http://nbs.neuro-bs.com）控制每个试次的呈现与扫描同步。

1.4 数据预处理 fMRI数据采用SPM5（http://www.fil. ion.ucl.ac.uk/spm）进行分析。首先，删除每一个分段中的前2幅图像。数据预处理包括层面时间配准、运动校正、空间标准和高斯平滑。采用半高全宽为8.0 mm。所有受试者头部三维平移未超过2.0 mm、三维旋转未超过2°，因而所有受试者均用于fMRI数据分析。

1.5 统计学方法 行为数据分析采用SPSS 19.0软件，分别对MP、DA和BS 3种任务的反应时和正确率进行方差分析，两两比较采用LSD法，P＜0.05表示差异有统计学意义。对于fMRI数据，采用单样本t检验对每个受试者定义4种对比，包括MP比BS、DA比BS、MP比DA、DA比MP，然后对所有受试者进行组分析。fMRI结果以P＜0.001（非矫正）、激活区≥10个相邻体素为激活标准。

2 结果

2.1 行为数据 采用方差分析对反应时和正确率进行分析，见图2。对于反应时，条件主效应显著（F=9.12，P＜0.001）。两两比较结果显示，MP、DA的平均反应时均显著慢于BS，差异有统计学意义（P＜0.001）；MP与DA比较不显著，差异无统计学意义（P＞0.05）。对于正确率，条件主效应不显著，差异无统计学意义（P＞0.05）。

2.2 fMRI分析结果 MP推理（MP比BS）主要激活了左侧额下回（BA 9）、左侧额中回（BA 46）、左侧中央后回（BA 1/5）及左侧顶下小叶（BA 40）。DA推理（DA与BS）主要激活了左侧额下回（BA 9/45）、左侧额中回（BA 46）、双侧中央后回（BA 3）、双侧顶下小叶（BA 40）及左侧脑岛。见图3。

与DA相比，MP推理更强地激活了双侧尾状核。与MP相比，DA推理更强地激活了左侧额下回（BA 9）、右侧顶下小叶（BA 40）、右侧颞中回（BA 20）、双侧梭状回（BA 37）、左侧舌回（BA 18/17）、左侧扣带回（BA 32）及左侧楔叶（BA 17）。见表2、图3。

图2 MP、DA及BS 3种任务的反应时和正确率

表2 推理激活脑区

图3 fMRI激活结果。与BS相比，MP（第一行）和DA（第二行）均显著激活了左侧额下回（BA 9）和顶下小叶（BA 40）；MP比DA更多地激活了双侧尾核（第三行）；DA与MP相比，更多地调用了双侧额、顶、枕区域及扣带回（第四行）

3 讨论

本研究采用fMRI研究了两种正向条件推理的认知神经基础，结果表明MP和DA共同激活了左侧额-顶区域，但两者也存在显著差异。与尾状核参与规则应用有关的认知过程[15-16]一致，双侧尾状核的激活在MP推理中显著强于DA推理，这可能是因为与DA相比，MP推理主要是对大前提（如果P那么Q）的规则应用。DA推理具有更大范围的激活则可能反映了DA比MP需要更多的认知资源。从心理模型的观点出发，DA推理至少需要建构2个心理模型，显然需要更多的工作记忆资源，因而激活了更多的额顶脑区。另外，左侧扣带回在DA推理中被显著激活，这与扣带回负责冲突监控[17]一致，这是因为给出大前提“如果P，那么Q”后，受试者会很自然地期待出现“P”的小前提，当DA推理给出“Not P”的小前提时，“冲突”出现，扣带回被激活。

一方面，MP推理和DA推理的激活均呈现左脑偏侧化，这与心理模型理论不相符；另一方面，MP推理未发现颞叶的激活，这与心理逻辑理论不一致。因此，单一的心理模型理论或心理逻辑理论均不能很好地解释实验结果。本研究中，MP及DA推理与视空间加工相关的脑区激活与双加工理论相吻合[14]，即抽象条件推理激活额-顶系统。但由于本文未设计具体内容条件推理，故无法直接对双加工理论进行检验。

与本研究不同，在Noveck等[1]的研究中，MP推理与基线任务相比未发现额叶显著激活；且DA推理与基线相比未发现激活脑区。这种差异的原因可能是：在Noveck等[1]的研究中，由于DA推理任务的平均正确率较低，因而用于统计分析的有效任务数目过少（平均6个），而本研究中有效任务平均为44个。在Noveck等[1]的研究中，并未直接进行对MP与DA推理的比较。利用事件相关电位技术，Qiu等[2]的研究发现，同为正向推理的MP和DA推理，两者的早期ERP成分无显著差异。而本研究结果却发现MP与DA推理的脑区激活是可分离的，导致这一差别的原因可能是本文是“双条件句”[1]下的DA推理，而Qiu等[2]探讨的是答案为“不确定”的DA推理的脑机制。

总之，本研究发现两种正向条件推理既共同激活了左侧额-顶网络，又在另外一些脑区活动上呈现显著分离。这些结果有助于进一步深入理解人脑条件推理的认知神经机制，也有望为认知功能障碍患者推理能力的评估及康复治疗提供理论支持。

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（本文编辑 张春辉）

Neural Mechanisms of Forward Conditional Reasoning: A Functional MRI Study

Purpose Two kinds of forward conditional reasoning including modus ponens (MP) and denial of the antecedent (DA) are the most common deductive reasoning in daily life. The present study aimed to explore the difference between the two neural machanisms. Materials and Methods Three kinds of tasks including MP, DA, and baseline were administrated to 14 undergraduates [7 males and 7 females, mean age (23.4±1.3) years] by using functional magnetic resonance imaging (fMRI) technique. fMRI data was analyzed. Results The reaction times were significantly slower for MP and DA than that of BS (P＜0.001), while the effect was not significant for accuracy. In contrast to baseline, both MP and DA tasks activated the left inferior frontal cortex (BA 9), inferior parietal lobule (BA 40), and postcentral gyrus. Bilateral caudate significant activation was found in MP task when compared with DA, whereas the frontal, parietal, occipital lobe and anterior cingulate cortex were acivated more in the DA than in MP task. Conclusion Both forward conditional reasoning of MP and DA commonly activate the left frontoparietal cortex, while significant dissociations can be seen in the regions of caudate and bilateral frontal, parietal and occipital. These results firstly demonstrates the different neural mechanism underlying the two forward conditional reasoning, which might help to further uncover the brain mechanism of conditional reasoning.

Magnetic resonance imaging; Reasoning; Nerve net; Frontal lobe; Parietal lobe; Occipital lobe; Image processing, computer-assisted

10.3969/j.issn.1005-5185.2015.04.001

李坤成

Department of Radiology, Xuanwu Hospital, Capital Medical University, Beijing Key Lab of MRI and Brain Informatics, Beijing 100053, China

Address Correspondence to: LI Kuncheng

E-mail: cjr.likuncheng@vip.163.com

国家自然科学基金项目（61473196，61105118）；北京市科技新星项目（Z12111000250000）；认知神经科学与学习国家重点实验室开放课题项目（CNLZD1302）；十二五国家科技支撑计划项目课题项目（2012BAI10B04）。

R445.2

2014-09-13

修回日期：2015-02-10

中国医学影像学杂志

2015年 第23卷 第4期：241-244

Chinese Journal of Medical Imaging

2015 Volume 23(4): 241-244