生物類與非生物類圖片命名任務對大腦活動時空模式的影響

蔣玉爾，林楓，b，江鐘立，b

失語癥(aphasia)是腦卒中或腦外傷后的一類常見后遺癥，表現為口語和書面語的產出或理解困難[1-5]。幾乎所有失語癥患者均遺留有不同程度的命名障礙[6]。圖片命名在臨床言語治療中，是一種常用的評估和治療方法[7-9]。用來訓練的素材多為日常生活中常見的對象，如生物(水果、動物等)和非生物(工具、家具等)類別的圖片。但需要注意的是，圖片命名是一個復雜的神經過程，需要多個特定腦區的相互作用，將說話者想要表達的概念轉換成語言形式，并將詞匯組織轉換成快速、協調、清晰的運動序列，全過程發生在毫秒級別[10]。在言語產出涉及的眾多功能特異性腦區中，核心區域位于左側額下皮質和左側顳后皮質[11]。正如不同損傷部位和程度的腦卒中或腦外傷會導致不同類型的失語癥，不同類別的圖片會使大腦產生不同時間和空間關系的信息處理，在各腦區、各時間窗下表現出類別間的差異。目前已有研究證明動詞和名詞激活的腦區不同，提示了訓練素材的詞性會對言語治療的效果產生影響[12]。但母語為漢語的失語癥患者，圖片命名作為其言語治療的方法，選取何種類別的名詞圖片作為訓練素材可以最有效地刺激言語相關腦區，仍有待探索。

本研究采用高時空分辨率的腦磁圖(magnetoencephalography，MEG)，檢測不同類別圖片命名在時間和空間維度下的大腦活動，精確截取毫秒級的時間進程，選取全腦各腦區的激活強度為指標，比較生物類圖片命名和非生物類圖片命名任務間腦區激活的差異，從而探討兩類圖片命名任務對正常大腦活動時空模式的影響。

1 資料與方法

1.1 一般資料 本研究選取10例健康志愿者(男女各5例)，平均年齡(24.1±1.5)歲，平均受教育(17.1±1.6)年。入組標準為：母語漢語；改良愛丁堡利手問卷：右利手；受教育時間>9年；西方失語癥成套測驗漢化版：無失語(失語商>93.8)。排除標準為：認知障礙；構音障礙；視覺和視空間障礙(前者包括視力模糊、色盲、色弱等視覺障礙，后者包括偏側忽略、視野缺損、巴林特綜合征、視覺性運動失調等視空間障礙)；聽覺障礙；神經疾病或精神功能障礙，近期服用過對中樞神經系統有影響的藥物；不能完成本研究相關任務；存在MRI檢查禁忌證、不能耐受30min的腦磁圖及10min磁共振檢查。本實驗得到南京醫科大學倫理委員會的批準(2016-SR-008)，所有受試者均在入組前簽署知情同意書。

1.2 方法 ①實驗檢測：MEG檢測使用CTF-275導全頭型腦磁圖系統(加拿大VSM醫療技術公司)，受試者平臥位，在磁屏蔽室內進行采集。標記鼻根和雙耳屏前1cm作為定位點，使用定位線圈固定。眼動和心電事件的檢測由腦電圖(electroencephalogram，EEG)導聯記錄，前者貼于雙眼眶上、外眥以及眶下，后者貼于雙側手背及手腕。圖片命名任務態的采樣頻率為1200Hz。每次任務態采集完成受試者離開房間后，均繼續采集2min空房噪音，采樣頻率為6000Hz。圖片呈現使用BrainX刺激軟件(美國Cincinnati兒童醫院腦磁圖中心)[13]，投影于顯示屏上，屏幕與視線夾角約10°，屏幕距離受試者眼睛約40cm。檢查過程中頭動大于0.5cm的數據被舍棄。MRI檢測使用1.5T磁共振成像系統(美國GE公司)，采集T1加權像。每次掃描均在MEG采集完成后，按照已標記的定位點固定標志物，以便后期融合。②實驗刺激：從義征數據集中選取25張黑白簡筆畫圖片作為腦磁圖檢測過程的刺激材料[14]，其中5張圖片作為適應圖，20張來自生物類和非生物類的名詞圖片作為刺激圖。實驗共包含120個測次，為了避免同類圖片連續命名產生語義干擾效應，故將兩類圖片的呈現順序進行隨機。任務開始首先呈現黑十字圖“+”作為提示信號，隨后呈現適應圖片和刺激圖片，每張呈現時間均為600ms。圖片間隔時間為3100～3400ms的隨機間隔時間[15]，以消除受試者對圖片呈現的預期反應。指導語為：請平躺，睜眼，盡量保持不動，十字出現后任務開始，請說出圖片上是什么。

1.3 數據處理 MRI數據由BrainSuite軟件讀取，應用BCI-DNI腦區分隔方案，將大腦重建標注為130個腦區(左右各65個)。MEG數據由Brainstorm軟件讀取，以定位點建立MNI(Montreal Neurological Institute)三維坐標系統，并與標注后的個體化大腦進行融合。預處理步驟包括直流電漂移校正(DC-offset correction)、線性趨勢消除(linear trend removal)、1～45Hz帶通濾波(band-pass filter)和50Hz間陷口濾波(notch filter)，事件檢測包括眨眼、掃視、心電和肌電，采用信號空間投射(signal-space projection，SSP)和獨立成分分析(independent component analysis，ICA)去除偽跡。手動標記并獨立核驗壞段。受試者兩類圖片的刺激波形分別疊加平均，結合頭模和空房噪音后采用最小范數成像法(minimal norm imaging，MNI)溯源。源水平進行基線(-200～0.8ms)校準后取絕對值，投射至標準腦模版并加以3mm平滑。全腦激活強度的分析提取0～535ms的時間序列，并分為6個時間窗[16]：t1(0～119ms)初級視覺處理，t2(120～150ms)次級視覺處理和目標識別，t3(151～190ms)語義記憶檢索和類別判斷，t4(191～320ms)語義處理并整合對語音形式的訪問，t5(321～480ms)語音編碼和發音準備，t6(481～535ms)語音發音及反省。

1.4 統計學方法 采用SPSS 25.0及brainstorm軟件進行數據的統計分析。通過置換檢驗比較圖片類別對命名時全腦各腦區激活強度的影響[17]，置換次數為100000次，以P<0.05為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 兩圖片命名任務中全腦激活過程 生物類和非生物類圖片命名任務中，全腦激活隨時間進程發生變化。早期腦區激活從雙側枕葉開始，逐步向顳葉和頂葉擴散，最后額葉激活產生言語，見圖1。

2.2 兩圖片命名任務間全腦優勢腦區 在t1時間窗內，生物類圖片命名在右側扣帶回前部(P=0.0475，t=-2.0502)激活強度顯著低于非生物類圖片命名，但生物類圖片命名在右側楔葉后部(P=0.0249，t=2.3420)、右側枕下回背后部(P=0.0369，t=2.1827)、左側舌回前部(P=0.0144，t=2.5477)、左側舌回后部(P=0.0358，t=2.1336)、右側舌回后部(P=0.0411，t=2.1279)、左側中央后回下部(P=0.0171，t=2.5041)、右側枕上回上部(P=0.0301，t=2.2870)和左側額橫回外側部(P=0.0282，t=2.3081)均顯著高于非生物類圖片命名；在其余腦區差異均無統計學意義。在t2時間窗內，兩種圖片命名任務在全腦各腦區差異均無統計學意義。在t3時間窗內，生物類圖片命名在左側額橫回外側部(P=0.0215，t=2.4252)顯著高于非生物類圖片命名，在其余腦區差異均無統計學意義。在t4時間窗內，生物類圖片命名在右側額中回前部(P=0.0258，t=2.1810)顯著高于非生物類圖片命名，在其余腦區差異均無統計學意義。在t5時間窗內，生物類圖片命名在右側楔葉前部(P=0.0323，t=2.1978)和左側中央后回上部(P=0.0253，t=2.3020)均顯著高于非生物類圖片命名，在其余腦區差異均無統計學意義。在t6時間窗內，生物類圖片命名在左側楔葉前部(P=0.0329，t=2.1940)和左側島蓋部上部(P=0.0363，t=2.1862)顯著高于非生物類圖片命名，在其余腦區差異均無統計學意義，見表1。

圖1 兩圖片命名任務中全腦激活過程

3 討論

圖片命名過程涉及快速而精準的腦區活動[18]。在這可能短至幾百毫秒的過程內跟蹤時空動態變化，仍然是一個具有挑戰性的問題[19-20]。功能性磁共振成像雖然具有出色的空間分辨率，但血流動力學反應只能度量到秒級的大腦活動；EEG雖然時間分辨率較高，但空間定位能力較差，難以為大規模腦活動提供依據。在此，MEG兼顧了時間和空間精度，能夠在動態過程中準確定位功能腦區，反映時間和空間維度下皮層的功能活動情況，從而追蹤圖片命名過程中的任務相關改變[10]。

視覺處理相關階段包括視覺信息輸入(t1)和信息處理(t2)。早期隨著圖片呈現，雙側初級次級視覺皮層產生激活，開始圖片類別識別前的視覺特征提取。在此時間窗內(0～119ms)，右側扣帶回前部是非生物類圖片命名出現的唯一優勢腦區。該腦區涉及注意控制功能，在視覺傳入階段與整體認知也有關[21-22]，提示非生物圖片命名可能更需要注意的維持。而在相同時間窗內，生物類圖片命名則呈現出明顯優勢。右側楔葉作為初級視覺中樞，與右側枕上回、枕下回和舌回類似，在此時進行最基本的視覺處理，并調節初級視覺皮層向外側皮質傳遞的信號[23-24]。左側中央后回作為感知覺中樞，左側額橫回作為前額葉的一部分，均具有感知和執行功能[25-27]，此時也得到優勢激活，提示生物類圖片引起了感知覺皮層的更強激活。Zannino等[28]采用生物和非生物類圖片對13例健康人進行的功能性磁共振成像視覺任務研究發現，在枕中回、枕下回和右側額中回出現了生物類別的優勢激活。雖然功能性磁共振成像研究不能精確區分時間進程，但所用視覺任務本身對大腦活動對應的時間進程進行了限制。本研究依據腦磁圖的技術支持，將時間進程進行了更詳細的劃分及定位，顯示了早期視覺相關腦區出現顯著激活差異。在次級視覺皮層信息處理時間窗內(120～150ms)，生物類和非生物類圖片命名在各腦區的激活強度基本一致，提示不論命名對象是否有生命，其目標識別過程都是類似的。

表1 兩圖片命名任務間全腦優勢腦區激活強度

語義處理相關階段包括語義檢索(t3)和形式轉換(t4)。為了檢索語義記憶、提取語義特征并進行語義編碼，該階段顳頂葉在兩任務中均得到大范圍高強度的激活[11]，故并未顯示出優勢差異。Contini等[29]報道在視覺任務中生物類別的顳葉皮層在150～250ms存在顯著優勢激活，但本研究在此時間窗內還疊加了圖片命名任務與語義特征提取和語義語音轉換有關的顳葉活動，所以兩任務均出現了顳葉皮層的強激活，無顯著差異。相反，在語義檢索時間窗內(151～190ms)，由于語義類別辨識與持續注意和執行功能密切相關[30]，所以生物類圖片命名再次在左側額橫回出現優勢激活，以判斷圖片的所屬語義類別。同樣，在語義語音轉換期間(191～320ms)，生物類圖片命名仍然是優勢任務，在右側額中回出現優勢激活，此時主要進行詞匯選擇，從同類別的競爭者中選出目標詞匯[11,31]。這提示生物類圖片和非生物類圖片在語義信息處理過程中，語義提取和編碼方式是類似的，但是在類別判斷和目標選擇方面，生物類圖片要求更高。

語音處理相關階段包括語音編碼(t5)和發音發聲(t6)。此階段出現典型激活的腦區主要集中在額頂葉，例如額下回、中央前回和中央后回。在語音編碼期間(321～480ms)，生物類圖片命名的優勢腦區出現在右側楔葉和左側中央后回，由于既往研究多局限在視覺判斷任務，提示右側楔葉的優勢激活與視覺運動行為的規劃和執行有關[32-33]，左側中央后回的優勢激活提示在出聲圖片命名任務中參與了控制口面部的運動，并與命名時的行為表現有關[34-35]。最后，隨著發音開始(481～535ms)，生物類圖片命名在左側楔葉和左側額下回島蓋部出現優勢激活，左側楔葉繼續監測發聲的運動控制，而左側島蓋部作為Broca區的一部分，將語義語音編碼進行轉換并維持口語流暢度，在出聲命名階段起著至關重要的作用[36-37]。左側島蓋部作為生物類別的優勢腦區，在語音編碼和產出過程中起著重要作用，提示了生物類圖片命名可以產生語音相關腦區的更強激活。

本研究存在一定局限性：首先，研究樣本量較小，且僅納入了青年健康人群，后期將樣本擴大到不同年齡人群建立常模數據；其次，在此基礎上，加緊完善失語癥患者的數據收集，探明不同訓練素材治療后言語功能重塑的腦機制。

本研究采用高時空分辨率的腦磁圖檢測，結合臨床上圖片命名在應用中的實際問題，選擇了言語治療中常用的圖片及類別，探索了對失語癥患者進行圖片命名訓練時素材的選擇問題。縱觀兩任務全過程，可以發現優勢地位基本由生物類圖片命名占據，且優勢腦區覆蓋了枕葉、頂葉和額葉。這意味著除了發生在顳葉的語義檢索和編碼沒有明顯差別以外，命名中全腦涉及到的其他相關功能都以生物類圖片激活更高。本研究對生物類和非生物類圖片命名任務進行了功能影像學比較，也為后期失語癥患者的比較研究提供了常模支持。