上海话与普通话的脑功能成像研究

程 禹丁洋洋杨利霞朱 勇许永华张 政

作者单位：1 上海大学生命科学学院　2 中科院上海临床中心/上海市徐汇区中心医院　3 上海市南洋中学



上海话与普通话的脑功能成像研究

程 禹1，2丁洋洋3杨利霞2*朱 勇2许永华2张 政1，2

作者单位：1 上海大学生命科学学院2 中科院上海临床中心/上海市徐汇区中心医院3 上海市南洋中学

【摘要】目的：探讨青年人在受到上海话和普通话刺激时脑功能激活区的差异。方法：选取6名上海本地人、6名非上海本地人接受上海话或普通话双音节词发音听觉任务刺激，并用反馈键判断所听双音节词是否与实际词一致，所获得数据进行统计学分析。结果：上海本地人听普通话和上海话脑功能激活区域无统计学差异，而非上海本地人听普通话和上海话脑功能激活区有显著性差异（P＜0.001）。上海本地人与非上海本地人在听普通话和上海话时，双侧大脑的颞上回、额下回、额中回、顶内沟、枕叶、棱状回、中央前回和辅助运动皮质区均有激活。上海本地人听普通话时，双侧颞上回、枕叶激活较听上海话强，但听上海话时激活范围比听普通话时更大。非上海本地人在听普通话时辅助皮质区激活范围大于上海话刺激，听上海话时顶内沟有激活而听普通话时没有，且枕叶激活也比听普通话激活范围大。结论：上海话和普通话两种语言任务的脑区激活特点反映了不同语言者在接受不同语言刺激时具有相对独特的脑加工过程。

【关键词】上海话；普通话；脑功能成像

中国医学计算机成像杂志，2016，22：106-111

Chin Comput Med Imag，2016，22：106-111

1 School of Life Sciences， Shanghai University

2 Shanghai Clinical Research Center， Chinese Academy of Sciences / Shanghai Xuhui Central Hospital

3 Shanghai Nanyang Senior High School

Address： 966 Huaihai Middle Rd.， Shanghai 200031， P.R.C.

Address Correspondence to YANG Li-xia（E-mail： lxyang@scrc.ac.cn，15821551770）

血氧水平依赖性功能磁共振成像（blood oxygenation level dependent functional magnetic resonance imaging， BOLD-fMRI）技术的出现，使原本对语言活动抽象的研究得以用影像的方式显示，将语言认知与语言学习和临床医学结合起来，是脑功能磁共振成像的一个重要发展方向。本研究通过对6名上海本地青年和6名非上海本地青年志愿者进行语言刺激任务脑功能成像，旨在探讨青年在受到上海话和普通话语言刺激时脑功能激活区的差异，为双语语言的学习和认知提供一定价值的影像学依据，同时为医学临床指导神经外科术前确认语言相关皮层区及语言优势半球，使术后语言能力得以保留提供参考，另外有助于我们对失语症的恢复过程及机制和脑卒中后语言功能的损伤和恢复机制等疾病的深入研究提供科学的依据。

方 法

1.研究对象

本研究招募健康志愿者共12人，男女各6例，年龄18～28岁青年，智力正常（IQ＞ 85），右利手。分2组，一组为上海本地人，母语为上海话，能听能说上海话；另一组为非上海本地人，母语为普通话，不会说也听不懂上海话或只能听懂少部分上海话，且来上海时间不超过一年，两组性别和年龄基本相匹配。家族中没有癫痫或其他神经系统性疾病史。所有志愿者均为初试，此前从未参加过类似实验。本研究经我院伦理委员会审核通过，所有受试者在试验前均签署知情同意。

2.试验程序

试验前，首先向受试者讲明试验要求，然后在扫描室外的电脑上进行模拟练习使受试者熟悉试验的流程（约5min）。练习完成后将志愿者送入扫描室，强调试验过程中保持头部静止不动，受试者佩戴磁共振专用近视眼镜，使用海绵垫固定头部，使用橡皮耳塞和耳机降低噪声。在受试者熟悉扫描室内环境后开始正式试验，练习中使用过的词汇在正式试验中不再使用。试验过程中要求受试者对听到的词汇做出判断，通过光纤按键进行反馈，同时持续观察受试者是否集中注意力。

3.试验设计

语言听力刺激方案由影像医学专家、语言教育学家、磁共振技术专家合作设计，经反复预试验找到最佳刺激方案时间间隔。为了减少受试者的期待效应，本研究采用事件相关的设计模式，静息相（不给予语言听力任务）与刺激相（给予语言听力任务）交替，刺激相为双字词汇音频女声，播放两遍，时间3秒，判断1秒；静息相采用随机播放方式，时间为2、4、6、8、10秒，平均6秒。

刺激任务采用快速事件相关设计，让志愿者听上海话或普通话双音节词发音，每个词语播放两次，紧接呈现该词的汉字，并让受试者使用反馈键判断听到和看到的词汇是否一致，随后是一个间隔长度随机的注视点。上海话和普通话双音节词各25个，随机播放，刺激间时间间隔（inter-stimulus interval， ISI）随机取2、4、6、8、10秒，平均6秒，播放长度随机。为了使磁共振信号达到稳态，即减少实验指导语等因素对受试者的影响，在刺激正式开始前加扫12秒，受试者要求注视屏幕上红色的注视点，刺激任务总时间512秒。单个TRAIL流程如图1所示。

4.数据采集

采用德国Siemens Verio Tim 3.0T超导MR扫描仪和标准12通道正交头线圈，仰卧位。先行自旋回波（SE）脉冲序列矢状位定位像扫描，之后使用MPRAGE序列沿矢状位采集全脑高分辨率薄层T1加权结构像，TR=2530ms，TE=2.34ms，TI=1100ms，FA=7°，层厚1mm，共192层，FOV=224×256 平面分辨率1mm×1mm，扫描时间340秒，用于后续的三维重建与空间标准化。功能像使用梯度回波EPI序列，方向沿前-后连合方向进行斜横断位扫描，TR=2000ms，TE=30ms，FA=90°，FOV=224×224，扫描矩阵64×64，从下向上隔层扫描31层，层厚3.5mm，层间隔0.875mm，256个时间点，扫描时间518秒。为了减少EPI图像的变形，在功能像扫描前，扫描一个场图序列，其中扫描方向、层数、层间隔、层厚，均与功能像相同，TR为400ms，两个不同的TE分别为7.38ms和4.92ms。刺激程序投放和被试按键反应使用SA9900脑功能视听觉刺激系统（深圳美德）完成。

5.数据分析

fMRI数据处理采用目前国际流行的统计参数图软件SPM8（Statistical Parametric Mapping，http：//www.fil.ion.ucl.ac.uk/ spm/）。对原始的DICOM图像进行分类并转换成SPM能识别的NIFTI格式。数据处理前先对所有数据进行方位调整，即将大脑的空间方位调整到与标准脑模板方位一致，前连合中心设为坐标原点，前后连合连线方向作为Y方向，在正中矢面过前连合AC点并垂直于Y轴的直线作为Z轴，过AC点并同时垂直于Y轴和Z轴的直线作为X轴。数据处理包括基于场图序列的变形场计算、EPI图像变形校正与头动对齐、高分辨结构像与平均功能像配准、对配准后的高分辨结构像进行灰质、白质和脑脊液分割，为了减少西方人脑模板对中国人脑数据配准的影响，分割过程中使用基于200名中国健康志愿者头部数据制作的中国人脑组织概率图，使用分割过程中产生的标准化参数将所有对齐后的功能像标准化到中国人脑空间（门卫伟，中西方人脑形态学研究与大样本中国人脑模板构建，中国知网博士论文），标准化后的体素大小为3mm×3mm×3mm ，对标准化后的功能像进行空间平滑，平滑核大小为［8 8 8］mm。所有被试头动平动小于1.58mm，转动小于1°。统计分析：对所有平滑后的功能像进行统计分析，将头动对齐过程中产生的六个维度的头动参数作为协变量，高通滤波采用128s以去除慢信号漂移。组分析采用组内单样本t检验或配对t检验，组间采用双样本t检验。统计值P＜0.05（AlphaSim校正），t ＞2.2，簇大于15个体素认为有统计学差异。

结 果

上海本地人和非上海本地人听普通话的正确率分别为85.33%和77.33% （P=0.272），听上海话的正确率分别为92.00%和19.33%（P＜0.001），上海人听普通话和上海话无统计学差异（P=0.311），非上海本地人听普通话和上海话有显著性统计学差异（P＜0.001）（见图2）。

上海本地人与非上海本地人在听普通话和上海话时，双侧大脑的颞上回、额下回、额中回、顶内沟、枕叶、棱状回、中央前回和辅助运动皮质区均有激活（见图3）。非上海本地人在听普通话时辅助皮层区激活大于听上海话时，听上海话时顶内沟有激活而听普通话时没有激活，枕叶激活范围也比听普通话时大（见图4）。上海本地人听普通话时，左右侧颞上回、枕叶激活强度较听上海话时强，但听上海话时脑功能激活范围比听普通话时更大（见图5）。

图1 单个TRAIL流程图。先播放两遍双音节词语音，然后显示该双字词组，最后是时间长度随机的注视点。

图2 上海本地人与非上海本地人听普通话与上海话行为学结果正确率比较。

图3 上海本地人与非上海本地人听普通话与上海话时的大脑激活区域图，P＜0.05，Alphasim校正，簇大于15个体素。

图4 非上海本地人听普通话与上海话脑功能激活区差别比较，其中红色表示听普通话激活范围大于听上海话，绿色表示听上海话激活范围大于听普通话，P＜0.05，AlphaSim校正，簇大于15个体素。

图5 上海本地人听普通话与上海话脑功能激活区差别比较，其中红色表示听普通话激活区范围大于听上海话，黄绿色表示听上海话激活区范围大于听普通话，P＜0.05，AlphaSim校正，簇大于15个体素。

讨 论

语言是人类区别于其他动物所特有的一种高级大脑皮质活动，语言功能的损伤将会严重影响人们的生活质量，因此研究人类脑语言功能区的定位对我们认识脑语言活动具有重要意义。各领域的研究人员也都曾尝试着从不同层面、不同水平进行深入研究，希望能够揭示这个复杂的活动过程［1-2］。本研究上海话和普通话双音节词发音听觉任务刺激方案由医学影像、语言教育、磁共振技术等专家共同合作设计，经过反复试验确定最佳刺激方案时间间隔。为了让受试者能在磁共振的噪声环境中听清和看清双音节词语，我们采用了独立通道的磁共振专用耳机，并尽量在预实验中让受试者看见及听清语言刺激任务，并合理接受磁共振噪声的平衡；对于近视的受试者佩戴磁共振专用近视眼镜；试验中为了减少受试者的期待效应对实验数据的影响，研究采用事件相关的设计，即静息相与刺激相交替，刺激相播放两遍双字词汇音频3秒，判断1秒，静息相采用随机播放时间间隔；在正式开始前加扫了12秒，让整体刺激信号达到稳态以降低实验指导语等因素对受试者的影响。从本研究所给上海话和普通话双音节词听觉刺激语言任务的分析结果来看，90%以上的受试者激活的脑区具有一致性，共同的激活区主要为双侧大脑的颞上回、额下回、额中回、顶内沟、枕叶、棱状回、中央前回和辅助运动皮层区，这与国内外的研究结果基本相符［3-4］，表明上述语言任务的BOLD-fMRI成像技术结果可重复性较好，因此该刺激任务用于语言研究具有一定的特异性和可靠性。

在临床工作中发现，有些由于脑损伤而患失语症的人，如果他在脑损伤前掌握两种以上的语言，他的失语只发生在某种语言上，而不是全部语言功能都丧失。另外，在失语症病人的语言恢复中，也发现不同语言的恢复进程也不一样。这是否意味着学习和加工第一语言和第二语言的大脑区域有所不同？ 以上问题促使国内外学者使用BOLD-fMRI成像技术对双语者语言皮质区进行深入研究，并取得相当的成就。但诸多的研究结果并非一致，这种差异性，一方面说明人类语言本身的高度复杂性，另一方面也对今后利用BOLD-fMRI成像技术进行语言研究提出新的挑战［5-6］。

BOLD-fMRI成像技术不仅能直接显示脑功能激活区的部位、大小和范围，而且可直接显示激活区所在确切位置，图像空间分辨率高，重复性好，并且无离子辐射，从而成为研究大脑认识思维活动的强有力的工具，为我们研究语言提供了一种新途径［7-8］。国内外的大量基础及临床研究表明，BOLD-fMRI在对语言脑区特异性加工及功能定位中具有较高的敏感性及稳定性［9-10］。本课题组［11］曾对健康汉族受试者进行汉语单字联想任务视觉刺激BOLD-fMRI研究时，发现受试者左侧额中回、额下回、颞中回皮质、顶上下小叶、双侧视觉系统和小脑得到显著的激活。陈学志［12］等的研究发现，相较于单汉语受试者，蒙汉双语者双侧枕叶、扣带回后部、左侧颞中回、颞上回后部具有明显的激活。王云玲等［13］的研究则显示相比于单语种受试者，多种语言的脑功能处理过程中，第二或第三种语言需要更多的脑功能区参与，且通常脑功能激活区强度也大于母语。Branzi等［14］研究则显示，双语者在进行语言的选择和控制中，额叶和左侧顶下小叶激活区起重要作用。

据报道［15］随任务难度增加，刺激的强度通常也随之加大，相应脑功能区的激活进一步增强，这种增强既可以表现在激活范围上，也可以表现在信号强度上。在本研究中，上海本地人在听上海话时大脑激活范围要大于听普通话时的大脑激活。非上海本地人在听普通话时辅助皮质区激活大于听上海话时，听上海话时顶内沟有激活而听普通话时没有激活，枕叶激活也比听普通话激活范围大。表明顶内沟可能是上海话特有的激活区域。上海本地人听普通话时，左右侧颞上回、枕叶激活较听上海话激活强，但在听上海话激活范围比普通话激活更大。原因可能因为对于上海话和普通话都能听懂的人来说，需要去辨别，而非上海本地人由于不懂上海话就会放弃进行辨别，所以听上海话大脑激活范围会更小。

近年，磁共振脑功能的研究越来越多，但其中大部分内容与临床医学影像学无直接关系。尽管BOLD-fMRI成像技术已在神经外科手术方案制定等方面得到初步应用，使之广泛应用于临床，还需进行探索性临床前研究。基于此，本研究所开发的上海话和普通话双音节词发音听觉刺激任务显示语言功能区，设计简单操作方便，可以将此听力语言刺激任务应用于神经外科手术前语言功能区的解剖定位，帮助设计合理手术入路，保证在完整切除病灶的前提下，尽可能避免手术对重要特殊语言功能区的损伤，尤其对于上海话人群，更值得临床推广应用。

参 考 文 献

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［3］王云玲，贾琳，汤伟军，等.维吾尔族维-英双语者功能磁共振成像研究.中国医学计算机成像杂志，2011，17:498-501

［4］冯燕韻，黄飚.语言功能磁共振成像任务设计的研究进展.国际医学放射学杂志，2011，34:28-32，40

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［12］陈学志，王晓怡，赵 澄，等.蒙汉双语者与单汉语者语义加工差异脑机制的功能磁共振成像研究.医学影像学杂志，2013，23:1635-1638，1648

［13］王云玲，贾 琳，汤伟军.多语种者脑语言活动去的功能磁共振成像研究.临床放射学杂志，2012，31:321-325

［14］Branzi FM，Della Rosa PA，Canini M，et al.Language control in bilinguals:monitoring and response selection.Cereb Cortex，2015，1:1-14

［15］Shimada K，Hirotani M，Yokokawa H，et al. Fluency-dependent cortical activation associated with speech production and comprehension in second language learners.Neuroscience，2015，6:474-492

Study of Shanghai Dialect and Mandarin Stimulation in Young People by Brain Functional Imaging

CHENG Yu1，2， DING Yang-yang3，YANG Li-xia2*， ZHU Yong2，XU Yong-hua2， ZHANG Zheng1，2

【Abstract】Purpose: To explore the differences of brain functional activated regions in youth when listening Shanghai dialect and mandarin. Methods: Twelve healthy volunteers （6 Shanghai natives and 6 non-Shanghai natives） who were subjected to disyllable pronunciation hearing stimulation task of Shanghai dialect and mandarin were enrolled. The consistence of the disyllable pronunciation heard by volunteers and the actual words was judged by pressing the feedback buttons. The obtained data were statistically analyzed. Results: There was no difference of activated regions between listening to Shanghai dialect and mandarin in Shanghai natives； there were significant differences of activated regions between listening to Shanghai dialect and mandarin in non-Shanghai natives （P＜0.001）. Bilateral superior temporal gyrus， inferior frontal gyrus， middle frontal gyrus， intraparietal sulcus， occipital lobe，fusiform gyrus， anterior central gyrus and auxiliary motor cortex area of the brain were activated when stimulated by Shanghai dialect and mandarin in both Shanghai natives and non-Shanghai natives. The activation of bilateral superior temporal gyrus and occipital lobe stimulated by mandarin was stronger than that by listening to Shanghai dialect in Shanghai natives， but the range was greater when listening to Shanghai dialect. The activated regions of auxiliary cortex stimulated by mandarin was greater than that by Shanghai dialect in non-Shanghai natives； the intraparietalbook=12,ebook=12sulcus was activated with respect to listening to Shanghai dialect in non-Shanghai natives instead of listening to mandarin， furthermore， the activated regions of occipital lobe were greater in comparison with listening to mandarin. Conclusion: The activation characteristics of Shanghai dialect and mandarin languages task reflected that the differentlanguage-speaking youth showed a relatively unique brain processing procedure stimulated by different languages..

【Key words】Shanghai dialect； Mandarin； Brain function imaging

收稿时间：（2015.10.20；修回时间：2015.11.19）

通信作者：杨利霞（电子邮箱：E-mail：lxyang@scrc.ac.cn，15821551770 ）

通信地址：上海市淮海中路966号，上海 200031

中图分类号：R814.42

文献标志码：A

文章编号：1006-5741（2016）-02-0106-06