基于fmri技术的前学习中国口语功能脑区研究

基于fmri技术的前学习中国口语功能脑区研究

语言障碍是指听力损失，是在听力损失发生之前或学会口语之前的。从语言学的角度看,大脑发育和语言发展之间存在着高度正相关,大脑的整体功能及语言中枢机能的成熟制约着儿童的语言能力,语言能力的发展同时也促进着大脑机能的成熟。因此,语言前耳聋手语者(prelingualdeafsigner,PDS)作为缺乏人类正常语言的一个特殊群体,其功能脑区发生如何变化值得关注。本研究采用fMRI技术,以正常听力不懂手语者(hearingnon-signer,HnS)、正常听力语言前学习手语者(hearingnativesigner,HNS)和正常听力语言后学习手语者(hearinglatesigner,HLS)作为对照组,研究PDS的语言、听觉和视觉中枢等功能脑区对手语刺激的激活情况,确定其重组模式;探究手语经验和听力丧失效应对PDS功能脑区重组的影响,进而确定手语在聋人教育中的作用。1材料和方法1.1正常听力者评分14例PDS(Ⅰ组)、13例HnS(Ⅱ组)、11例HNS(Ⅲ组)及12例HLS(Ⅳ组)。Ⅰ组均在2岁前耳聋,其中12例为药物中毒性耳聋,2例为遗传性耳聋,实验前经过纯音测听检查双耳均>70dB,为重度以上感音神经性耳聋,其中男4例,女10例,年龄18～26岁,平均21.9岁;Ⅱ组男5例,女8例,年龄19～25岁,平均23.2岁,从未接触过手语;Ⅲ组男8例,女3例,年龄18～24岁,平均22.9岁,其父母为聋人,他们自幼学习手语和汉语,为双语者;Ⅳ组为聋校老师,男5例,女7例,年龄20～26岁,平均22.5岁,均在18岁以后学习手语,学习时间为2～4年,平均2.5年。所有正常听力者纯音测听检查双耳均<25dB。所有受试者均为右利手,无精神及神经系统疾病。1.2固定在头圈内采用MarconiEclipse1.5TMRI仪。实验时,受试者取仰卧位,由头带及海绵垫将头固定在头线圈内。首先进行横断面SET1WI扫描,扫描基线平行于前、后联合连线,然后进行单次激发梯度回波-平面回波成像序列(gradientEPI)扫描,复制T1WI序列定位像,最后是RF-FAST序列,进行三维全脑扫描。1.3每幅图片的呈现时间s采用Block设计,静息状态20s,实验任务分为观察和模仿手语,各3组,每组20s,由4幅手语图片组成,每幅图片呈现时间为5s(图1)。受试者通过头线圈上的反光镜舒适地看清置于扫描床尾部的投影屏幕。静息期要求受试者注视屏幕上所呈现的“+”,不做任何联想。观察和模仿手语的图片上均有明显提示,使受试者明白要执行的任务。1.4数据处理及分析采用国际通用的功能性神经成像软件包AFNI对数据进行后处理,进行头动矫正及三维(3D)空间平滑处理。采用相关分析法,获得平均激活图,叠加于Talairach标准三维模板脑,统计激活脑区的位置、体积。1.5同组2种任务下激活区体积各仍有显著差异比较各组受试者激活脑区的情况,采用SPSS12.0统计软件对各组受试者共同激活区的激活体积进行单因素方差分析,如果各组间差别存在统计学意义则进行两两比较;比较同组受试者在2种任务(观察和模仿手语)时的激活脑区,对相同激活区的体积进行配对t检验;分别对同组2种任务下双侧半球对称激活区的体积进行配对t检验,评价是否存在半球优势。以P<0.05作为差别有统计学意义的标准。2结果2.1组受害者的性别和年龄分布对单个受试者的图像进行数据处理时,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组各有3、2、2、3例受试者头动范围较大,其数据被剔除,对各组余下受试者的年龄和性别比例分别进行方差分析和卡方检验,差别均无统计学意义。2.2组受试者双侧额下回、资本次及余脑区激活体积4组受试者观察手语时共同激活脑区有双侧额中回、颞中回、顶上小叶、楔叶、梭状回及舌状回。Ⅰ组和Ⅲ组受试者双侧颞上回和顶下小叶有激活,其他2组无激活,Ⅰ组、Ⅲ组和Ⅳ组双侧额下回有激活,Ⅱ组无激活。4组受试者双侧额下回、颞上回、顶上小叶、楔叶及舌状回的激活体积差别有统计学意义(表1),经过两两比较,双侧额下回Ⅰ组大于Ⅲ组、Ⅳ组,双侧颞上回Ⅰ组大于Ⅲ组,双侧顶上小叶、楔叶、舌状回Ⅰ组大于其他3组(图2A～D),余脑区激活体积各组间差别均无统计学意义。模仿手语任务时,4组受试者模仿手语时共同激活脑区包括双侧额中回、颞中回、顶上小叶、楔叶、梭状回、舌状回、中央前回、中央旁小叶及小脑半球。Ⅰ组和Ⅲ组受试者双侧颞上回和顶下小叶有激活,其他2组无激活,Ⅰ组、Ⅲ组和Ⅳ组双侧额下回有激活,Ⅱ组无激活。各组受试者双侧额下回、颞上回、顶上小叶、楔叶及舌状回的激活体积差别有统计学意义(表2),经过两两比较,双侧额下回Ⅰ组大于Ⅲ组、Ⅳ组,双侧颞上回Ⅰ组大于Ⅲ组,双侧顶上小叶、楔叶、舌状回Ⅰ组大于其他3组,余脑区激活体积各组间差别均无统计学意义。各组受试者观察和模仿手语时双侧半球对称激活脑区的体积差别无统计学意义。2.3模仿充意回激活体积比对各组受试者观察和模仿手语时激活脑区进行比较,发现模仿手语时较观察手语时激活的脑区多,主要包括双侧中央前回、中央旁小叶和小脑半球。对2种任务相同激活脑区的体积进行配对t检验,发现Ⅰ组模仿手语时双侧额下回、顶上小叶及左侧颞中回激活体积比观察手语时大(图3A～B),模仿手语时Ⅲ组双侧额下回、Ⅳ组左侧额下回激活体积比观察手语时大,余各组受试者观察、模仿手语时相同激活脑区的体积差别无统计学意义。图2A～D4组受试者观察手语时激活的脑区的比较,双侧额下回激活体积Ⅰ组(A)大于Ⅲ组(C)、Ⅳ组(D),双侧颞上回Ⅰ组大于Ⅲ组,双侧顶上小叶、楔叶、舌状回Ⅰ组大于Ⅱ组(B)、Ⅲ组和Ⅳ组图3A,BⅠ组观察手语时(A)和模仿手语时(B)激活脑区的比较,双侧额下回、顶上小叶及左侧颞中回模仿手语时激活体积比观察手语时大,而双侧颞上回无明显变化3功能脑区变化BOLD-fMRI技术是近年来兴起的以血氧水平依赖效应为核心检测和定位脑功能的研究方法,目前已广泛地运用于认知科学研究领域。国内、外已有学者采用fMRI技术对耳聋病人进行手语刺激,观察功能脑区变化的研究,但大多数研究使用的任务是受试者被动地观察手语,而且采用的语言刺激复杂,包括长的句子刺激,复杂的手语刺激可能会使聋人处理手语时激活的脑区分散,这样就很难将特定脑区的激活和语言处理联系起来,无法确定特定脑区的功能。本研究采用的手语刺激较简单,并同时采用观察和模仿手语任务,分别统计激活区,以更准确地发现与手语刺激相关的功能脑区。另外,国内、外未见将HnS、HNS及HLS同时作为对照组的研究,本研究选择了上述3组受试者共同作为对照组,以更准确、客观地反映手语经验和丧失听力效应对PDS功能脑区的影响。3.1引起stg激活的主要因素一般认为,正常听力者的左侧额下回负责口语产出功能。本研究发现有手语经验的受试者(PDS、HNS及HLS)在观察和模仿手语任务时双侧额下回均有激活,而HnS在2种任务时均无激活,这是因为HnS无手语经验,即使给予手语刺激也不会引起激活。PDS双侧额下回比HNS、HLS激活显著,这可能是由于聋人主要以手语为表达方式,而正常听力者以口语为表达方式。颞上回(superiortemporalgyrus,STG)、颞中回后部以及属于顶下小叶的缘上回和角回为后语言区,其可能并不绝对用于加工口语。Petitto等采用PET研究发现,聋人在处理手语时STG有激活,他们还发现无语言意义但在语音学上表达语音单元的手语和有语言意义的手语一样都能够激活聋人STG,提示语义的内容可能不是引起STG激活的主要因素。所以STG的激活可能不是反映语言加工,而是专门处理知觉加工的某些方面,其之所以对手语刺激有激活,是因为手语恰好具有以上知觉模式。因此对HNS进行研究十分必要,他们的父母为聋人,与PDS在相似的年纪学会手语。本研究发现PDS和HNS在观察和模仿手语时STG均有激活,而HLS的STG无激活,这表明STG的激活与自幼学习手语有关,支持STG负责手语加工的观点。虽然PDS和HNS在观察和模仿手语时STG均有激活,但PDS的STG比HNS激活明显,用手语经验无法解释,只能归结于听力丧失效应。传统观点认为听觉皮层是单式的,仅接受听觉刺激的传入。但目前研究认为其可能是听觉、视觉和触觉等多种模式的汇聚区,由于早期感觉经验和输入通道的限制,使其中一个通道压制住另外的通道并逐渐稳定下来,当某种感觉丧失后该区会重新发生整合。实际上,STG及邻近脑区优先处理声音刺激,若能听见声音,该区的所有处理都会针对声音;但当无声音传入时,才转向对手语或其他刺激进行处理。虽然研究表明聋人的听觉中枢对手语刺激有激活,但初级听觉皮层(BA41区)是否发生重组还存在争论。在正常听力者,BA41区主要接收听觉信号但不负责编译,而次级听觉皮层(BA42区)及听觉联合区(BA22区)主要执行更高级的功能,如编译和理解听觉信息。Hickok等采用MEG和fMRI没有发现聋人的BA41区对视觉刺激有激活,Nishimura和Sadato等研究表明交叉模式的重组发生很可能仅发生在BA42/22区,而BA41区不发生重组。但有些研究指出聋人听觉中枢的重组可能依赖听觉丧失的程度,Lambertz等的fMRI研究发现完全耳聋病人双侧BA41区(主要在右侧)有激活,而有残存听力的聋人BA41区无激活,他们认为BA41区是否激活与听力丧失程度有关。本研究的PDS均为重度或极重度感音性耳聋病人,其中有些病人可能有一定的残存听力,但均未见BA41区有激活。所以手语是否会引起聋人BA41区的激活以及引起这一现象的机制还有待于进一步研究。本研究中PDS双侧顶上小叶的激活在观察和模仿手语时都比正常听力受试者明显,可能是聋人双侧顶叶的皮层在处理手语时被应用,而正常听力者在处理口语时较少应用顶叶的缘故。本研究还发现了PDS楔叶、舌状回的激活比正常听力者明显,这是因为PDS丧失听力后,主要依赖视觉来获得信息。3.2stg及邻近脑区PDS、HNS及HLS的额下回在模仿手语时激活体积比观察手语大,说明额下回对产出手语作用更大,其功能和对口语的作用相似,而STG及邻近脑区在观察与模仿手语激活体积无差别,提示该区主要负责感知和理解手语。聋人在模仿手语时顶上小叶激活比观察手语强,是因为模仿手语更依赖手语中的空间性结构。另外,本研究发现在模仿手语时各组受试者双侧中央前回、中央旁小叶、小脑半球均有激活,可能是与其参与模仿手语时的手部运动有关,而与手语的语义内容无关,这与Petitto等的观点一致。3.3右半球的激活在正常听力者通常认为左侧大脑半球为语言的优势半球,Sadato及McGuire等研究表明聋人对手语刺激也以左半球激活为主。但Petitto和Neville等的研究发现,PDS在处理手语时,不仅左半球语言区有激活,右半球的对称脑区也有广泛的激活,这种右半球激活模式与在口语实验中偶尔发现的右半球激活有质的差异。口语实验中发现的右半球激活不会像左半球一样明显,仅局限在颞叶的小部分区域,很少有额叶激活,而聋人处理手语时右半球的激活和左半球一样广泛,并扩展到额叶、颞叶和顶叶。手语是复杂的视觉语言,通过视觉-空间变化来表达。右半球脑区参与手语处理,是因为右半球对视觉-空间功能起着关键作用。本研究发现受试者右半球脑区对手语刺激有激活,且激活体积与左半球相比无差别。综上所述,本研究可得到以下结论:PDS丧失听力自幼学习手语后,其语言功能脑区发生重组,参与对手语的处理