功能性磁共振技术及其在语言理解中的应用

2016-03-28吴军，李莹

赤峰学院学报·自然科学版 2016年13期

关键词：脑区双语磁共振

吴　军，李　莹

（郑州大学　教育系，河南　郑州　450001）

功能性磁共振技术及其在语言理解中的应用

吴军，李莹

（郑州大学教育系，河南郑州450001）

本文从语言心理学的角度出发介绍了功能性磁共振成像技术（fMRI）.从fMRI技术成像原理，fMRI技术的优缺点以及fMRI技术在语言理解中的应用做出了较为全面的阐述，并展望了其发展前景.

fMRI；语言理解；认知

功能性磁共振成像技术（fMRI）使得在认知任务过程中大脑的活动情况被直观、形象地观测到，并以其高空间分辨率和精确度被认知神经研究学者广泛青睐，由此推动了神经认知科学的发展.近年来，在语言理解方面的研究日渐成熟，因此本文将对fMRI的成像原理及其在语言理解中的应用进行阐述，并做出进一步的展望.

1　fMRI技术成像原理

功能性磁共振成像技术是通过一定的刺激使大脑皮质各功能区在磁共振设备上成像的方法. fMRI是一种有效的定位人脑各部位功能的方法，它通过采集解剖、影像和功能三方面的因素，以及人体的生物物理变化所采集到的人体组织结构图像进行功能.利用功能性磁共振成像技（fMRI）考察人们的认知加工过程一个重要的前提是，当人处于不同的功能状态时人的大脑各个区域的参与部位是不同的.fMRI是在磁共振成像（MRI）基础上发展起来的.人体中含有的氢原子核是具有磁性的自旋体系，当处于一个外加的均匀磁场时就会产生一定的磁性运动，当从外部得到一定频率的射频脉冲时，磁能级之间就会发生共振即称为核磁共振.由于人体中不同组织具有不同的氢核密度，在产生磁共振时的运动时间有差异，因此就可利用这些参数获得体内组织的静态结构图像，从而形成传统的MRI［1］.

从时空分辩率、无侵入性和实用性等方面考虑，目前应用最广泛的成像技术是BOLD效应fMRI，也就是通常人们所了解的fMRI，也是狭义上的fMRI，即功能活动（task activation）MRI，认知研究中普遍所采用的功能性磁共振成像最基本的成像原理也是相同的，但相比传统磁共振成像只能获得静态图像，功能磁共振的最大优点在于可以追踪到大脑神经活动的动态变化.

2　fMRI技术的优缺点

脑功能磁共振成像技术与早期同样是利用大脑生物组织变化成像的PET和SPECT技术相比的明显优点是无创性、不需要注射对比剂，并且具有很高的空间分辨率和精确度，且可对个体不同状态进行统计学处理.而PET和SPECT常需要对群体的不同状态进行统计.虽然与ERP在时间上的高精确性相比，fMRI技术的时间精确度只能达到几秒，但其空间定位的精细度则非常高，能够探测到大脑约3-4mm3体素的激活变化.因此，脑功能磁共振成像技术一经出现便迅速在各种认知科学领域得到广泛的应用.最重要的是，脑功能性磁共振成像能够直观、形象地观测认知任务过程中大脑活动情况，为人们直接观察和分析人脑功能活动提供了较直观的手段［2］.fMRI的不足之处除了在时间分辨率上低于脑电图和脑磁图外，它的系统造价高，扫描过程中产生的巨大噪音妨碍了它在听觉研究上的应用，且它的实验环境不适于幽闭恐怖症患者.

3　fMRI技术在语言理解中的发现

作为一种将形态与功能结合的手段，fMRI主要用于确定语言活动过程中人脑皮层中枢的精确定位.研究普遍发现，右利手者及大部分左利手者语言区均在左侧半球区即大脑左半球是语言理解的优势半球，尤其是左半球额叶、颞叶及丘脑内囊区，并且无性别差异.并且在语言加工的不同阶段如语音和语义、句法和句义以及语调和语气既有共同的脑区激活模式，也有其独特性.额叶主要与运动性语言有关，颞叶和顶叶则与感觉性语言有关.其中听感觉语言区中枢位于颞上回BA21和BA22区后部，运动性语言中枢则位于BA44和BA45区.书写语言中枢位于大脑左半球颞叶颞上回处，阅读语言中枢位于角回.除此之外，梭状回（BA37）、舌回、辅助运动区等在语言加工中也往往会有激活.这些相关区域几乎在各种语言形式下都得到了重复验证，并不随语种和言语水平而改变.由于汉语具有许多与西方拼音文字不同的特点，汉语加工和表征的fMRI研究也引起了相当关注［1、2］.本文从以下三方面来阐述fMRI在语言理解中的研究发现:

汉语的加工与西方文字的加工有显著的差异，原因在于汉语是一种象形表意文字，图形特征比较明显，因此其突出不同表现在形、音、义三个方面.彭聃龄等研究了汉语字词加工时相应激活的脑区域，发现语音任务激活了右侧枕下回、左侧枕中回、左侧顶叶下部和颞上回，以及中央前回，而语义任务激活区域有所不同，分别是有左侧顶下小叶和左侧颞上回，左侧额下回、右侧额中回和额上回，以及左侧额中回［3］.该结论表示，在加工语义任务的同时，语音的相关脑区被激活，而在加工语音任务的同时，语义加工相关的脑区域并没有被激活.

黎元等采用功能性磁共振成像技术对有意义的汉字词组加工的任务进行了脑区域激活的定位辨研究.阅读和识别加工汉语字词时，左侧额上回（BA6）、左侧颞中回、左脑岛（BA47）和左侧岛叶（BA32）、右侧扣带回（BA32）、右侧额中回、两侧丘脑（BA18）、两侧额下回（BA44）和两侧顶上、下回这些脑区都有激活，但激活的程度都不同.并且发现，在汉语字词的识别分辨任务中，有多个皮层脑区和脑区的皮层结构的激活［4］.

郝晶等使用ERP和fMRI两项技术来研究语义判断任务的大脑认知神经机制，在时间精度上和空间精度上都达到了良好的控制.结果表示，语义选择的相关脑区包括左侧额上回（BA6区）、右侧扣带回、左侧额中回（BA9区）、双侧运动区和运动前区、左侧顶下小叶，负责语义判断抑制功能的脑区主要有右侧额中回和左侧额下回.并且随着任务难度的不同，激活区域也相应的发生变化，任务难度越大，前扣带回被激活的程度越大，而且由原来的右半球激活为主转换到了左半球激活为主［5］.

伍建林等对汉语字形和英文字形加工的不同进行了研究，发现在识别不同字形的过程中，不同的大脑区域被激活.对没有意义的汉字和英文假字的加工只引起少量脑区域的激活.有意义的汉字真字刺激在左额叶、中央前回（BA6）及枕叶（BA18）显著激活，左顶叶、中央后回（BA3）、右额下回（BA9）及双侧颞叶少量激活.有意义的英文真字刺激时左额中回、中央前回、左额下回显著激活，左颞梭状回（BA37）、右枕语言回（BA18）及左顶叶（BA40）也有激活.并且在两种语言文字加工的时候，都是左半球的激活程度明显大于右半球；两种语言加工的激活部分也有所差异，汉字的加工在枕叶上的激活区域较英文大，而英文则是在额、颞及顶叶的激活较汉字加工激活的体积大.因此，得出的结果是，汉英两种语言加工的激活半球都是左半球，验证了左半球是语言加工的优势区.并且发现，如果被试是第一语言为汉语的双语者，在其加工第二语言英文的时候，会调动更多的脑区来共同完成语言的加工［6］.

3.2句子理解的功能性磁共振成像

句子理解是比较复杂的任务，包括了两方面的内容:一方面是特定的加工语言的部分，另一个方面储存在长时记忆中的较为普遍的认知资源.大部分的前人研究表示，语言中枢主要位于人脑的左半球，右脑只是部分语言功能的载体.Timothy发现.句子加工中，不单是一个理解过程，也不单是一个脑区在活动，而是多对多的关系，多个过程相对应会多个脑区活动.

Fumitaka等表示，句子加工中的语义信息的选择和整合是由两个部分参与完成的，分别包括左下前额皮质三角部和眶额部［8］.Jonathan有两个发现，一是左侧下额皮质会有所活动，在被试阅读句子语法复杂的宾语从句时；而二是前扣带回和前运动皮质这样额区被激活的情况一般是句子被快速呈现的时候，这时与语法是否复杂并无关系［10］.显示了人们在加工语音时，大量神经网络会发生分离，分别支持句法复杂的加工和以快速呈现的言语.正常被试的语言感受和表达区同时被激活.

若一国的文化影响力处于中等水平，它在开展文化外交时具备一定的实力基础，但又不得不面对来自中国的文化逆差。当它对中国文化传播持有敏感警惕或谨慎平衡的态度时，只能运用自身的文化影响力进行部分反制，从而形成有限合作的行为；当它对中国文化传播持有接触交流或欢迎接纳的态度时，出于维护自身文化主权的考虑，也同样倾向于采取有限合作的行为。

国内研究者也对汉语句子理解的脑成像进行了大量研究，并从不同角度获取了各种有价值的研究结果.高原对使动句的研究发现，显性使动句对比隐性使动句的激活脑区有:右中央前回，右颞下回，前扣带回.其中前扣带回与语义加工相关，而隐性使动句对比显性使动句激活的脑区有:左额叶下回，左额叶中回，左额叶上回，左侧下顶叶，前扣带回，左楔前叶，左后顶叶，右额叶中回、右额叶下回以及右后顶叶.苏得权对中国成语的fMRI研究得出，有两种不同的神经活动在汉语的成语的加工过程中.

3.3双语的功能成像研究

双语研究中，支持独立表征理论的学者一般是以脑损伤的病人为被试来进行研究的.Ku等人在对一位汉语为母语，英语为外语的双语的继发性失语症病人进行研究的过程中发现，在不同的脑区分别存储着不同语言的功能［8］.即在加工两种语言的时候，分别激活着不同的脑区.来自Moretti等对尾状核梗塞的脑损伤的病人进行研究，病人掌握的两门语言是克罗地亚语和意大利语，结果表明:该病人的母语和第二语言的控制结构是有所不同的.控制母语的结构更多的是皮下结构，而该结构是内隐记忆的部位，控制外显记忆的大脑皮层是控制第二语言的主要部位［9］.更为特殊的一个例子是Leker等人所做的，对一名希伯来语-英语的患者的研究.结果表示，语言神经结构不仅仅存在于左半脑，在另一侧半脑也部分存在并且是相对独立的系统，不同的阅读方式中会起到较为主要的作用［10］.

支持重叠理论的学者一般是对正常人进行的研究，他们普遍得出的结论是，两种语言表征的脑区是有重合部位的.Illes等对英语-西班牙语者在阅读有意义的语句和无意义语句时fMRI的成像，得出结论，两个半脑的前额叶均为在语义加工时激活程度比非语义加工时更强烈；并且英语和西班牙语加工时的激活区域并无差异.因此，英语-西班牙语者对这两种语言的加工过程被共同的神经系统控制［12］.

Kim等在句子加工任务中，研究了早期双语者和晚期双语者的差异.普遍认为，早期双语者是在婴儿期就开始接触第二语言的双语者，晚期双语者是在开始学习语言时才开始接触第二语言的双语者.结果发现，早期双语者的两种语言的激活区域是一致的，晚期双语者的第一语言和第二语言的加工分别激活了布洛卡区相邻的两个区域［13］.

4　总结与展望

功能性核磁共振技术在医学、心理学、语言学等各学科都得到了充分的利用与研究，推动了脑认知科学的进步与发展.近些年来，随着我国对认知神经研究的重视，各科研机构得以引进核磁共振技术，这对推动认知神经科学的发展以及核磁共振成像技术的进步起到了重要的作用，使得我国在语言理解方面也做出很大贡献.随着这项技术的不断改进，其在心理学各领域的研究将会不断加深，应用范围也将会不断扩大，核磁共振技术将会给脑认知科学研究带来更大的价值.

〔1〕陈冲，高晓平.功能性磁共振成像技术在脑卒中患者功能康复中的应用.中国康复医学杂志，2009，24（12）：1149-1151.

〔2〕唐一源，张武田，马林.默读汉字词的脑功能偏侧化成像研究.心理学报，2002，34（4）：333-337.

〔3〕彭聃龄，等.汉语信息加工及其认知神经机制的研究.当代语言学，2004，6（4）：302-320.

〔4〕黎元，冯晓源，汤伟军，沈天真，蒋胜洪.汉字词组语义辨别脑功能区定位的fMRI研究.中国CT 和MRI杂志，2004，2（2）：1-4.

〔5〕郝晶，李坤成.脑功能磁共振成像的研究进展.中国医学影像技术，2002，18（11）：1195-1197.

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〔7〕余毅震，史俊霞，吴汉荣.功能性磁共振成像在高级认知功能研究中的应用.中国社会医学杂志，2006，23（3）：153-156.

〔8〕Ku A，Lachmann E A，Nagler W.Selective Language Aphasia from Herpes Simplex Encephalitis.Pediatric Neurology，1996，15：169-171.

〔9〕Moretti R，Bava A，Torre P，etal.Bilingual Aphasia and Subcortical cortical Lesions.Perceptual and Motor Skills，2001，92：803-814.

〔10〕Leker R R，Biran I.Unidirectional Dyslexia in aPolyglot.JournalofNeurologicalNeurosurgery of Psychiatry，1999，66：517-519.

〔11〕苏得权，钟元，曾红.叶浩生汉语动作成语语义理解激活脑区及其具身效应：来自fMRI的证据.心理学报，2013，45（11）：1187-1199.

〔12〕Illes J，Franceis W S，Desmond J E，etal.Convergent Cortical Representation of Semantic Processing in Billinguals.Brain andLanguage，1999，70：347-363.