功能磁共振成像在人脑语言中的研究进展

马来阳，刘光耀，张鹏飞，王俊，马玉荣，邹婕，张静

人类语言习得是一个极其复杂的过程，涉及多种运动、感觉和认知领域[1]。在工作及生活中需要并使用两种或两种以上语言的人，称双语者或多语者。人脑语言的加工处理机制，尤其多种语言系统是如何共存并协同工作的，引起了科学家们的广泛关注。功能磁共振成像(f unct ional magnetic resonance imaging，f MRI)技术先进，可以无创地观察正常人脑的功能，并已获得很多有价值的发现。利用f MRI技术探索双语、多语等的发生机制以及语言与脑内在神经相关网络之间关系是目前的研究热点。本文就f MRI在人脑语言方面的研究现状作一综述。

1 人脑语言研究简介

人类语言包括表达、理解、阅读、书写等功能，不同功能在大脑中分布不同。最早证明语言的脑功能定位研究来自于Br oca对失语症患者的尸体解剖[2]。他发现语言功能主要集中在左半球，且语言的某些方面与特定的脑皮层部位相联系。随后，Carl Wer nicke提出了关于大脑语言功能的第一个理论[2]，即语言的高级功能是分离的，信息从大脑的一个区域传递到另一个区域。Geschwind[3]认为脑语言功能需要多个脑区相互配合完成，而Lur ia[4]则联合认知科学、神经科学等，进一步阐述了脑语言功能与大脑皮层的神经网络有关。

近年来，随着科学技术的迅速发展，研究大脑语言功能的技术也日渐广泛，如开颅手术过程中对大脑进行直接的刺激；脑磁图(megnat oencephal ogr aphy，MEG)在脑语言功能区的定位研究；正电子发射断层扫描(posit ron emission t omogr aphy，PET)对被试进行言语思维的脑机制研究等，扩充了对语言功能研究的认识。f MRI具有较高的空间分辨率，适用于各种复杂的心理实验范式，运用成像技术和图像处理方法，可以将脑的活动以直观的图像形式表达出来，并已在人脑语言相关研究中获得很多有价值的发现。

2 功能磁共振在人脑语言中的研究进展

2.1 语言的脑功能区定位

利用f MRI高空间分辨率的特点，可以较准确地定位脑语言区。一些关于汉语和西方语言的研究表明，当大脑在处理语言时，不同的大脑区域会被激活。例如一项关于英语和字母语言系统的研究表明[5]，在语义处理过程中，左侧额下回是最重要且相对持续激活的区域；而在处理语音加工时，颞上回会显著激活[6]。Tan等[7]的研究结果表明，左侧顶后回和额中回是汉语语音处理的脑区。也有研究表明，汉语语言认知任务的脑激活区有双侧额下回、双侧额中回、左中央前回及双侧小脑上部等区域[8-9]。有大量证据支持语言学习涉及远超出经典语言中心的区域(Broca区域和Wernicke区域)，还包括小脑和基底神经节区域。Boot h等[10]研究表明小脑与左额下回和左外侧颞叶皮层相互连接，壳核与这两个脑区单向连接。此外，小脑与这些语音处理区域之间的联系强于壳核与这些区域之间的联系，这一结果表明壳核和小脑在语言处理中可能有不同的作用[11]。上述研究表明除了所有语言处理共享的神经活动之外，每种语言都拥有独特的皮质活动区。

2.2 语言偏侧指数的研究

Wer nicke-Licht heim-Geschwind(WLG)模型是描述脑语言的经典模型，其阐述了一个完全左侧化的语言系统，认为语言系统主要位于左侧外侧裂皮层，主要包括产生语言的Br oca区及理解和感知语言的Wer nicke区，区域间由弓状束连接[12]。随后有研究在WLG模型的基础上，更精确地阐述了语言的加工模型，认为语言产生、加工及阅读等功能区位于左脑；而语言功能区的联系反映了完整的语言加工过程如何通过脑区间的协作完成的[13]。

Cor bal l is等[14]研究发现在95%～99%的右利手和70%左右的左利手人群中，语言的产生均位于左侧大脑半球。随后有研究指出右侧大脑半球在语言发生中有激活区，但是右半球激活区较左半球激活区范围小[15]。例如，Vigneau等[16]在动词生成任务中发现右前额叶激活(额中回与额下回附近)，这可能与右侧大脑半球相应区域代偿有关；也有研究认为其可能是大脑在执行认知任务时产生的激活，与语言的产生无关[17]。综上，很多研究均发现左脑优势，说明言语的产生在群体层面具有很强的左侧化趋势。

长期以来，研究证据普遍支持左侧大脑半球在大多数右利手人群的语言处理中占主导地位，但越来越多的证据表明，右侧大脑半球在语言功能中起到不可或缺的作用，例如左侧大脑半球受损后，语言功能的恢复与右侧大脑半球脑区活动的增强相关[18]。而右侧大脑半球卒中后语言理解也会受到损害[19]。因此，在不同个体中，语言能力的功能偏侧可能并非是单一的，针对右脑语言功能机制的研究目前研究尚少，有待于进一步研究。

2.3 失语者脑功能区研究

临床上引起语言障碍的原因有很多，包括脑卒中、脑部占位性病变、脑炎、头部外伤等，其中以优势半球脑卒中引起的失语症最为常见[10]。经典的“病灶-缺损模型”的失语脑模型己沿用了100多年，但是该模型难以完全解释某些语言障碍出现的原因。Bal aev等[20]认为部分损伤可能通过破坏与基底神经节和丘脑连接的网络而影响语言功能。由于f MRI在构建脑网络中有其独特性和优势，已在脑血管病后失语症方面得到普遍应用。

Al l endor f er等[21]的研究证实，脑卒中患者言语的流畅度可能更多取决于优势半球的语言网络结构和功能的完整性。Rosen等[22]对左侧额下回梗死的患者行任务态f MRI检查研究失语可塑性的机制，结果显示右侧额下回的激活程度强于左侧额下回，但其激活程度与失语恢复之间无关联性，而左侧额下回明显激活的患者其失语的恢复较好，故Rosen认为左侧额叶梗死灶周围残存的语言功能区的激活对失语的康复更明显。Nardo等[18]对18例左侧大脑半球脑卒中后发生获得性失语症的患者行任务态f MRI，发现左侧大脑半球梗死后右侧大脑半球很快被激活，激活区涉及大量重叠的双侧额叶网络，包括右侧前岛叶、额下回和背侧前扣带回皮质，以及左侧运动前皮质。虽然目前已有大量研究发现，失语症患者在康复机制中可有不同脑区的激活，左脑病灶周围功能区的激活被认为是失语症恢复的关键，但右侧大脑半球语言同源区域的激活及其作用仍在激烈辩论中，尤其是右额叶皮质发挥的作用。因此，失语症患者语言恢复机制仍需进一步研究。

3 双语者及多语者的研究

3.1 双语者及多语者脑功能与结构方面的研究

在人脑中，多种语言系统是如何共存并协同工作的？Oj emann等[23]通过对皮层的直接刺激，发现某些脑区会分别对第一语言、第二语言(f ir st l anguage、second l anguage，L1、L2)或是两种语言都产生一定的干扰作用。该研究表明各种语言区并不完全重叠。此后，f MRI相关研究不断增多。如Tham等[24]的研究发现，汉-英双语者汉语(L1)的语音处理激活区在双侧额叶、右枕叶和左颞叶，而英语(L2)的激活区则位于双侧额顶叶。Il l es等[25]在一项英语-西班牙语的语义判断任务中发现两种语言都激活了左额下回和右额下回。因此，越来越多的证据表明不同语言的语音、语义和语法处理过程在大脑半球中占据不同的脑区，但彼此间存在重叠和功能联系。

Berken等[26]以额下回作为种子点，发现静息态下双语者的左右额下回之间，以及额下回和涉及语言控制的脑区(包括背外侧前额叶皮层、顶下小叶和小脑)之间有更强的功能连接。Liu等[27]运用静息状态f MRI及滑动窗口方法分析动态功能连通性，发现不同状态下早晚期双语者具有不同的聚类系数、局部和全局效率，表明双语习得年龄会影响语言网络的时间神经激活和动态拓扑特性。这些发现为了解双语习得经验对双语者语言网络的影响提供了新的信息。

此外，国内外的研究多数都认为双语者的两种语言都是共同激活的。因此，双语者必须经常注意两种语言的选择；同时，L2的习得是一种持续的经历，它可能对大脑产生深远的影响。一个新兴的观点认为，这种处理多种语言功能的终身经历会导致大脑结构和功能的改变[28]；而越来越多的研究表明，双语导致的功能变化实际上往往伴随着大脑解剖结构的变化[29]。

多项研究表明[30-31]，双语者的灰质体积增大，以前扣带回(anterior cingul ate cortex，ACC)和顶叶为著；而Burgal eta等[32]发现双语者的基底节和丘脑结构大于单语者。也有研究表明精通双语的人左侧ACC中部、双侧岛叶、左侧缘上回、双侧额下回三角部和左侧额下回盖部的灰质体积减小。此外，在左侧额下回三角部、扣带回中前部和双侧尾状核团中，L2练习时长与其灰质体积呈负相关[33]。因此，灰质体积与语言能力或专业知识之间的关系呈“倒U”形关联，随着双语者对L2的掌握，组织体积增加，尤其是在额顶叶区。然而，一旦双语者获得了高水平的专业知识，灰质组织就会变得专一化，其相对体积较单语者似乎减小。

另一方面，Fel ton等[34]发现双语者胼胝体中前部和中部的体积比单语者大。此外，也有研究表明双语者额叶和颞叶的白质体积也较大[30,35]。Hämäläinen等[36]的研究也发现早-双语者和晚-双语者之间弓状束和额枕下束局部结构存在差异，早-双语者弓状束语音相关部分的各向异性分数增加，而晚双语者双侧额枕下束的平均扩散率降低有关。也有研究表明早-双语者的右侧壳核和中央前回之间的纤维数量高于单语者和晚期双语者，晚-双语者的左颞上回和颏上回之间的纤维数量比单语者和早期双语者要少[37]。

综上，脑区不仅在结构上是相互连接的，而且在执行认知任务、甚至在静息状态下也是功能相关的。人类语言习得是一个极其复杂的过程，单纯的结构或功能可能不足以解释其原理和机制，因此，多模态磁共振可能是未来研究的热点之一。

3.2 双语者对认知方面的影响

最近有研究表明双语语言的使用不仅会导致与语言处理相关的大脑结构和功能的改变，而且也会导致涉及非言语认知行为的脑区和网络的改变。有研究表明[38-39]双语者在执行功能任务上的表现优于单语者，推测双语能力不仅在成年后继续促进认知功能的各个方面，并且能减缓认知功能随年龄增长而下降的趋势。Bial ystok等[40]证明，双语者比单语者晚4年出现痴呆症症状。Víct or等[41]等发现与双语者相比，单语者显示出更高的萎缩率和更多的认知能力下降；同时，双语会促进大脑认知储备。这两个因素可能用来解释双语优势在延缓痴呆的本质和起源中的作用。

但是，并非所有研究都支持双语者在认知方面存在优势。Paap等[42]认为双语在执行功能方面的优势或不存在，或仅限于某些特定情况；Paap等[43]进一步的研究提示双语者在认知方面并不存在优势。Rossel l i等[44]对西班牙语-英语双语者和英语单语者进行了语言能力、智力和非语言执行功能(工作记忆、更新、转移和抑制)的测试，结果显示双语优势不成立，回归分析表明智力分数比语言能力更能预测语言水平。

总之，一些证据表明双语在认知控制方面存在优势，但并非所有研究都如此。方法学问题和个体差异似乎可以解释上述差异；此外，语言的习得是一个复杂的动态过程。因此，未来的研究需进行更优化的研究设计、更大的样本量和更多的纵向研究。

4 总结和展望

综上所述，国内外对于脑语言的研究已经取得了一定成果，f MRI的出现使利用无创手段观测其内在神经生物学机制成为了可能。整合上述研究结果发现，当大脑在处理语言时，不同的大脑区域会被激活。研究证据普遍支持左侧大脑半球在语言处理中占主导地位。此外，双语及多语研究发现，不同语言处理过程在大脑半球中占据不同的脑区，但彼此间存在重叠和功能联系。处理多种语言功能的终身经历不仅会导致大脑结构和功能的改变，同时也可能对认知方面有一定影响。

人脑语言习得是个复杂的过程，要了解语言是如何在大脑和大脑中产生变化的，需要整合解剖、功能等多方面证据，使用评估大脑和行为所有表现形式的技术，多模态综合分析方法可能是未来研究的方向之一。其次，要理解双语是如何在思想和大脑中产生变化的，就需要综合从婴儿期到老年的整个生命周期的证据，因此纵向研究是人脑语言研究的重要方向。此外，大样本量是减少个体差异的常用方法，可以更好地满足研究需求。最后，随着科学技术的发展，人工智能或机器学习在脑功能方面的应用日益广泛，也可能成为未来研究人脑语言的方向之一。综上，人脑语言的研究仍处于探索阶段，进一步的研究有助于对其更加深入的理解。

作者利益冲突声明：全体作者均声明无利益冲突。