功能性磁共振成像在高级认知功能研究中的应用
作者：余毅震 史俊霞 吴汉荣
【关键词】 功能性磁共振成像;,,大脑;,,认知能力
【摘要】 功能性磁共振成像结合血氧水平依赖性原理和回波平面成像技术，能够直观、形象地观测认知任务过程中大脑活动情况，并且具有较高的时间和空间分辨率。近年来,功能性磁共振成像在感知觉、学习、记忆、思考、语言等认知方面得到广泛应用，在脑认知研究和神经活动定位等方面有很大的应用潜力。
【关键词】 功能性磁共振成像; 大脑; 认知能力
Application of Functional Magnetic Resonance Imaging on the Research of Cognitive Function
【Abstract】 Functional magnetic resonance imaging (fMRI) could probe the brain activity of cognitive process effectively when combining with blood oxygenation leveldependent (BOLD)and echo planar imaging(EPI),and it has higher differentiate ability. In recent years, fMRI has been applied to study cognitive ability, such as sensation, perception, learning, thinking and language and etc., and showed great potentiality on research of cognitive ability of brain and neuro-locating.
【Key words】 Functional magnetic resonance imaging; Brain; Cognitive ability
近20年来，以功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)为代表的脑认知功能成像技术得到了巨大，并被迅速应用到认知神经的各个领域。功能性磁共振成像技术是将传统共振成像的高分辨率解剖成像能力与核示踪的血流动态特异性结合起来,将人脑的功能像精确地投影到基本的解剖像,从而成为研究大脑认识思维活动的强有力的工具。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，并且具有较高的时间和空间分辨率，这较传统的神经检查、WADA测试、单视野呈现、双耳分听和脑电等具有不可比拟的优势。认知过程包括感知觉、注意、记忆、思维和语言等，是一个非常复杂的过程，本文拟对国内外有关fMRI在认知研究方面的进展情况进行综述。
1 记忆的功能性磁共振成像研究
记忆是人脑的高级功能，其过程分为编码加工、固化、存储和提取4阶段。视觉记忆和听觉记忆是人类重要的记忆形式。
视觉记忆要求进行刺激视觉编码和在刺激移出视野后保持其表现，该任务激活视皮质和额叶皮质等多个区域。视皮质在数字和非数字视觉处理过程中起主要作用。项敏等［1］利用功能磁共振研究以视觉呈现的数字记忆特点。结果发现，反序默写数字过程中被试在左半球前额叶背侧（BA 9区）和枕叶的视皮质（BA 17/18/19区）2个地方的激活体积明显大于正序默写数字，表明反序提取的神经机制中更多地包含前额叶中央处理系统和枕叶视空间的成分。张仲伟［2］利用fMRI研究显示，正常人简体汉字单词短时记忆刺激的脑内活动区主要位于前额皮质、颞叶海马、枕叶和小脑等。谢晟等［3］ 研究无意义图形记忆任务发现，记忆和再认的激活区域主要集中在双侧前额叶、双侧海马旁回（左侧为主）、右侧海马、双侧顶叶（主要为顶上小叶和楔前叶）。记忆编码时海马的激活集中在海马头部，而提取时海马的激活则集中在海马的体部及尾部。表明记忆的编码和提取时需要内侧颞叶海马系统的参与，但所倚重的脑区有微小的差别。
在听觉记忆方面，孙兮文等［4］研究发现，反序数字广度记忆比正序调动了更多的脑区：左侧BA 946区（前额叶）和双侧BA7区（顶叶），说明反序过程比正序更加复杂，对人脑的要求也更高。为了解听觉短期记忆的神经基础，Zhang等使用事件相关功能性磁共振成像来测量首因效应和近因效应时大脑活动性。结果显示，回忆中间项目与左顶皮质和视皮质、基底核和背侧小脑广泛的激活有关。从不同序列位置中回忆项目导致双侧初级听皮层、左侧前额皮质和运动前区皮质不同激活时程。表明听觉皮层可以作为一个暂时的储存或听觉输入缓冲器，它在首因效应和近因效应中起重要作用。
王嵩等研究视觉和听觉记忆过程中脑功能fMRI的异同发现，其共同点为双侧的9 区、7 区激活,差异之处为视觉记忆除正常激活视中枢的枕叶17/ 18/ 19 区外,还更多地激活了双侧7 区；听觉记忆除激活作为中枢的22 区外,7 区的激活明显低于视觉记忆。说明脑功能成像首先激活直接功能区,即视觉枕叶、听觉颞叶,其次激活共同任务区,即相当于机CPU 的中央处理系统(9 区) 以完成任务,同时根据需要不同程度地调动某些相关区域参与完成任务。除此之外，顶叶(BA 7 区) 具有对数字进行加工与记忆的能力,说明视觉记忆需要对数字进行更多的处理,对大脑的工作能力要求更高。
钱银锋等应用fMRI探讨汉字情景记忆大脑皮质功能定位时发现，汉字的情景记忆编码主要激活双侧前额叶背外侧、右侧前额叶下部、扣带回前部、额中线前辅助运动皮层、左侧纹外区和左侧颞叶梭状回；提取主要激活双侧额叶梭状回、前扣带回、额中线前辅助运动皮层、右前额叶下部、双侧前额叶背外侧、左侧顶叶楔前叶及左侧纹外区。而且编码和提取过程中同一脑区左右半球激活的范围并不完全一致，存在一定的差异，表明汉字情景记忆时左右大脑半球同一脑区的激活范围存在不对称性。
Daniel等［5］使用功能性磁共振成像研究语言事件编码任务的神经结构，并确定编码和一系列识别记忆执行之间的关系。结果显示，在编码执行期间相关的激活在神经皮质和中颞叶结构，与以后成功和失败识别记忆有关的神经皮质激活不仅在强度上不同，而且在半球偏侧化上也不同。表明涉及事件记忆编码的神经皮质结构与中颞叶结构相互作用，促进持久记忆的形成。
2 注意的功能性磁共振成像研究
注意的基本作用在于选择信息，以便能被有效地记录、加工和处理。选择性注意是对环境中大量潜在相关的刺激集中注意一小部分的能力，注意对视觉信息的选择性是视觉选择研究领域的一个焦点问题。Downing 等［6］发现:当要求被试注意某一空间区域内与实验任务有关的刺激时,该区域内与实验任务无关的刺激也得到加工, fMRI信号中与该无关刺激相关联的脑区得到了激活,说明注意的选择是基于整个空间位置的。
Marie等［7］ 使用Stroop 任务(该任务需要被试对刺激进行选择性注意,并抑制无关刺激) 与fMRI 技术,发现被试在执行行为任务时,背外侧前额叶在注意选择中起到控制执行的功能,根据任务内容的变化,背外侧前额叶的不同功能亚区会呈现出不同的活动形式。研究证明,与视觉注意任务有关的信息加工取决于多个皮层功能区域的合作,其中部分是前额叶的功能,而另一部分是后部系统的功能。前额叶的控制功能通过调节后部皮层系统来加强前部系统，对与任务有关的信息加工。
Christoph等研究了注意力集中和分散的认知过程神经解剖相关性，在实验中他们以奇异范式（即在一系列熟悉刺激中随机插入一系列不熟悉的刺激）为认知任务。fMRI数据显示，目标和分散刺激条件下都以腹外侧顶额系统参与为特点，背外侧顶额网络系统参与分散刺激；在分散刺激加工过程中主要激活左前额皮质，在目标刺激过程中主要激活右前额皮质，提示目标注意主要涉及检索过程，而显著分散刺激似乎参与工作记忆更新。
Jiang［8］探索了右侧下额回在知觉注意分配和反应选择解决双重任务干扰时的作用。研究显示，右侧下额回和额盖在短的刺激发生不同步条件下比在长的刺激发生不同步条件下激活更显著，表明右侧额区在知觉注意阶段对解决双重任务干扰是非常重要的。
3 思维能力的功能性磁共振成像研究
31 问题解决能力的功能性磁共振成像研究
数能力是指个体对刺激的各种数性质作出反应的能力统称，数概念是人类抽象思维的基本要素之一。Dehaene等人发现，顶间沟区与数量大小的比较有关。当受试者在比较两个数的大小时，顶间沟区域显著激活。例如，当比较两数的大小时，顶间沟区的活动比单纯阅读这两个数字更强烈。两数的差距越小，比较起来越难，顶间沟区的活动强度越大，体现了韦伯数距效应。Lee 发现，顶间沟区的活动在受试者做减法时比做乘法时强，而且与涉及的数量绝对值成正相关；数量绝对值越大，活动越强，持续时间也越长，体现了韦伯数量效应。
张秋阳等研究显示：左额区激活出现在两种加法任务和汉字估计任务中,且汉字加法任务的激活量最多,表明听觉言语模块负责加法任务和言语数字的处理。Gruber等对健康受试者在执行算术任务和控制任务时大脑活动进行比较发现：在数学任务和非数学任务期间，由双侧前额区、前运动区和顶区构成的相似皮质网络系统被激活，表明这些皮质区域的大部分并不绝对地代表计算模型；在顶皮质亚区发现计算任务和非计算任务有显著性差异，非计算任务优先激活上顶叶而计算优先激活左背侧角回和中央顶皮质；左背侧角回和中央顶皮质激活反应智力计算的亚加工。表明确切计算期间智力计算的亚加工与数字表示的加工和算术事实检索有关，较复杂的计算任务增加左下额区的活动。
32 推理能力的功能性磁共振成像研究
Markus等［9］对12个健康受试者在相关推理和条件推理时功能性磁共振成像的血氧依赖水平进行测量发现：推理激活了枕顶额神经，这个网络包括前额皮质的部分区（Brodmann's区，BA6，9）和扣带回（BA32）、上下顶皮质（BA7,40）、楔前叶（BA7）、视觉联合区（BA19）。表明演绎推理是以空间表示和加工为基础的。
脑影像研究显示，腹侧和背侧前额皮质、后顶叶及一些包括神经核和小脑的亚区参与算术推理。Vinod等通过比较正确和不正确等式了解参与算术推理的神经过程。结果发现，与正确等式比较，不正确等式在左侧背外侧前额皮质（BA46）和腹外侧前额皮质（BA47）有显著激活；这些区域与参与工作记忆和干扰加工的脑区重叠；对正确和不正确算术等式判断没有激活像角回和顶内沟这样的顶皮质区。
4 语言能力的功能性磁共振成像研究
41 语音、语义、字形的功能性磁共振成像研究
汉语是一种象形表意文字，具有很强的图形特征，在形、音、义加工方面与西方文字有很大不同。彭聃龄等研究了汉语单字词音、义加工的脑激活模式，结果显示：语音任务激活了左侧顶叶下部和颞上回（BA40/39/22）、左侧枕中回（BA18/19）、右侧枕下回（BA18/19），以及中央前回（BA6）；语义任务激活脑区有左侧顶下小叶（BA40/39）和左侧颞上回（BA22），左侧额下回（BA10/47）、右侧额中回和额上回（BA10/11）；以及左侧额中回（BA11）；语义任务减去语音任务激活的脑区有左侧额下回（BA47）、左侧海马（BA36）和右侧海马旁回（BA36）；语音任务减去语义任务没有发现任何脑区的显著激活。表明在语义任务中与语音有关的脑区得到激活；而在语音任务中与语义有关的脑区没有激活。黎元等采用功能性磁共振成像研究汉字词组语义辨别任务在脑内的功能定位。阅读汉字时，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、下回在阅读中文和语义辨别上均有不同程度激活。表明多个皮层脑区及皮层下脑结构区域参与汉字词组语义辨别任务。郝晶等采用事件相关功能性磁共振技术探讨汉语语义判断任务中选择与抑制的神经基础。研究发现：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。随任务难度增大前扣带回激活，而且从以右半球激活为主过渡到以左半球为主。
伍建林等研究了大脑在汉字与字形刺激下的功能活动情况。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。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。汉字和英文假字与非字只引起少量激活。汉字与英文刺激左大脑半球的激活体积明显大于右半球；除枕叶外，英文在额、颞及顶叶引起的激活体积均大于汉字。表明汉字和英文语言加工优势半球均为左半球；母语为汉语者，其英文处理过程需更多的脑活动来参与和完成。
42 语言理解的功能性磁共振成像研究
句子理解是一个包含语言特定加工成分和普遍认知资源的复杂任务。早期研究显示，语言理解主要定位于左半球，而Timothy等研究表明句子理解的多个过程涉及多个脑区参与，并且多个脑区不只是对一个理解过程起作用。Fumitaka等［10］使用功能性磁共振成像研究发现，左下前额皮质三角部和眶额部参与语义信息的选择和整合。
Kang等使用功能磁共振成像来绘制句法和语义加工的大脑影像图。结果发现，沿着左侧中下额和中上颞皮层分布的神经网络负责汉语短语的加工。尽管大脑活动明显是左侧单侧化，但与左侧皮层相当位置的右侧区域也有激活。对汉语短语句法分析的皮层位置与语义分析的皮层位置一致。但是，句法加工较强的大脑活动在中央额皮质，而语义加工较强的活动在左下前额皮质和左中下颞回。表明在阅读汉语时，句法加工不是独立的；除此之外，还发现当让双语研究对象执行短语的句法和语义合理判断时，他们使用构成汉语阅读加工的神经系统。
Alexander等［11］使用事件相关功能性磁共振成像研究了比喻句子的加工。与阅读字面意义的句子相比，阅读比喻意义的句子显示了在左侧下额区（BA45/47）、下颞区（BA20）区和后中央/下颞回（BA37）的信号改变。左侧下额回激活反映了在理解比喻意义时语义推断过程，表明左侧下额回参与整合单词和句子意义。
在理解语法上复杂句子时，Ayanna等［12］发现，左下额皮质与以宾语从句和有先行词为特征的句子有关。Jonathan等［13］ 研究显示，句法上复杂的宾语从句激活左侧下额皮质；不管句法复杂程度，当句子以快速速度读出时，诸如像前扣带回和前运动皮质这样额区被激活。表明在听觉句子加工期间，大量神经网络分离成分支持句法复杂的加工和以快速呈现的言语。
43 语言阅读的功能性磁共振成像研究
早期脑影像研究显示，阅读单字的脑激活是右侧单侧化，阅读2个字组成的词脑激活是左侧单侧化。而在Li等［14］ 研究中显示，阅读汉语在左侧额区（BA9和47）、颞区（BA37）和右侧视觉系统（BA17~19）、顶叶（BA3）及小脑，以广泛的神经系统激活为特征。表明在阅读单字和单词时，大脑没有偏侧化模式。
唐一源等采用默读词名的方法，对12名正常大学生，运用功能性磁共振成像技术，研究汉字词及假词视觉识别时的脑功能偏侧化现象。结果显示，汉字词激活左下额区（BA45）及右颞叶（BA21、22）、右枕叶（BA18），而假词除额区外表现出广泛的激活。提示除左脑半球与汉字词加工密切相关外，右脑半球在汉字词加工中有一定参与。谭向杰等［15］利用事件相关功能性磁共振成像技术观察出声阅读条件下不规则汉字频率效应的脑激活模式。实验显示：左侧额中回、左侧额下回、辅助运动区、左侧颞下回后部、双侧纹外皮层、左侧岛叶、扣带回前部表现出频率效应，即阅读低频汉字时的激活强于高频汉字。结果提示，出声阅读汉字特别是低频不规则汉字可激活主要语言加工区，扣带回前部与左侧额中回可能是汉字阅读的特殊脑区。
fMRI是20世纪90年代在磁共振基础上起来的脑功能成像技术。fMRI结合了血氧水平依赖性原理和回波平面成像技术，能得出反映脑激活状态的功能图像。fMRI在脑认知研究和神经活动定位等方面有很大的应用潜力。近年来，国内外学者应用fMRI研究感知觉、学习、记忆、思考、语言等认知活动的神经生理机制，取得了大量研究成果，但应用该技术来准确推断大脑高级功能，仍需要大量理论与实验的深入研究。
［1］项敏, 孙兮文. 视觉记忆的功能磁共振研究［J］.医学机成像杂志，2004，10（2）：8688.
［2］张仲伟 . 正常人简体汉字词组短时记忆刺激的脑fMRI实验研究［J］.上海医学影像，2004，13（3）：170172.
［3］谢晟, 肖江喜. 正常老年人无意义图形记忆任务的FMRI研究［J］. 中国医学影像技术，2004，20（4）：571574.
［4］孙兮文, 鲍敏. 听觉记忆的脑功能磁共振研究［J］. 中国医学计算机成像杂志，2004，10（1）：13.
［5］Daniel JC ， William DS, Joseph AM, et al. Neural correlates of successful and unsuccessful verbal memory encoding［J］. Brain Language, 2002,80:287295.
［6］Downing P, Liu J. Nancy Kanwisher testing cognitive models of visual attention with fMRI and MEG［J］. Neuropsychologia, 2001，39：13291342.
［7］Marie T, Banich L. fMRI study of Stroop tasks reveal unique roles of anterior and posterior brain systems in attentional selection［J］. J Cogn Neurosci，2000，12：9881000.
［8］Jiang YH. Resolving dualtask interference: an fMRI study［J］. Neuroimage,2004,22:748754.
［9］Markus K，Thomas M，Jan K，et al. Spatial imagery in deductive reasoning: a functional MRI study［J］. Cogn Brain Res，2002，13： 203212.
［10］Fumitaka H, Ryuichiro H. On of language in the left inferior frontal cortex［J］. Neuroimage,2002,16:883900.
［11］Alexander MR，Dirk T L，Michael E, et al. Neural correlates of metaphor processing［J］. Cogn Brain Res,2004,20:395402.
［12］Ayanna C, Zurif EB. Neural basis for sentence comprehension, grammatical and short-term memory components［J］. Hum Brain Mapp, 2001,15: 8094.
［13］Jonathan E. Corey M, Moorep L, et al. Dissociable patterns of brain activity during comprehension of rapid and syntactically complex speech Evidence from fMRI ［J］. Brain Lanaguage,2004,91:315325.
［14］Li HT，John A, Jia HG. Brain activation in the processing of chinese characters and words: a functional MRI study［J］. Hum Brain Mapp,2000,10:1627.
［15］谭向杰，马力飞. 出声阅读条件下不规则汉字频率效应的功能磁共振成像研究［J］. 中国医学影像技术，2004，20（11）：16391641.
