汉语言自由联想功能磁共振的初步研究

王鹏，于红梅，杜飞舟，顾明，汪洋，何次

汉语言自由联想功能磁共振的初步研究

王鹏，于红梅，杜飞舟，顾明，汪洋，何次*

目的 设计一种适合汉语言自由联想的脑功能磁共振刺激任务，探索汉语言自由联想脑功能区表现。材料与方法 对19名健康汉语志愿者进行任务态自由联想语言功能刺激，同时采集功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)数据，通过SPM 8软件分析获取自由联想任务相关主要脑功能区位置，激活大小及最大激活强度。结果 汉语自由联想主效应区位于右颞上回(BA21)；左颞枕内侧回、左海马旁回在联想任务中没有激活信号，双侧海马的激活程度较低。结论 利用该语言任务能激活正常人自由联想语言功能区；同时血氧水平依赖性功能磁共振成像(blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging, BOLD-fMRI)可以准确定位激活区，量化激活区大小及最大激活强度，技术稳定可靠，适用于汉语言联想相关脑功能区疾病研究。

汉语；功能性磁共振成像；脑；语言功能；自由联想

Received 3 Dec 2015, Accepted 26 Dec 2015

ACKNOW LEDGM ENTSThis w ork w as part of China’s Postdoctoral Science Foundation (No. 2013M 542582); General program of Chengdu M ilitary region during the 12th Five-Year Plan Period (No. C12036); General program of Chengdu Military General Hospital (No. 2013YG-B004).

汉语是世界上最古老的语言之一，也是目前使用人口最多的语言。不同于西方字母符号，汉字是一种表意性质的音节文字，大多是象形字，有复杂的空间二维构形，其神经加工机制也与英语等西方语言有很大的差别[1]。自由联想(free fluency，FF)是组织语言必不可少的基本步骤，在强调语义联系的汉语表达中尤为重要，自由联想实验也是语言神经机制研究中被普遍认可并行之有效的方法。

近年来，血氧水平依赖性功能磁共振成像(blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging, BOLD-fMRI)作为一种无创脑功能检查手段，在语言神经功能研究中发挥越来越重要的作用[2-4]。本研究利用BOLD-fMRI技术验证一种汉语言自由联想刺激任务的有效性，并探索在这一刺激任务下，正常汉语言自由联想时脑功能区激活状态，为理解汉语言神经加工机制提供有益的探索，为研究汉语言障碍疾病提供前期参照。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2014年2月至11月招募健康汉语志愿者19名，人口学资料见表1。志愿者最大年龄为59岁，最小为18岁，中位年龄为27岁。纳入标准：母语均为汉语，无神经系统疾病，无外伤史，无吸毒史，无心脏起搏器或其他金属植入物。智力、视力、听力能按照要求完成实验，了解实验内容及权益并签署知情同意书。排除标准：病人及家属拒绝功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)检查，刺激任务完成＜80%，头动＞5°。

1.2 试验设计

试验采用组块设计(block design)、刺激(task)与静息(rest)交替进行。刺激内容为连续性自由联想设计。以汉字短语、符号形式呈现于投影屏幕上，要求被试者以一系列词或事实作反应，即前一个联想的反应词或事实作为下一个联想的刺激，不断地联想下去。例如，屏幕提示“玻璃”，被试者可联想“窗户、房子、家具、床、被子……”，下一联想词尽可能与前一词语有一定的相关性，要求尽可能多地列举出系列相关联的词语，直到下一个任务开始为止，每个Block持续30 s。紧接着为朗读并重复(read & repeat, RR)，如屏幕提示“科学”要求被试者朗读一次，重复一次，持续15 s。最后屏幕出现“+”， 休息(rest) 15 s，此三个组块为一个循环，共5个循环。

表 1 志愿者基本资料Tab. 1 Demographic data of all the subjects

试验前通过PPT向被试者演示，详细介绍任务内容，讲解试验设计意义，使其能完全理解，以争取积极配合。然后训练其在执行任务时保持头部静止不动，并提前进入MR室内适应扫描环境，平静后开始试验。

1.3 fMRI扫描参数

所有被试者通过头线圈上小镜子观看投影以进行任务刺激，通过磁共振语音系统实施声音刺激。所有数据采集均在GE Discovery MR750 3.0 T核磁共振上完成，采用32通道射频头部集合线圈和体部射频线圈。血氧水平依赖(blood oxygenation level dependent，BOLD)信号采集使用单激发平面回波序列(echo-planar imaging，EPI)，扫描参数：TR=3500 ms，TE=60 ms，NEX=1，FLIP Angle= 90°，M atrix=128×128，FOV=24 cm×24 cm，Thickness=6 mm，Gap=1 mm。覆盖全脑扫描，共21层。横断解剖像T1W I(SE序列)参数：TR=500 ms，TE=12 ms，NEX=1，FOV=24 cm×24 cm，FLIP ang le=90°，M atrix=192×256，Thickness、

Gap同EPI序列。FOV最大限度包括额叶及颞叶，提高额颞叶图像信嗓比。

1.4 数据分析

采用SPM 8 软件(W e lcom e Departm en t o f Cognitive Neurology, http://www.fil.ion.ucl.ac. uk/spm/)进行预处理和统计参数分析。

步骤如下：(1)头动校正(realign)：应用三维sinc内插算法将所有功能图像与第一时相的功能图像进行配准，校正头部运动，生成校正后的图像和平均图像。(2)脑标准化(norm alize)：以蒙特利尔神经学研究所(M ontreal Neurological Institute，MNI)的标准脑为参照，通过非刚体变换获得平均功能图像的标化参数，对所有功能图像进行标化。(3)功能图像的空间平滑(sm ooth)：以半高全宽(full w idth at half maximum, FWHM)为6 mm的高斯函数对标化后的功能图像进行平滑处理。

以经血流动力学函数卷积后的刺激模式函数作为设计矩阵，采用一般线性模型对功能图像的时间序列进行参数估计。对同组内所有数据计算后判定激活，激活水平定义为P＜0.01，经校正检验，语言任务激活范围≥10 个体素，T＞2.5，定义为有效激活区。组间分析采用SPM内置2nd level单样本t检验对不同任务进行分析。通过X jview (http://www.alivelearn.net/xjview8/)记录和输出不同的语言刺激任务下激活区的峰值MN I坐标(Peak MNI coordinate, PMC)、最大激活区域解剖位置(maximum activated regions, MAR)、体素点的数量大小(num ber o f voxels, NV)和峰值强度(peak intensity)。

2 结果

2.1 一般结果

所有被试者均能很好地配合完成刺激任务，试验成功获取19组图像数据。经SPM分析FF在双

侧额、颞叶激活分布区域广泛，左颞上、中、下回，右侧颞上、中回，双额上、中、下回及右颞枕内侧回均有不同程度的激活。

2.2 个体分析

不同刺激任务的激活区分布具有明显的差别，FF主要分布在右侧颞上回(图1A)，左侧额中回。FF-RR激活主要分布于左侧颞中回及左额中回，FF-RE激活在右侧颞中回，双侧颞上回(图1B)也有较高程度的激活，FF-RR&RE最大激活在左侧额中回。其中左枕颞内侧回，左海马旁回没有检测到激活信号，双侧海马的激活程度普遍较低。见表2。

2.3 组分析

上述差别经过full factor组分析显示：FF主要效应区均在右侧颞上回(21区)；FF-RE 主要效应区为双侧颞上回(21区，38区)。见表3。

2.4 激活与负激活对照分析

经t检验后正激活及负激活区分布：FF最大的激活区域在右侧颞上回(BA 21区)，激活强度为2.91，最大的负激活在左侧额中回(BA 11区)，最大激活强度为4.29；FF-RE最大激活强度也在右侧颞中回，最大强度为3.11，最大负激活强度在右侧额下回，激活强度为6.40。见表4。

图 1 男，25岁，右利手。A：显示FF最大激活区位于右侧颞上回(66 –10 –6)，激活强度T=4.45，体素量为NV=144；B：显示FF-REST最大激活区位于右侧颞上回(68 –14 –6)，最大激活强度T=6.21，体素量为NV=507Fig. 1 Male, twenty-five years old, right handedness. A: The FF of the maximum activation in the STG-R(66 –10 –6), T=4.45, NV=144; B: The FF-Rest of the maximum activation in the STG-R(68 –14 –6), T=6.21, NV=507.

表2 19例全脑有效激活分布(对象内分析)Tab. 2 Global maxima activation (GMA) of all the 19 subjects: first level

表3 19例全脑激活区组分析(完全因素)Tab. 3 Global maxima activation (GMA) of all the 19 subjects: second level(full factors)

3 讨论

语言是人类最伟大的发明之一，也是智慧的象征，其对文明的价值和影响不可估量。同时语言具有明显的种族、文化差异。汉语言作为一种表意的音节文字，更强调语义的联通和组合，其语义语法，组织形式、言语行为习惯等与西方语言文字有显著差异。例如，汉语言交流更强调语义和语境间的联系，具体语义与当时情景和文化背景密切相关；而且时态、语态及感情色彩一般通过实义词表达，字词、句子的结构并无太大变化。有时完全同样的语句在不同语境下可以表达不同、甚至相反意义。故笔者认为用西方经典的语言模型解释汉语言的神经加工机制不一定可靠[1]。联想是组织汉语表达必不可少的步骤，联想能力在语言的内容丰富程度、上下文逻辑性上都有直观的表现。汉语交流的神经加工过程中联想活动可能更为活跃。

长久以来对于汉语言功能的神经机制的认识仍无突破性进展，国外已有报道利用词语联想fMRI对西方语言机制和失语疾病开展了广泛的实验研究。主要方向包括语言学习过程及其机制、帕金森病早期语言失利表现、语义语音网络等[5-8]。本研究设计的自由联想汉语言刺激任务，结果显示FF在双侧额、颞叶激活区域分布广泛，左颞上、中、下回，右侧颞上、中回，双额上、中、下回，右颞枕内侧回均有不同程度的激活。其中FF最大的激活区域在右侧颞上回(BA 21区)，强度为2.91；FF-RE最大激活强度也在右侧颞上回，最大强度为3.11，这些区域多为语义网络激活区[9-10]，这说明汉语自由联想主要是语义联想。FF最大的负激活在左侧额中回(BA11区)，强度为4.29。Wende KC等[11]认为额中回可能是因果逻辑关系的联系中枢，反映FF较少使用因果逻辑关系，这与自由联想任务设计相符。FF-RE最大负激活强度在右侧额下回，强度为6.40。考虑到本组试验被试者均为右利手及均衡手，这可能与优势半球相关。本研究中左侧额中回在FF、RR、FF-RR及FF-RR&RE中均有不同程度的激活；一般认为左侧额中回是汉语拼写、语音、语义多任务的重叠激活区。FF-RR&RE中又没有统计学差异，说明左额中回不是自由联想的特定功能区，更可能是多种语言功能的重叠激活区。这和W u CY[12]的研究结果一致。左颞枕内侧回、左侧海马旁回及右侧海马没有激活信号，双侧海马及海马旁回的激活信号较低，提示上述区域可能并未参与到正常汉语者的自由联想功能加工机制中或为非决定性功能区。冯燕韵等[13-14]汉语联想任务的研究结果中也未提到上述区域存在激活信号。但Sheldon S等[15]国外学者认为海马对自由联想有重要作用，这种差异是否来自汉语言与西方语言的神经机制不同还有待更深入的探讨和验证。

英语言词语联想任务能激活的主要脑区有Broca区(BA 44、45)、左侧额中下回(BA46、47)、扣带回前部(BA 32)、左额叶背外侧部(BA 8、9)、左颞叶中上回后部(BA 22、39)、左颞叶中下回后部(BA21、37)、运动辅助区(supplementary motor area，SMA)、双侧小脑上部等，其中BA44、45区(即经典的Broca区)及 BA46、47区被认为与语音及语义处理相关[16-17]。国内报道汉语言词语联想任务时激活的脑区主要有双侧额叶内侧面SMA、双侧中央前回运动区(相当于Brodmann 6 区，BA6) (左侧较右侧显著)、左侧枕叶皮层(BA 18、19)、左侧额叶下回(BA 45、47)、左侧岛叶(BA13)、双侧小脑上部[18]。对比发现本研究的激活区域与中外研究结果存在重叠，但主要的效应区并不一致。这可能与语言神经机制不同有关，更可能与刺激任务的设计不同有关。本研究采用的是连续自由联想设计，与以往的动词联想、类别从属词联想不同，自由联想的内容不设限制，不过多的进行关系判断，牵连的功能区更少。同时可排除被试者的年龄、教育程度差异导致的联想能力不同，还最大程度保证被试者思维的连续性和较强激活度，为fMRI提供更稳定的信号。同时内容上采用短语刺激而非单个汉字，任务的可靠性和有效性较高[19]。

总的来说，该自由联想刺激任务能有效激活汉语言脑功能区，该BOLD-fMRI技术能准确地定位激活区，量化激活强度；技术稳定可靠，患者依从性好，适用于未来自由联想相关脑功能区疾病研究。

本研究也存在样本较小，感兴趣区局限的不足，随着样本量的扩大后期将会有更详实的数据报道。

表4 19列全脑激活区单样本t检验Tab. 4 Global maxima activation (GMA) of all the 19 subjects: second level(One Sample t-test)

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A p rimary fMRI study of the chinese language function: a free fluency paradigm

WANG Peng, YU Hong-mei, DU Fei-zhou, GU Ming, WANG Yang, HE Ci*
Department of Radiology, Chengdu M ilitary General Hospital, Chengdu 610083, China

Ob jective: To design a stimulus task for Chinese free fluency, and exp lore the brains language function areas in Chinese people. M ater ials and M ethods: Nineteen healthy Chinese volunteers underwent a BOLD-fMRI scan w ith a free fluency stimulus task, that w as block design. A ll images w ere collected and processed by SPM 8, followed by a First- and Second-level analysis. The distribution, sizes(number of voxels), and peak intensity of activations were shown by Xjview. Results: A ll participants completed the language task in connection w ith chinese language functional areas located primarily in the right superior temporal gyrus. In this study, the left fusiform gyrus and left parahippocam pal gyrus w ere not activated, and bilateral hippocampus w ith low-grade activations. Conclusion: This stimulus task effectively activated brain language areas relating to chinese free fluency. BOLD-fMRI located activated areas accurately, and quantified the size and peak intensity of activations. It was stable and reliable w ith good compliance from patients. This study shows that chinese free fluency.

Chinese language; Functional magnetic resonance imaging; Brain; Language function area; Free fluency

中国博士后科学基金(编号：2013M 542582)；成都军区“十二五”科研面上项目(编号：C12036)；成都军区总医院面上项目(编号：2013YGB004)

成都军区总医院医学影像科，成都610083

何次，E-mail: hecicd@163.com

2015-12-03接受日期：2015-12-26

R445.2；R338.2

A

10.12015/issn.1674-8034.2016.04.008

王鹏, 于红梅, 杜飞舟, 等. 汉语言自由联想功能磁共振的初步研究. 磁共振成像, 2016, 7(4): 282–287.

*Correspondence to: He C, E-mail: hecicd@163.com