306医院专家解读大脑语言区功能磁共振fmri研究
发布时间:2015-12-05 10:10:52
306医院专家解读大脑语言区功能磁共振fMRI研究

  张磊,金真,李科,解放军306医院,医学影像科磁共振室

  对人类语言的相关问题利用fMRI进行研究已经较广泛地应用于认知科学领域,同样在临床医疗中也需要对脑语言功能进行探查,如明确患者大脑语言功能区的位置及范围、判断语言优势半球、探查脑内疾病对语言功能区影响、以及外科手术前规划语言功能区保护措施等。在首都医学发展科研基金及国家重点基础研究发展973计划的资助下,解放军306医院医学影像科磁共振室利用fMRI方法,用较容易被接受的词汇及图片认知任务对正常志愿者进行了功能测试扫描,目的在于探讨与分析两种任务对语言区的激活模式及临床应用可行性。

  

  资料与方法

  1.研究对象:对15例正常志愿者进行了fMRI检查,其中男性8例,女性7例,平均年龄35.7±13.6岁,中位年龄32岁,均为右利手,文化程度为中专以上学历。每位被试在fMRI检查前均进行了刺激任务培训,均获知fMRI检查内容并签署了知情同意书,并在模拟计算机上由一位医师监督确认可独立完成一遍与正式任务相似的模拟任务。

  

  2. fMRI实施方案:采用组块设计模式。语言任务分别为动词联想(Verb Generation, VG)及图片命名(Picture Naming, PN)。动词联想任务状态为屏幕显示例如“衣服”等分类名词,要求被试联想相应的动词并组成词组,如“穿-衣服”、“洗-衣服”等并默读出来,每个名词在屏幕上持续显示2 s并紧随1 s显示注视点以保持被试注意力,要求被试在此段时间内完成图片命名任务。任务时间段内以假随机方式连续显示5个名词,词库中共60个名词。静息状态屏幕显示符号“####” 30 s,嘱被试注视屏幕并保持静息状态。图片命名任务要求被试以默读方式命名屏幕所呈现每幅图片,任务状态图片为物品、动物或静态人物的彩色照片,图片库中共38幅。任务状态时间段内图片以假随机方式显示5幅,静息状态为两幅常见物品图片(电源插座及勺子)的交替显示。整个fMIR扫描中所有任务提示语、以及执行指令均由屏幕呈现,不应用语音及动作提示。被试通过镶嵌于头线圈之上的反射荧光屏系统获得fMRI指令及任务。

  

  3. fMRI数据采集与分析:所有脑功能成像均于306医院磁共振室完成,应用3T扫描仪进行。

  4.语言优势偏侧指数(Lateralization Index, LI)分析与计算:提取每例被试左、右侧大脑半球在语言任务刺激下的脑区激活范围及部位,摒弃视皮层激活(BA17、18、19)数据,之后利用LI公式进行计算:LI = (∑L - ∑R) / (∑L + ∑R)。∑为合计,L及R分别代表左、右侧大脑半球激活(不包含视皮层激活)。LI > 0.1提示左侧半球优势,LI < -0.1提示右侧半球优势,-0.1 ≤ LI ≤0.1为双侧语言分布。

  

  结果

  1. fMRI组分析结果:动词联想任务双侧Broca’s区(BA45)均有不同范围及程度激活,左侧基底节区、Wernicke’s区(BA39)、枕叶视区(BA18)、前额叶背外侧脑区(BA46)、以及颞叶梭状回(BA37)可见激活,同时伴有辅助运动区(BA6)较强激活,右侧半球基底节区、前扣带回(BA32)亦有激活。图片命名任务主要激活BA18及左BA37,顶叶(BA7)、基底节区,双侧BA45亦有激活。右手对指运动激活经典运动皮层及相关区域,即左额叶初级运动区(BA4)及BA6。将脑激活叠加于SPM内置三维标准光滑脑模板图上可见动词联想以双侧Broca‘s区、左侧Wernick’区、及相邻语言相关脑区激活为主,即前额、颞叶语言相关脑区。图片命名任务以枕叶视皮层激活最为广泛并显著,左侧半球语言相关脑区额、颞叶亦见激活,表现为视皮层及颞叶后部语言相关脑区为主激活,如图。图中红色代表动词联想任务脑区激活,绿色代表图片命名任务脑区激活,蓝色为右手对指运动脑区激活。动词联想以激活左侧前部额、颞叶脑区为主,图片命名以激活颞、枕叶后部脑区为主,右手对指运动激活左侧初级运动区及辅助运动区。

  2.个体LI计算:动词联想任务均可获得激活范围并计算出LI值,图片命名任务1例被试激活以视皮层为主,无法获得计算结果。两种语言任务LI计算符合率93.3%(14/15),其中右侧优势及双侧分布各1例。

  

  讨论

  通过fMRI手段明确语言优势半球是目前较常用的方法,其快速、无创、可重复检查的优越性在一定程度上成为最可行的取代传统的“临床金标准”?颈内动脉戊巴比妥钠试验(Wada测试)的方法。大多数研究报告表明fMRI与Wada测试对于语言优势半球的结果判定具有较高的一致性,并且fMRI同时还可以明确语言功能区位置及范围。但fMRI也存在一定局限性,即由于刺激任务目的不同以及统计学处理方法及标准差异亦会使最终结果出现偏差。

  研究发现如果单纯应用统计学阈值来判定语言任务激活区可能会造成双向误差,即过低的阈值会使假性激活入选,导致单侧半球优势的激活减弱而误判为语言优势双侧分布;过高的阈值又会掩盖部分真性激活,而使语言双侧分布误判为单侧优势。针对上述问题,本研究在被试执行语言任务前均增加了运动任务(右手对指运动)作为数据统计的内参照来规范统计阈值。因为对指运动的脑激活区位置、范围相对恒定,已有研究者用运动激活区来辅助语言区定位,本研究将运动激活的强度阈值作为了判定语言区激活的一个内参照标准。右手对指运动个体分析在经矫正检验、P<0.001,及组分析在经矫正检验、P<0.01统计阈值下,结果均为对侧初级运动皮层(BA4)及辅助运动区(BA6)的激活,与经典对指运动脑激活结果相符。参照运动区激活阈值,本研究语言任务最强激活区范围及强度均高于对指运动,说明所设计的语言任务脑激活程度强于运动任务,有利于语言相关脑区的检出。同时对指运动结果亦可作为判断被试能否按照要求完成fMRI实验任务的指标之一,这对判断具有一定程度的智力低下临床患者的fMRI配合程度尤显重要。

  fMRI作为认知学研究可以依据设计的刺激任务目的不同而产生相应语言区激活,但做为临床应用,由于所检患者处于疾病状态并有可能存在一定程度的智力缺陷,因此要求所执行任务首先具备临床可行性。本研究采用了动词联想及图片命名两个不同难度的语义任务来分析语言区的激活模式。动词联想是近年来应用于神经外科领域的一个语言刺激任务,要求被试将所显示的名词与其相关联的动词组成词组,这需要被试在多个可能的备选词库中进行选择与链接,需要执行更大程度的语义选择来形成词语。图片命名是一个常用于评价失语症的语言任务,需要被试对呈现的每个物体或动物进行命名,无需更多的语义联想及逻辑思维过程,因而语义相关脑区激活程度要弱于动词联想任务。儿童时期最早的语言产生即是由物体或人脸命名开始,因此命名任务可被认为是语言发展的基础,是语言发育过程中的基础组成部分。Olivier等利用PET通过图片命名任务对志愿者进行刺激,结果发现激活区主要位于初级视皮层及部分颞叶区域,因此认为命名任务并不需要复杂语义任务脑区参与,通过早期语言发育区域即可完成,并且这种功能会一直保留下来。本组结果表明动词联想任务对于双侧语言区均有激活,以左侧半球为主,并以额、颞叶为主要分布区;图片命名任务对于语言相关脑区亦有激活,但以脑后部颞枕叶为主要分布区。动词联想任务在额、颞叶前部脑区较图片命名有更多的激活区,这与既往研究观点相似,也说明动词联想对于语言区激活优于如阅读、命名、复述等语言任务。Susanne等应用脑磁图研究发现失语症患者对于语音或拼字任务存在功能缺陷,但是对于图形任务(图片命名)与正常对照组相比无显著差别,因此认为文字与图形形式的词语加工分别处于两种不同的工作路径。在语言发展过程中,最初形成的物体名词多存储于右侧大脑半球,随语言发育逐渐转移至左侧大脑半球进行进一步语法及语音加工。本研究通过中文任务也进一步验证了视皮层显著参与了图片命名,表明此种简单命名任务主要依赖于早期语言发育网络。因此,通过图片与文字两种语言任务能够较完整揭示初级及高级语义功能区,为全面了解语言功能状况提供客观依据。同样,对由于临床患者智力低下原因无法执行动词联想任务者,可通过图片命名来判断语言功能区。因此两种语言任务即可以协同性地揭示整体语言功能区,又可以互补性地对临床上因智力缺陷而无法完成高级语言任务的患者进行功能检查。

  fMRI语言区激活可以探查脑内病变与语言功能区的关系,同样对明确语言优势半球亦具有重要意义。语言优势半球判断可通过量化计算偏侧指数(Lateralization Index, LI)来进行分析,但目前尚无统一的刺激任务及计算公式。虽研究多认为fMRI是取代Wada试验的最可行方法,但也指出对于非典型的左侧语言优势半球,即右侧优势或双侧分布者,fMRI会增大误判机率。已有研究表明语言侧别优势会随年龄增长而趋于明显,由于语言任务中的视皮层激活代表了早期语言发育区域,并图片命名任务引起的此区域激活会导致较大的数据偏倚;另外Wada测试本身也是颈内动脉供血脑区的语言功能测试,并未包含基于椎基底动脉发出的大脑后动脉供血区,而且测试发现后交通动脉开放并大脑后动脉供血有可能会影响Wada结果。本研究计算结果表明摒弃视皮层激活的计算方法对于两种任务的LI具有较显著的一致性,符合率达到93%(14/15),尤其对于右侧优势及双侧分布者亦具有相符结果。

  本研究虽以正常志愿者为研究对象,但是设计了两种不同难度的语言任务来判断脑激活模式,结果表明两种任务联合使用可以全面揭示语言区激活,对了解整体语言功能具有重要意义。虽然图片命名任务具有一定局限性,但可作为智力低下患者无法完成动词联想任务的补充检查手段。本研究将运动任务激活阈值作为语言任务标准化统计的内在参照,使语言区激活范围及强度更加精确。图片命名任务视皮层显著激活表明非复杂语义任务主要由早期语言发育网络参与,而额、颞叶前部脑区更多参与较为复杂的语义判断。摒弃视皮层激活的LI计算证明两种语言任务对于优势半球判断具有较高的一致性。本研究为进一步对临床患者进行语言功能fMRI检查奠定了理论及实践基础。





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