功能磁共振成像在人腦語言中的研究進展

馬來陽，劉光耀，張鵬飛，王俊，馬玉榮，鄒婕，張靜

人類語言習得是一個極其復雜的過程，涉及多種運動、感覺和認知領域[1]。在工作及生活中需要并使用兩種或兩種以上語言的人，稱雙語者或多語者。人腦語言的加工處理機制，尤其多種語言系統是如何共存并協同工作的，引起了科學家們的廣泛關注。功能磁共振成像(f unct ional magnetic resonance imaging，f MRI)技術先進，可以無創地觀察正常人腦的功能，并已獲得很多有價值的發現。利用f MRI技術探索雙語、多語等的發生機制以及語言與腦內在神經相關網絡之間關系是目前的研究熱點。本文就f MRI在人腦語言方面的研究現狀作一綜述。

1 人腦語言研究簡介

人類語言包括表達、理解、閱讀、書寫等功能，不同功能在大腦中分布不同。最早證明語言的腦功能定位研究來自于Br oca對失語癥患者的尸體解剖[2]。他發現語言功能主要集中在左半球，且語言的某些方面與特定的腦皮層部位相聯系。隨后，Carl Wer nicke提出了關于大腦語言功能的第一個理論[2]，即語言的高級功能是分離的，信息從大腦的一個區域傳遞到另一個區域。Geschwind[3]認為腦語言功能需要多個腦區相互配合完成，而Lur ia[4]則聯合認知科學、神經科學等，進一步闡述了腦語言功能與大腦皮層的神經網絡有關。

近年來，隨著科學技術的迅速發展，研究大腦語言功能的技術也日漸廣泛，如開顱手術過程中對大腦進行直接的刺激；腦磁圖(megnat oencephal ogr aphy，MEG)在腦語言功能區的定位研究；正電子發射斷層掃描(posit ron emission t omogr aphy，PET)對被試進行言語思維的腦機制研究等，擴充了對語言功能研究的認識。f MRI具有較高的空間分辨率，適用于各種復雜的心理實驗范式，運用成像技術和圖像處理方法，可以將腦的活動以直觀的圖像形式表達出來，并已在人腦語言相關研究中獲得很多有價值的發現。

2 功能磁共振在人腦語言中的研究進展

2.1 語言的腦功能區定位

利用f MRI高空間分辨率的特點，可以較準確地定位腦語言區。一些關于漢語和西方語言的研究表明，當大腦在處理語言時，不同的大腦區域會被激活。例如一項關于英語和字母語言系統的研究表明[5]，在語義處理過程中，左側額下回是最重要且相對持續激活的區域；而在處理語音加工時，顳上回會顯著激活[6]。Tan等[7]的研究結果表明，左側頂后回和額中回是漢語語音處理的腦區。也有研究表明，漢語語言認知任務的腦激活區有雙側額下回、雙側額中回、左中央前回及雙側小腦上部等區域[8-9]。有大量證據支持語言學習涉及遠超出經典語言中心的區域(Broca區域和Wernicke區域)，還包括小腦和基底神經節區域。Boot h等[10]研究表明小腦與左額下回和左外側顳葉皮層相互連接，殼核與這兩個腦區單向連接。此外，小腦與這些語音處理區域之間的聯系強于殼核與這些區域之間的聯系，這一結果表明殼核和小腦在語言處理中可能有不同的作用[11]。上述研究表明除了所有語言處理共享的神經活動之外，每種語言都擁有獨特的皮質活動區。

2.2 語言偏側指數的研究

Wer nicke-Licht heim-Geschwind(WLG)模型是描述腦語言的經典模型，其闡述了一個完全左側化的語言系統，認為語言系統主要位于左側外側裂皮層，主要包括產生語言的Br oca區及理解和感知語言的Wer nicke區，區域間由弓狀束連接[12]。隨后有研究在WLG模型的基礎上，更精確地闡述了語言的加工模型，認為語言產生、加工及閱讀等功能區位于左腦；而語言功能區的聯系反映了完整的語言加工過程如何通過腦區間的協作完成的[13]。

Cor bal l is等[14]研究發現在95%～99%的右利手和70%左右的左利手人群中，語言的產生均位于左側大腦半球。隨后有研究指出右側大腦半球在語言發生中有激活區，但是右半球激活區較左半球激活區范圍小[15]。例如，Vigneau等[16]在動詞生成任務中發現右前額葉激活(額中回與額下回附近)，這可能與右側大腦半球相應區域代償有關；也有研究認為其可能是大腦在執行認知任務時產生的激活，與語言的產生無關[17]。綜上，很多研究均發現左腦優勢，說明言語的產生在群體層面具有很強的左側化趨勢。

長期以來，研究證據普遍支持左側大腦半球在大多數右利手人群的語言處理中占主導地位，但越來越多的證據表明，右側大腦半球在語言功能中起到不可或缺的作用，例如左側大腦半球受損后，語言功能的恢復與右側大腦半球腦區活動的增強相關[18]。而右側大腦半球卒中后語言理解也會受到損害[19]。因此，在不同個體中，語言能力的功能偏側可能并非是單一的，針對右腦語言功能機制的研究目前研究尚少，有待于進一步研究。

2.3 失語者腦功能區研究

臨床上引起語言障礙的原因有很多，包括腦卒中、腦部占位性病變、腦炎、頭部外傷等，其中以優勢半球腦卒中引起的失語癥最為常見[10]。經典的“病灶-缺損模型”的失語腦模型己沿用了100多年，但是該模型難以完全解釋某些語言障礙出現的原因。Bal aev等[20]認為部分損傷可能通過破壞與基底神經節和丘腦連接的網絡而影響語言功能。由于f MRI在構建腦網絡中有其獨特性和優勢，已在腦血管病后失語癥方面得到普遍應用。

Al l endor f er等[21]的研究證實，腦卒中患者言語的流暢度可能更多取決于優勢半球的語言網絡結構和功能的完整性。Rosen等[22]對左側額下回梗死的患者行任務態f MRI檢查研究失語可塑性的機制，結果顯示右側額下回的激活程度強于左側額下回，但其激活程度與失語恢復之間無關聯性，而左側額下回明顯激活的患者其失語的恢復較好，故Rosen認為左側額葉梗死灶周圍殘存的語言功能區的激活對失語的康復更明顯。Nardo等[18]對18例左側大腦半球腦卒中后發生獲得性失語癥的患者行任務態f MRI，發現左側大腦半球梗死后右側大腦半球很快被激活，激活區涉及大量重疊的雙側額葉網絡，包括右側前島葉、額下回和背側前扣帶回皮質，以及左側運動前皮質。雖然目前已有大量研究發現，失語癥患者在康復機制中可有不同腦區的激活，左腦病灶周圍功能區的激活被認為是失語癥恢復的關鍵，但右側大腦半球語言同源區域的激活及其作用仍在激烈辯論中，尤其是右額葉皮質發揮的作用。因此，失語癥患者語言恢復機制仍需進一步研究。

3 雙語者及多語者的研究

3.1 雙語者及多語者腦功能與結構方面的研究

在人腦中，多種語言系統是如何共存并協同工作的？Oj emann等[23]通過對皮層的直接刺激，發現某些腦區會分別對第一語言、第二語言(f ir st l anguage、second l anguage，L1、L2)或是兩種語言都產生一定的干擾作用。該研究表明各種語言區并不完全重疊。此后，f MRI相關研究不斷增多。如Tham等[24]的研究發現，漢-英雙語者漢語(L1)的語音處理激活區在雙側額葉、右枕葉和左顳葉，而英語(L2)的激活區則位于雙側額頂葉。Il l es等[25]在一項英語-西班牙語的語義判斷任務中發現兩種語言都激活了左額下回和右額下回。因此，越來越多的證據表明不同語言的語音、語義和語法處理過程在大腦半球中占據不同的腦區，但彼此間存在重疊和功能聯系。

Berken等[26]以額下回作為種子點，發現靜息態下雙語者的左右額下回之間，以及額下回和涉及語言控制的腦區(包括背外側前額葉皮層、頂下小葉和小腦)之間有更強的功能連接。Liu等[27]運用靜息狀態f MRI及滑動窗口方法分析動態功能連通性，發現不同狀態下早晚期雙語者具有不同的聚類系數、局部和全局效率，表明雙語習得年齡會影響語言網絡的時間神經激活和動態拓撲特性。這些發現為了解雙語習得經驗對雙語者語言網絡的影響提供了新的信息。

此外，國內外的研究多數都認為雙語者的兩種語言都是共同激活的。因此，雙語者必須經常注意兩種語言的選擇；同時，L2的習得是一種持續的經歷，它可能對大腦產生深遠的影響。一個新興的觀點認為，這種處理多種語言功能的終身經歷會導致大腦結構和功能的改變[28]；而越來越多的研究表明，雙語導致的功能變化實際上往往伴隨著大腦解剖結構的變化[29]。

多項研究表明[30-31]，雙語者的灰質體積增大，以前扣帶回(anterior cingul ate cortex，ACC)和頂葉為著；而Burgal eta等[32]發現雙語者的基底節和丘腦結構大于單語者。也有研究表明精通雙語的人左側ACC中部、雙側島葉、左側緣上回、雙側額下回三角部和左側額下回蓋部的灰質體積減小。此外，在左側額下回三角部、扣帶回中前部和雙側尾狀核團中，L2練習時長與其灰質體積呈負相關[33]。因此，灰質體積與語言能力或專業知識之間的關系呈“倒U”形關聯，隨著雙語者對L2的掌握，組織體積增加，尤其是在額頂葉區。然而，一旦雙語者獲得了高水平的專業知識，灰質組織就會變得專一化，其相對體積較單語者似乎減小。

另一方面，Fel ton等[34]發現雙語者胼胝體中前部和中部的體積比單語者大。此外，也有研究表明雙語者額葉和顳葉的白質體積也較大[30,35]。H?m?l?inen等[36]的研究也發現早-雙語者和晚-雙語者之間弓狀束和額枕下束局部結構存在差異，早-雙語者弓狀束語音相關部分的各向異性分數增加，而晚雙語者雙側額枕下束的平均擴散率降低有關。也有研究表明早-雙語者的右側殼核和中央前回之間的纖維數量高于單語者和晚期雙語者，晚-雙語者的左顳上回和頦上回之間的纖維數量比單語者和早期雙語者要少[37]。

綜上，腦區不僅在結構上是相互連接的，而且在執行認知任務、甚至在靜息狀態下也是功能相關的。人類語言習得是一個極其復雜的過程，單純的結構或功能可能不足以解釋其原理和機制，因此，多模態磁共振可能是未來研究的熱點之一。

3.2 雙語者對認知方面的影響

最近有研究表明雙語語言的使用不僅會導致與語言處理相關的大腦結構和功能的改變，而且也會導致涉及非言語認知行為的腦區和網絡的改變。有研究表明[38-39]雙語者在執行功能任務上的表現優于單語者，推測雙語能力不僅在成年后繼續促進認知功能的各個方面，并且能減緩認知功能隨年齡增長而下降的趨勢。Bial ystok等[40]證明，雙語者比單語者晚4年出現癡呆癥癥狀。Víct or等[41]等發現與雙語者相比，單語者顯示出更高的萎縮率和更多的認知能力下降；同時，雙語會促進大腦認知儲備。這兩個因素可能用來解釋雙語優勢在延緩癡呆的本質和起源中的作用。

但是，并非所有研究都支持雙語者在認知方面存在優勢。Paap等[42]認為雙語在執行功能方面的優勢或不存在，或僅限于某些特定情況；Paap等[43]進一步的研究提示雙語者在認知方面并不存在優勢。Rossel l i等[44]對西班牙語-英語雙語者和英語單語者進行了語言能力、智力和非語言執行功能(工作記憶、更新、轉移和抑制)的測試，結果顯示雙語優勢不成立，回歸分析表明智力分數比語言能力更能預測語言水平。

總之，一些證據表明雙語在認知控制方面存在優勢，但并非所有研究都如此。方法學問題和個體差異似乎可以解釋上述差異；此外，語言的習得是一個復雜的動態過程。因此，未來的研究需進行更優化的研究設計、更大的樣本量和更多的縱向研究。

4 總結和展望

綜上所述，國內外對于腦語言的研究已經取得了一定成果，f MRI的出現使利用無創手段觀測其內在神經生物學機制成為了可能。整合上述研究結果發現，當大腦在處理語言時，不同的大腦區域會被激活。研究證據普遍支持左側大腦半球在語言處理中占主導地位。此外，雙語及多語研究發現，不同語言處理過程在大腦半球中占據不同的腦區，但彼此間存在重疊和功能聯系。處理多種語言功能的終身經歷不僅會導致大腦結構和功能的改變，同時也可能對認知方面有一定影響。

人腦語言習得是個復雜的過程，要了解語言是如何在大腦和大腦中產生變化的，需要整合解剖、功能等多方面證據，使用評估大腦和行為所有表現形式的技術，多模態綜合分析方法可能是未來研究的方向之一。其次，要理解雙語是如何在思想和大腦中產生變化的，就需要綜合從嬰兒期到老年的整個生命周期的證據，因此縱向研究是人腦語言研究的重要方向。此外，大樣本量是減少個體差異的常用方法，可以更好地滿足研究需求。最后，隨著科學技術的發展，人工智能或機器學習在腦功能方面的應用日益廣泛，也可能成為未來研究人腦語言的方向之一。綜上，人腦語言的研究仍處于探索階段，進一步的研究有助于對其更加深入的理解。

作者利益沖突聲明：全體作者均聲明無利益沖突。