詞圖語言任務(wù)在卒中后失語功能磁共振成像實(shí)驗(yàn)中的刺激模式及模型研究進(jìn)展

李曉琳，張斌龍，樊瑞文，徐敏杰，黃幸，舒鑫，李昌明，譚中建，常靜玲

1.北京中醫(yī)藥大學(xué)東直門醫(yī)院，a.神經(jīng)內(nèi)科；b.放射科，北京市 100700；2.中國中醫(yī)科學(xué)院廣安門醫(yī)院，北京市100053

腦卒中占全球所有殘疾調(diào)整生命年(disability-adjusted life years,DALYs)的5%，占所有死亡人數(shù)的10%[1-2]。失語作為腦卒中的主要并發(fā)癥，可導(dǎo)致患者自信心下降、睡眠障礙、反應(yīng)遲鈍，并伴情緒低落、焦慮等不良情緒[3]。人類語言發(fā)生和損傷過程中的心理變化和認(rèn)知機(jī)理研究為當(dāng)今研究難點(diǎn)與熱點(diǎn)[4]。關(guān)于失語癥管理的國際最佳實(shí)踐共識(shí)聲明指出，“應(yīng)該為失語癥患者提供強(qiáng)化和個(gè)性化的失語癥治療，旨在對(duì)溝通和生活產(chǎn)生有意義的影響”[5]。因此，對(duì)失語癥患者的個(gè)性化治療至關(guān)重要。

言語的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要感覺系統(tǒng)以及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)功能綜合協(xié)調(diào)配合才能產(chǎn)生正確的語言方式。近年來，語言產(chǎn)生主要從心理語言學(xué)和運(yùn)動(dòng)控制兩大傳統(tǒng)理論進(jìn)行研究[6]。其中心理語言學(xué)對(duì)于語言各個(gè)層面的恢復(fù)機(jī)制探討一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，詞圖研究范式在心理語言學(xué)研究中得到廣泛的應(yīng)用。通過不同形式的圖片和詞匯組合設(shè)計(jì)成不同的語言任務(wù)，可以應(yīng)用于不同損傷類型失語癥的評(píng)估和康復(fù)，其中，刺激的性質(zhì)、如何介入任務(wù)、治療師與患者的互動(dòng)、反饋類型以及給予的提示成為任務(wù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

認(rèn)知神經(jīng)心理學(xué)在失語癥的治療中占關(guān)鍵地位，可極大地降低治療師的治療選擇，基于認(rèn)知功能表達(dá)和處理過程清晰詳細(xì)的假說，人們可以拒絕未經(jīng)理論證實(shí)的治療策略。

圖詞范式(picture-word interference,PWI)是由Stroop任務(wù)發(fā)展而來，既往研究大部分通過該范式來探索口語產(chǎn)生的過程[7-9]。Stroop 任務(wù)由不同顏色以及不同文字組成，是心理學(xué)研究的經(jīng)典任務(wù)之一，常被用于研究沖突加工的神經(jīng)機(jī)制。在經(jīng)典的Stroop實(shí)驗(yàn)中，被試的任務(wù)是命名字的實(shí)際顏色同時(shí)忽略字的意義。在一致條件下，字的意義和顏色相同(如紅色的“紅”字)；在不一致條件下，字的意義和顏色不同(如紅色的“藍(lán)”字)；在中性條件下，則呈現(xiàn)著色的字符串(如紅色的“XX”)或者著色的、不具有顏色含義的中性漢字(如紅色的“格”字)。與一致條件、中性條件相比，被試在不一致條件下的錯(cuò)誤率更高、反應(yīng)時(shí)更長，此即Stroop干擾效應(yīng)[10]。

經(jīng)典的圖畫詞匯干擾范式是呈現(xiàn)圖畫和干擾詞，要求被試忽略干擾詞，盡可能準(zhǔn)確而迅速地說出圖畫的名稱。PWI效應(yīng)被定義為語義相關(guān)和不相關(guān)的干擾詞條件之間圖片命名延遲的差異[11]，一般在PWI中會(huì)包括兩個(gè)自變量：圖畫與干擾詞之間的關(guān)系、圖畫與干擾詞呈現(xiàn)之間的時(shí)間間隔。除此之外，圖片的種類及詞匯的性質(zhì)和種類也會(huì)影響其在失語癥評(píng)價(jià)及治療中的作用。

由于失語癥的治療方法種類繁多、差異顯著，不同的治療方法反映對(duì)失語癥損傷性質(zhì)及治療目標(biāo)的不同認(rèn)識(shí)。這種多樣性不僅反映患者個(gè)體的癥狀多樣性，還反映治療師治療方法的不同。本文介紹幾種常見的語言任務(wù)刺激通路及刺激模型，旨在為失語癥治療設(shè)計(jì)有針對(duì)性的語言任務(wù)提供參考。

1 刺激模式

1.1 視覺呈現(xiàn)語言任務(wù)

實(shí)時(shí)功能磁共振成像(functional magenetic resonance imaging,fMRI)應(yīng)用與語言任務(wù)相結(jié)合的方式正在日趨增多。Sreedharan等[12]通過實(shí)時(shí)fMRI結(jié)合神經(jīng)反饋訓(xùn)練對(duì)卒中后失語(poststroke aphasia,PSA)患者的腦活動(dòng)進(jìn)行探索，可以實(shí)時(shí)看到語言區(qū)域的活動(dòng)，使患者有動(dòng)力去鍛煉語言區(qū)域。對(duì)患者語言功能區(qū)的調(diào)節(jié)機(jī)制進(jìn)行探討，神經(jīng)反饋訓(xùn)練之前的預(yù)訓(xùn)練包括圖片命名任務(wù)(只聯(lián)想名字，但不大聲說出來)，屏幕上顯示對(duì)象命名，通過按下左右鍵從兩個(gè)選項(xiàng)中選擇正確的名字；該圖片命名測試與基線模塊測試以及上調(diào)模塊測試穿插進(jìn)行，測試神經(jīng)反饋訓(xùn)練對(duì)PSA 患者的表達(dá)與理解過程方面的改善程度。Sims等[13]通過對(duì)慢性失語癥患者進(jìn)行語義處理任務(wù)，以確定書面語義特征是否與圖片匹配，或兩個(gè)書面單詞是否相關(guān)，結(jié)合fMRI發(fā)現(xiàn)，盡管原始定義相關(guān)的腦區(qū)受損嚴(yán)重，但左側(cè)額下回、額蓋部和三角部是僅有的與行為準(zhǔn)確性相關(guān)的區(qū)域。此外，雙側(cè)額上回、額中回、前扣帶等額葉區(qū)域在傳統(tǒng)語言區(qū)域(包括額下回、顳中回、額上回和角回)受損時(shí)，似乎可以作為輔助網(wǎng)絡(luò)，通過視覺識(shí)別書面語義特征來證實(shí)與特定語言任務(wù)相關(guān)腦區(qū)的關(guān)系。也有研究通過閱讀任務(wù)進(jìn)行卒中后語言障礙患者的語音恢復(fù)研究，fMRI掃描過程中執(zhí)行事件相關(guān)語義匹配詞圖任務(wù)，要求受試者大聲朗讀單詞，發(fā)現(xiàn)成功的單詞閱讀與左角回中較高的血氧水平依賴(blood oxygen level dependent,BOLD)信號(hào)相關(guān)；而在錯(cuò)誤的試驗(yàn)中，雙側(cè)后下額葉皮層和前扣帶回皮層等腦區(qū)的BOLD 信號(hào)更強(qiáng)。此研究證實(shí)，角回是語義網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)[14]。這些針對(duì)視覺呈現(xiàn)的語言任務(wù)，探索了閱讀、命名、口語表達(dá)、書面表達(dá)以及語音等相關(guān)腦機(jī)制[15-18]。

1.2 聽覺呈現(xiàn)語言任務(wù)

有關(guān)聽覺語言刺激的研究顯示，語言性聲音刺激時(shí)，聽覺中樞和語言中樞均有激活，顯示的腦功能區(qū)與功能神經(jīng)解剖學(xué)中的功能區(qū)劃分較一致。人腦接受語言性聲音刺激時(shí)除了單純聽覺對(duì)聲音的獲取，還包括語言的刺激以及人腦對(duì)與其有關(guān)的語義概念的存取。聽覺性語言刺激下，眾多聽覺、語言皮層區(qū)共同參與活動(dòng)，以左側(cè)為主，說明左側(cè)大腦半球在聽覺語言的處理中是優(yōu)勢(shì)半球，且半球內(nèi)各腦區(qū)間有相互協(xié)同作用；右側(cè)相關(guān)功能區(qū)也有參與，兩半球間也有協(xié)同作用。Griffis 等[19]運(yùn)用多模態(tài)MRI數(shù)據(jù)分析方法，以慢性左半球腦卒中患者為研究對(duì)象，對(duì)聽覺語義決策過程中區(qū)域組織保留程度與功能性MRI激活之間的關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果表明，保留左后顳頂葉結(jié)構(gòu)與任務(wù)誘發(fā)語義網(wǎng)絡(luò)功能之間存在聯(lián)系；在慢性腦卒中患者的語義加工過程中，這些區(qū)域的損傷可能導(dǎo)致非典型任務(wù)誘發(fā)反應(yīng)。Wilshire 等[20]通過研究聽覺呈現(xiàn)詞圖匹配任務(wù)，通過控制音素在目標(biāo)詞匯與圖畫之間的位置，發(fā)現(xiàn)在圖畫呈現(xiàn)前150 ms或后150 ms內(nèi)，目標(biāo)詞匯會(huì)促進(jìn)命名的效率，表明單詞的開始音素比結(jié)束音素啟動(dòng)的要晚，但是尚不清楚這些影響是否真的在語音檢索的層面上反映促進(jìn)作用。除了自然語言狀態(tài)下及PSA 患者運(yùn)用聽覺通路下的語言任務(wù)進(jìn)行研究[21]，一些研究也通過聽覺呈現(xiàn)的語言任務(wù)評(píng)估語言功能障礙患者的相關(guān)語言功能，進(jìn)行術(shù)前手術(shù)定位[22-24]。

1.3 視聽同時(shí)呈現(xiàn)語言任務(wù)

聲音象征主義是指一個(gè)聲音產(chǎn)生某種印象(如音素p與小的印象相關(guān)聯(lián))，可能是詞義聯(lián)想的心理基礎(chǔ)。在這項(xiàng)研究中，受試者被要求比較標(biāo)準(zhǔn)刺激和目標(biāo)刺激的視覺大小，同時(shí)聽假定會(huì)產(chǎn)生較大或較小印象的音節(jié)。刺激反應(yīng)一致性是指目標(biāo)大小與音節(jié)印象的一致性。行為數(shù)據(jù)顯示，受試者在不一致條件下的反應(yīng)時(shí)間比在一致條件下的反應(yīng)時(shí)間長，表明他們傾向于將物體的大小與特定音節(jié)聯(lián)系起來。使用fMRI來評(píng)估任務(wù)期間的大腦活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)在不一致的條件下，大腦中與語義和語音過程相關(guān)的區(qū)域(分別為左側(cè)顳中回和右側(cè)顳上回)都被激活。表明這些區(qū)域與聲音象征的不一致有關(guān)。

Venezia等[25]研究顳上溝在特定模態(tài)和多模態(tài)語音條件下的功能組織，在fMRI設(shè)計(jì)中，讓受試者接受聽覺、視覺和視聽同呈的語言刺激，以及聽覺和視覺非語言控制刺激，結(jié)果表明，聽覺和視覺的語言表征分別在前、后顳上溝語言處理通路中逐漸細(xì)化，并可能整合到中部顳上溝語言處理通路中，中部顳上溝語言處理通路對(duì)呈現(xiàn)模式內(nèi)和跨呈現(xiàn)模式的較為抽象的語音信息更敏感。Xi等[26]設(shè)計(jì)單模聽覺、單模視覺和具有語義信息的雙模視聽刺激的fMRI實(shí)驗(yàn)，通過記錄三種任務(wù)相關(guān)的fMRI數(shù)據(jù)以及靜息狀態(tài)下的fMRI數(shù)據(jù)，利用fMRI技術(shù)，結(jié)合圖形理論分析，構(gòu)建任務(wù)相關(guān)和靜息狀態(tài)下的功能腦網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)其拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)特性進(jìn)行了定量表征，結(jié)果表明，處理語義視聽刺激的功能腦網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)受注意力調(diào)節(jié)，并且具有高效率等特點(diǎn)，可以有效保持多感官處理的功能分離與整合的最佳平衡。

2 語言刺激模型

2.1 文本語義分布模型

文本語義分布模型是基于出現(xiàn)的上下文粗略估計(jì)詞匯的語言學(xué)意義的計(jì)算模型，例如，“金字塔”和“駱駝”是相關(guān)的，因?yàn)樗鼈兺瑫r(shí)出現(xiàn)在相似的段落中；“駱駝”和“驢”是相關(guān)的，因?yàn)樗鼈兌及l(fā)生在“騎馬”的上下文中。因此，“駱駝”可以從語義上表示為一個(gè)載體，列出駱駝與其他一組單詞共同出現(xiàn)的頻率(例如在“金字塔”與“騎馬”得分高的地方)。通常，基于文本的模型由數(shù)百萬個(gè)單詞文本庫構(gòu)建而成，許多方法被用于這種模型的建立，在實(shí)踐中，它們通常間接地表示單詞的共現(xiàn)，而不僅是單詞的計(jì)數(shù)。基于文本的語義模型已被廣泛應(yīng)用于解釋與具體概念相關(guān)的fMRI數(shù)據(jù)[27-30]或者具體的名詞/動(dòng)詞[31]，抽象概念、句子[32]和故事[33]，也與fMRI數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行語義研究[34]。然而，它們?cè)诓蹲綗o法從文本中學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)成分方面的機(jī)制研究能力有限。

2.2 圖像語義分布模型

基于圖像的語義分布模型表示單詞的視覺識(shí)別(如狗長什么樣)是基于圖像的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在基本層面上，可以通過考慮由顏色/形狀片段(又稱“視覺詞”)在圖像中的排列來理解，這與文本詞排列成文檔的方式非常相似，可以列出與形成相應(yīng)圖片的不同視覺片段的共同呈現(xiàn)。因此，建筑與堅(jiān)硬的邊緣及石頭紋理聯(lián)系在一起，而哺乳動(dòng)物則與圓形的邊緣以及皮毛聯(lián)系在一起。基于圖像的模型已被應(yīng)用于識(shí)別與名詞相對(duì)應(yīng)物品的視覺外觀相關(guān)的fMRI激活研究[28]。當(dāng)然，基于圖像的方法只可用于能通過圖像建模的概念相關(guān)。

有研究結(jié)合文本和特征規(guī)范數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)在行為實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行研究[35]，基于圖像和文本的模型被融合在一起，以幫助解釋與名詞相關(guān)的fMRI數(shù)據(jù)[28]。文本及特征表現(xiàn)被結(jié)合應(yīng)用于句子閱讀中引出的模擬fMRI實(shí)驗(yàn)。視覺數(shù)據(jù)和行為屬性以一種聯(lián)結(jié)方法結(jié)合在一起，在可視化對(duì)象命名研究中將可視化處理轉(zhuǎn)換到語義處理[36]。

2.3 特征規(guī)范模型

這種模型是基于體驗(yàn)者對(duì)單詞及其所參照對(duì)象的報(bào)告或者評(píng)級(jí)。參與者要么使目標(biāo)詞與研究者解釋的語義特征相關(guān)聯(lián)，要么語義特征被提前確定好，參與者針對(duì)這些概念特性的重要程度進(jìn)行評(píng)估[37]。在后一種情況下，參與者可能對(duì)“閃電”與“視覺”、“聽覺”、“動(dòng)作”和“情緒”的關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行0～6 分的評(píng)分。那么“閃電”可以作為這4 個(gè)指標(biāo)的載體。這種特征規(guī)范模型可以用來解釋名詞和動(dòng)詞的特定損傷[38]和行為任務(wù)中的語義效應(yīng)模式。因此，這個(gè)模型有助于解釋與具體概念相關(guān)[39]以及描述事件的句型[40-41]的fMRI數(shù)據(jù)。然而，雖然特征規(guī)范模型適合于測量語義表征的單模態(tài)或者跨模態(tài)特征，但是它對(duì)于面向語言學(xué)的抽象概念方面沒有優(yōu)勢(shì)。

2.4 語義知識(shí)和概念習(xí)得的聯(lián)結(jié)模型

由生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)啟發(fā)得來，模型通常由多層節(jié)點(diǎn)(類似于神經(jīng)元)組成，這些節(jié)點(diǎn)通過權(quán)重(類似于突觸)相互連接。傳統(tǒng)的模型都是經(jīng)過訓(xùn)練的，在輸入層顯示的單詞與其在輸出層顯示的語義屬性之間進(jìn)行映射[42]。語義屬性可以由研究者或行為規(guī)范來決定。訓(xùn)練是通過一個(gè)適應(yīng)連接權(quán)重的優(yōu)化過程來完成的，概念習(xí)得模型通過訓(xùn)練處理后得到，并對(duì)訓(xùn)練后的權(quán)值模型進(jìn)行展示。傳統(tǒng)的聯(lián)結(jié)模型在大腦活動(dòng)探查方面的應(yīng)用有限，雖然有些研究應(yīng)用聯(lián)結(jié)模型來解釋神經(jīng)疾病中的功能連接數(shù)據(jù)[36,43]，但是，聯(lián)結(jié)模型是基于文本以及影像數(shù)據(jù)形成的(包括深度學(xué)習(xí)圖像模型[36])，因此在應(yīng)用于卒中語言障礙的探查中作用有限。

2.5 分類項(xiàng)目模型

分類項(xiàng)目模型以成分的類別表示概念，例如，“貓”可以表示作為二元載體，分別屬于“哺乳動(dòng)物”和“動(dòng)物”的類別，大規(guī)模的分類體系是人工匯編的。分類項(xiàng)目模型已經(jīng)應(yīng)用于具體詞匯的學(xué)習(xí)[44]以及對(duì)電影中與對(duì)象/動(dòng)作相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行預(yù)測建模[45]。但是它不太適合應(yīng)用于經(jīng)驗(yàn)性成分或者不屬于明確類別的抽象性概念，例如“道德”這類詞。此模型可以結(jié)合fMRI用于揭示詞匯概念加工在大腦區(qū)域中的重要性[18,46-47]。

3 小結(jié)

隨著認(rèn)知心理學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)學(xué)研究的不斷深入，人類語言發(fā)生過程中的心理變化和認(rèn)知機(jī)制備受關(guān)注[4]。除上述語言模型以外，心理學(xué)家還提出了相關(guān)的模型和理論假設(shè)，如激活擴(kuò)散模型、符合線索理論、交互激活模型和分布式聯(lián)結(jié)主義模型、詞匯聯(lián)想模型、認(rèn)知控制抑制理論、競爭選擇和反應(yīng)選擇理論，以及負(fù)激活效應(yīng)和競爭啟動(dòng)效應(yīng)等。現(xiàn)實(shí)研究中，對(duì)于任何一個(gè)模型的進(jìn)一步探討，都可以驗(yàn)證和排除其對(duì)語言評(píng)價(jià)模式的現(xiàn)實(shí)意義。語言加工是大腦處理語音、語義、語法等多層次信息的復(fù)雜過程[48]。語言的產(chǎn)生是不同腦區(qū)間協(xié)同作用結(jié)果，語言功能相關(guān)的腦區(qū)分布在額顳頂皮質(zhì)、皮質(zhì)下等廣泛區(qū)域，其機(jī)制的直觀顯示就是腦結(jié)構(gòu)與功能網(wǎng)絡(luò)。因此，設(shè)計(jì)不同類型的語言刺激任務(wù)(聽覺刺激、視覺刺激、視-聽覺刺激等)，觀察腦激活情況，進(jìn)一步分析不同語言任務(wù)對(duì)于腦區(qū)激活的差異，以及腦區(qū)激活差異與語言任務(wù)測試意義的關(guān)系尤為重要，任務(wù)態(tài)fMRI為揭示語言損傷機(jī)制提供了新方法與新途徑。有研究發(fā)現(xiàn)在詞圖干擾范式中同時(shí)存在語義抑制效應(yīng)和語義促進(jìn)效應(yīng)兩種相互矛盾的效應(yīng)。因此，為驗(yàn)證語言抑制與促進(jìn)效應(yīng)與腦區(qū)激活之間的影響，今后可設(shè)計(jì)基于文本和語義分布模型的詞圖相關(guān)語言任務(wù)，進(jìn)一步為失語癥的評(píng)價(jià)與治療提供新的試驗(yàn)范式。

未來，在失語癥評(píng)價(jià)與治療過程中，言語語言病理學(xué)家、治療師和其他專業(yè)人士所面臨的挑戰(zhàn)是確定針對(duì)個(gè)體特定障礙的有效修正術(shù)，強(qiáng)調(diào)治療不僅是關(guān)于任務(wù)和材料的使用，而是一種任務(wù)、心理語言學(xué)概念傳遞以及治療師和患者之間的相互聯(lián)系的組合，臨床上獲取這些信息的途徑和對(duì)其應(yīng)用的理論模型的理解程度是不同的。現(xiàn)階段對(duì)于失語癥的評(píng)定及治療方案已不再局限于醫(yī)學(xué)范疇中針對(duì)功能點(diǎn)的傳統(tǒng)模式，而是向認(rèn)知神經(jīng)心理學(xué)尋求更有針對(duì)性及精準(zhǔn)的方法。雖然現(xiàn)今語言及康復(fù)領(lǐng)域?qū)τ诓糠质дZ癥的評(píng)定及治療方案仍有分歧，但由于神經(jīng)電生理及影像學(xué)的發(fā)展，不同腦區(qū)的功能分布逐漸被探索、驗(yàn)證，從而更好地指導(dǎo)失語癥患者的康復(fù)方向及結(jié)局預(yù)見。