[彌散張量成像在語言認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究中的應(yīng)用] 彌散張量成像

　　摘要　人類的語言功能不僅僅基于以額葉、顳葉為代表的語言腦區(qū)灰質(zhì)皮層的激活，更重要的是基于這些腦區(qū)之間白質(zhì)纖維束的連接。隨著各種腦成像技術(shù)的逐漸成熟，基于核磁共振的彌散張量成像技術(shù)在語言認(rèn)知領(lǐng)域展現(xiàn)出越來越重要的作用。彌散張量成像在語言認(rèn)知研究上的應(yīng)用，可以將其與行為測查、功能定位成像、功能連接、全腦網(wǎng)絡(luò)等多種分析方法結(jié)合來共同研究語言認(rèn)知，進(jìn)而從腦結(jié)構(gòu)的角度來探究語言與腦的關(guān)系。
　　關(guān)鍵詞　彌散張量成像；白質(zhì)；纖維束；語言；認(rèn)知
　　分類號　B842；B845
　　
　　1　引言
　　
　　隨著腦成像技術(shù)在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們對于各種心理認(rèn)知行為的研究逐漸從行為水平深入到腦、神經(jīng)的水平上。以核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)為代表的非侵入性腦成像技術(shù)在語言認(rèn)知研究中取得了豐富的研究成果，尤其是利用血氧水平依賴(Blood Oxygenation Level Dependent，BOLD)信號的功能磁共振成像(functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI)，其在大腦皮層的語言功能定位研究方面，極大地補(bǔ)充了以往人們對大腦語言功能區(qū)的認(rèn)識。
　　盡管fMRI技術(shù)在大腦皮層的功能激活研究上有著很多的優(yōu)點(diǎn)，但由于成像原理的限制，其成像對象主要集中在大腦灰質(zhì)皮層部分，對于與大腦灰質(zhì)皮層密切聯(lián)系的白質(zhì)部分則顯得不夠充分。語言認(rèn)知相對于視覺、聽覺、注意等基本認(rèn)知過程顯得更為復(fù)雜，通常被認(rèn)為是一種較高級的認(rèn)知過程。在功能成像中語言任務(wù)往往激活多個腦區(qū)，語言功能的實(shí)現(xiàn)不僅僅依賴于這些皮層區(qū)的激活，更重要的是依賴神經(jīng)信息在各個腦區(qū)之間的傳遞，而這種神經(jīng)信息傳遞的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)就是功能腦區(qū)之間的白質(zhì)纖維束連接。這些激活腦區(qū)在結(jié)構(gòu)上是如何連接，從而實(shí)現(xiàn)語言功能層面上的整合認(rèn)知，這是研究者感興趣的�；�于MRI的另一種腦成像技術(shù)――彌散張量磁共振成像(Diffusion Tensor Magnetic Resonance Imaging，DTI)則很好的彌補(bǔ)了這方面的不足。
　　fMRI利用血管中脫氧血紅蛋白和合氧血紅蛋白的比例，間接區(qū)分大腦神經(jīng)元在無刺激和有刺激時的神經(jīng)興奮活動性。而DTI則是利用水分子在諸如大腦白質(zhì)的生物體組織中的彌散各向異性(anisotropic diffusion)，對生物組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像的。正是由于DTI技術(shù)能對大腦白質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，以及它區(qū)別于其他研究大腦結(jié)構(gòu)技術(shù)手段的非侵入性等特點(diǎn)，使得這種成像方法受到了認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家、腦外科醫(yī)生以及心理學(xué)家的關(guān)注(catani，2006；Duffan，2008；Gabrieli，2009；Schlaggar&McCandliss，2007)。
　　
　　2　DTI基本原理
　　
　　在大腦白質(zhì)中，具有相同連接走向的神經(jīng)元軸突構(gòu)成神經(jīng)纖維束，神經(jīng)纖維束一般被認(rèn)為是連接不同大腦皮層區(qū)的底層神經(jīng)結(jié)構(gòu)，用以傳遞神經(jīng)刺激。正是由于神經(jīng)纖維束的這種高度定向性的結(jié)構(gòu)特征，使得水分子在大腦白質(zhì)中傾向于沿著神經(jīng)元軸突的長度方向進(jìn)行彌散，而在與軸突垂直方向上的彌散會受到阻礙，即彌散呈現(xiàn)出各向異性的特點(diǎn)(Beaulieu，2002)。DTI正是利用核磁共振儀測量記錄生物體組織中水分子的這種彌散特點(diǎn)，從而推斷出生物組織的結(jié)構(gòu)特征(Basser&Jones，2002；Mori&Van zij1，2002)。
　　由于在三維空間中水分子的彌散可能朝著任意方向，僅僅依靠一個標(biāo)量來描述彌散是不夠的，因此需要引入一個二階張量來描述三維空間中的彌散性質(zhì)，這也是為什么叫作彌散張量成像的原因。一般情況下，二階的對稱張量有6個自由變量，因此至少需要測量6個方向的彌散信息來計(jì)算彌散張量。一般的磁共振儀都可以測量12、20、32個甚至更多個方向的彌散加權(quán)像。后續(xù)的纖維追蹤等數(shù)據(jù)處理都是建立在彌散張量的計(jì)算基礎(chǔ)之上。在幾何上一個成像體素中的彌散張量對應(yīng)于三維空間中的一個橢球，彌散張量的最大特征值所對應(yīng)的特征向量方向，即橢球的主軸方向，被認(rèn)為是該成像體素中大多數(shù)水分子整體彌散的方向，因而被認(rèn)為是纖維束的連接方向。纖維追蹤就是根據(jù)每個體素中的主軸方向，重建出三維空間中的纖維束連接。這也是確定性纖維追蹤算法的基本原理(Lazar，Weinstein，Tsuruda，Hasan，Arfanakis，Meyerand，Badie，Rowley，Haughton，&Field，2003；Lu，Aldroubi，Gore，Anderson，&Ding，2006)，與確定性纖維追蹤相對應(yīng)的是概率性纖維追蹤算法(Behrens，Berg，Jbabdi，Rushworth，&Woolrich，2007)。
　　在DTI成像中使用最廣泛的一個參數(shù)就是局部各向異性(Fractional Anisotropy)指數(shù)，又稱FA值(Basser&Pierpaoli，1996)，用下式計(jì)算得到其中λ1、λ2、λ3分別對應(yīng)于彌散張量的三個特征值。FA的取值范圍在0到1之間：越接近0表示體素中的水分子彌散各向同性程度越高，水分子朝各個方向的彌散幾率相同，該體素中的纖維束沒有方向很明顯的特定連接；而越接近1則表示該體索中水分子彌散的各向異性程度越高，水分子幾乎朝著主軸方向進(jìn)行彌散，即該體素中的纖維束連接幾乎朝著同一方向。因此體素中的FA值大小描述了該體素中分水子的各向異性彌散程度，亦間接描述了體素中纖維束連接的一致性。但有一點(diǎn)需要注意的是，F(xiàn)A值本身并沒有提供纖維束連接的具體方向，這需要諸如纖維追蹤等其他數(shù)據(jù)處理方法來描述。
　　
　　使用彌散張量計(jì)算所得到的每個體素的FA值、以及追蹤所得到的纖維束連接，使得結(jié)合DTI來研究功能認(rèn)知大致可以分為基于體素(voxel-based)或感興趣區(qū)(ROI-based)的分析方法，以及基于纖維追蹤(tract-based)的分析方法。其中基于體素的分析方法常常是以數(shù)據(jù)主導(dǎo)的，而基于感興趣區(qū)和纖維追蹤則是以先驗(yàn)假設(shè)為主導(dǎo)的分析方法。DTI與語言認(rèn)知研究的結(jié)合也主要從這兩個方面來開展。
　　
　　3　DTI與語言認(rèn)知研究的結(jié)合
　　
　　認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的許多實(shí)驗(yàn)技術(shù)(例如ERP、fMRI等)都有一個相同的研究思路，即如何將認(rèn)知任務(wù)的細(xì)小變異在大腦神經(jīng)反應(yīng)上體現(xiàn)出來(例如ERP對應(yīng)的不同腦電成分、fMRI對應(yīng)的不同腦區(qū)的激活等)。但由于水分子的彌散是一種自發(fā)的物理現(xiàn)象，僅僅是由于其彌散環(huán)境的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其呈現(xiàn)出各向異性或各向同性。DTI也正是根據(jù)這種彌散特性間接推斷生物組織結(jié)構(gòu)的，因此進(jìn)行DTI的掃描并不需要特定的認(rèn)知任務(wù)，被 試在有無刺激的情況下得到的數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定。正因?yàn)槿绱耍珼TI成像技術(shù)既有好的一面，例如在腦損傷的病人研究中，由于被試不需要做任務(wù)，所以DTI得到的結(jié)果可以解釋引起病人行為差異上的大腦結(jié)構(gòu)的變異；同時也有不足的一面，即DTI不容易和具體的認(rèn)知研究結(jié)合起來。所以如何將DTI和認(rèn)知研究相結(jié)合并充分利用DTI的特點(diǎn)成為研究者所思考的一個問題。
　　DTI之所以受到認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)家的重視，在于其可以找到人們所關(guān)心的認(rèn)知功能之下的生理結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。這一點(diǎn)對于認(rèn)知研究，特別是語言認(rèn)知研究具有重要的意義，對于前人語言認(rèn)知研究所提出的一些加工模型，結(jié)合DTI可以試圖找到這些認(rèn)知加工模型的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。這樣不僅可以從結(jié)構(gòu)上驗(yàn)證各種語言加工模型，對于更復(fù)雜的語言加工模型的提出也具有一定的指導(dǎo)意義。
　　
　　3.1語言的認(rèn)知能力――DTI與行為認(rèn)知研究
　　一個普遍的假設(shè)是，各種認(rèn)知加工的反應(yīng)時依賴于大腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)，例如軸突髓鞘化的程度。髓鞘化程度的增加將會促進(jìn)神經(jīng)刺激的傳導(dǎo)速度，體現(xiàn)在行為上則表現(xiàn)為反應(yīng)時減少。髓鞘化程度與DTI成像體素的FA值有關(guān)，軸突髓鞘化程度越高，體素中FA值也越高；而神經(jīng)傳導(dǎo)越快，行為反應(yīng)時則越短(Beaulieu，2002)。髓鞘化程度與神經(jīng)刺激傳導(dǎo)速度之間的這種相關(guān)關(guān)系則可以通過成像體素的FA值與行為反應(yīng)時之間的關(guān)系來驗(yàn)證。相關(guān)腦區(qū)的FA值越大，則通過該腦區(qū)傳導(dǎo)神經(jīng)刺激的行為認(rèn)知反應(yīng)時也越短。
　　Gold等人用DTI技術(shù)研究了視覺詞匯識別能力與大腦白質(zhì)間的關(guān)系(Gold，Powell，Xuan，Jiang，&Hardy，2007)。研究發(fā)現(xiàn)，言語能力正常的被試在完成真假詞匯判斷任務(wù)時，其行為反應(yīng)時與大腦左側(cè)額下、頂下腦區(qū)的白質(zhì)體素FA值呈顯著的負(fù)相關(guān)。研究者通常認(rèn)為被試在完成快速詞匯判斷的過程中，涉及到了視覺輸入、言語加工、以及執(zhí)行判斷等序列加工環(huán)節(jié)。研究中發(fā)現(xiàn)與反應(yīng)時相關(guān)的頂葉下部皮層區(qū)屬于言語加工的典型腦區(qū)，而非視覺加工或運(yùn)動執(zhí)行等相關(guān)腦區(qū)。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)相關(guān)的額下、頂下白質(zhì)區(qū)域位于上縱束神經(jīng)纖維附近，因此這兩個腦區(qū)在完成詞匯判斷任務(wù)時可能存在結(jié)構(gòu)上的聯(lián)系，比如快速的神經(jīng)刺激傳導(dǎo)。而且根據(jù)研究結(jié)果的負(fù)相關(guān)可以看出，視覺詞匯識別的速度與額下、項(xiàng)下之間的纖維束連接強(qiáng)度(或者說纖維束的走向一致性)有一定關(guān)系。
　　閱讀是語言認(rèn)知研究的一個重要的方面，是從書面文字中獲取意義的過程。閱讀不僅包含視覺、聽覺等低級認(rèn)知加工過程，而且也包含語言學(xué)等相對高級的認(rèn)知加工過程。對個體而言，正常閱讀能力的發(fā)展是其他學(xué)習(xí)能力發(fā)展的基礎(chǔ)。閱讀障礙通常是指在兒童學(xué)習(xí)獲得閱讀技能的過程中所表現(xiàn)出的顯著異于正常閱讀群體的困難(Vellutino，F(xiàn)letcher，Snowling，&Scanlon，2004)。在英語母語的兒童中大約有5％～17％的人存在著閱讀障礙(Gabrieli，2009)。因此研究閱讀障礙兒童成為我們了解人類語言認(rèn)知的一條重要途徑。在閱讀技能的發(fā)展過程中，大腦結(jié)構(gòu)發(fā)育的差異。例如不同腦區(qū)之間的神經(jīng)纖維連接的不同�；蛟S能夠解釋不同個體之間閱讀能力的差異(Nagy，Westerberg，&Klingberg，2004)。DTI正好可以用于探究不同個體之間在大腦白質(zhì)纖維束連接上的異同(caylak，2009；Gabrieli，2009；Schlaggar&McCandliss，2007)。成像體素中較高的FA值表示神經(jīng)連接發(fā)育過程中髓鞘化程度較高；反之表示髓鞘化程度較低，神經(jīng)纖維連接的程度亦較低。
　　研究者發(fā)現(xiàn)，無論是對于成人的正常閱讀能力者和閱讀困難者(Klingberg，Hedehus，Temple，Salz，Gabrieli，Moseley，&Poldrack，2000)，還是對于正處在閱讀發(fā)展過程中的或高于平均閱讀能力水平的兒童(Beaulieu，Plewes，Paulson，Roy，Snook，Concha，&Phillips，2005；Deutsch，Dougherty，Bammeg Siok，Gabrieli，&Wandell，2005)、或低于平均閱讀能力水平的兒童(Niogi & McCandliss，2006；Odegard，F(xiàn)arris，Ring，McColl，&Black，2009)、或正常閱讀能力水平的兒童(Fryer，F(xiàn)rank，Spadoni，Theilmann，Nagel，Schweinsburg，&Tapert，2008，)，其左側(cè)相應(yīng)腦區(qū)的FA值與標(biāo)準(zhǔn)化閱讀測驗(yàn)分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)。對于成年人，F(xiàn)A值與測驗(yàn)正相關(guān)的腦結(jié)構(gòu)為左側(cè)顳頂聯(lián)合區(qū)皮層下的白質(zhì)纖維；而對于兒童，相應(yīng)腦結(jié)構(gòu)為胼胝體的上冠狀束。二者之間的區(qū)別在于對成人的研究中相關(guān)白質(zhì)纖維束為前后的連接走向：而兒童的相應(yīng)腦區(qū)白質(zhì)為上下走向的冠狀纖維束。
　　語言認(rèn)知、閱讀能力與DTI成像體素的FA值有關(guān)，這一點(diǎn)揭示了大腦功能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。但研究者更感興趣是，究竟是大腦發(fā)育過程中，白質(zhì)結(jié)構(gòu)上的細(xì)小差異導(dǎo)致了語言功能或閱讀能力上的差異；還是由于在認(rèn)知發(fā)展過程中，不同水平的認(rèn)知能力塑造了與之所對應(yīng)的不同白質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)。由于只是相關(guān)研究，所以并不能給出大腦結(jié)構(gòu)與語言功能之間的因果關(guān)系，要回答這個問題還需要更豐富的技術(shù)手段與更綜合的追蹤研究來探討。
　　
　　3.2語言的大腦結(jié)構(gòu)――DTI與fMRI功能激活研究
　　與語言有關(guān)的腦成像研究可以給我們提供很多關(guān)于語言認(rèn)知腦模塊化理論的腦激活證據(jù)。腦的模塊化理論認(rèn)為不同的腦區(qū)參與不同的認(rèn)知功能。由于語言認(rèn)知研究的復(fù)雜性，加上語言材料本身的復(fù)雜性，使得被試在特定的語言認(rèn)知任務(wù)下，有一系列激活腦區(qū)參與認(rèn)知任務(wù)。近年來不少的腦成像研究都越來越支持認(rèn)知的網(wǎng)絡(luò)化理論，認(rèn)為完成某一項(xiàng)特定的認(rèn)知功能需要一系列腦區(qū)參與其中，而某一特定的腦區(qū)往往也參與不同的認(rèn)知加工過程(Price&Friston，2005)。
　　腦成像研究(例如具有較高空間分辨率的fMRI)雖然可以呈現(xiàn)出針對這些認(rèn)知任務(wù)所激活的不同腦區(qū)，但并不能呈現(xiàn)這些腦區(qū)之間在結(jié)構(gòu)上的聯(lián)系。我們知道激活主要集中在大腦的灰質(zhì)皮層，也就是神經(jīng)元的胞體及樹突部分，而傳導(dǎo)神經(jīng)刺激的軸突則位于皮層下的白質(zhì)。白質(zhì)纖維束就是連接不同腦區(qū)皮層的神經(jīng)纖維結(jié)構(gòu)，DTI纖維追蹤技術(shù)能很好的描述白質(zhì)纖維束的連接情況。若以功能激活腦區(qū)為種子點(diǎn)或感興趣區(qū)，從種子點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行纖維追蹤，就能還原出不同功能激活皮層之間的纖維聯(lián)系，這對于了解不同激活腦區(qū)之間的結(jié)構(gòu)連接提供了很好的證據(jù)，也給認(rèn)知理論的網(wǎng)絡(luò)化模型從大腦結(jié)構(gòu)上提供了很好的證據(jù)(Mulkem，Davis，Haker，Estepar，Panych， Maier，&Rivkin，2006；Staempfli，Reischauer，Jaermann，Valavanis，Kollias，&Boesiger，2008)。
　　3.2.1　DTI與語言偏側(cè)化
　　語言功能的偏側(cè)化和大腦結(jié)構(gòu)的偏側(cè)化之間的關(guān)系是研究者一直所關(guān)心的問題。已經(jīng)有很多研究探討了基于功能激活和體素形態(tài)(Voxel-Based Morphometry，VBM)的大腦灰質(zhì)的不對稱性，例如Good和Watkins等人發(fā)現(xiàn)左側(cè)顳平面的灰質(zhì)密度顯著大于右側(cè)(Good，Johnsrude，Ashburner，Henson，F(xiàn)riston，&Frackowiak，2001；Watkins，Paus，Lerch，Zijdenbos，Collins，Neelin，Taylor，Worsley，&Evans，2001)。而研究兩個半球白質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的差異卻很少。DTI方法的出現(xiàn)彌補(bǔ)了這一研究空白。
　　與語言功能偏側(cè)化相一致，研究者利用DTI方法考察了正常被試在大腦白質(zhì)結(jié)構(gòu)上的半球差異(Buchel，Raedler，Sommer，Sach，Weiller，&Koch，2004;Catani，Allin，Husain，Pugliese，Mesulam，Murray，& Jones，2007;Hagmann，Cammoun，Martuzzi，Maeder，Clarke，Thiran，Meuli，& Patemot，2006；Nucifora，Verma，Melhem，Gur，& Gut，2005;Parker，Luzzi，Alexander，Wheeler-Kingshott，Ciecarelli，& Lambon Ralph，2005；PowelI，Parker，Alexander，Symms，Boulby，Wheeler-Kingshott，Barker，Noppeney，Koepp，&Duncan，2006;Vernooij，Smits，Wielopolski，Houston，Krestin，& Van der Lugt，2007)，研究發(fā)現(xiàn)在左側(cè)語言相關(guān)腦區(qū)白質(zhì)體素的FA值顯著大于右側(cè)，說明左側(cè)的白質(zhì)纖維具有更高的結(jié)構(gòu)定向性，并且與語言功能相關(guān)的弓狀束纖維、上縱束纖維也都具有左側(cè)偏側(cè)化。例如Catani等人的纖維追蹤結(jié)果發(fā)現(xiàn)在外側(cè)裂附近的語言網(wǎng)絡(luò)左右半球存在差異(Catani et al.，2007)，這種差異具體表現(xiàn)為：雖然左側(cè)和右側(cè)都有從額葉連向頂葉，再從頂葉連向顳葉的間接纖維連接，但左側(cè)卻存在從額葉直接連向顳葉的纖維連接，即弓狀束纖維連接。有趣的是，在Catani等人的研究中還發(fā)現(xiàn)這種弓狀束連接偏側(cè)化程度越高的被試，在完成依靠語義回憶詞匯的測驗(yàn)任務(wù)上成績越差。這似乎與之前所認(rèn)識的語言功能的偏側(cè)化與大腦結(jié)構(gòu)的偏側(cè)化有關(guān)這一觀點(diǎn)矛盾，大腦結(jié)構(gòu)越對稱的被試對于特定的認(rèn)知功能似乎更具有優(yōu)勢。
　　對于纖維結(jié)構(gòu)上的偏側(cè)化與功能偏側(cè)化之間的關(guān)系，研究者也未取得一致的結(jié)論。雖然研究發(fā)現(xiàn)這種白質(zhì)纖維束結(jié)構(gòu)的偏側(cè)化與功能偏側(cè)化具有一致相關(guān)性，但也有研究者報(bào)告這種一致性受到了被試?yán)�手的影響：只有在右利手的被試身上才發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的不對稱程度與功能的不對稱程度相關(guān)(Vemooij et al.，2007)。最近的一個白質(zhì)結(jié)構(gòu)連接的研究(Gharabaghi，Kunath，Erb，Saur，Heckl，Tatagiba，Grodd，&Kamath，2009)還發(fā)現(xiàn)了與左側(cè)語言腦區(qū)白質(zhì)結(jié)構(gòu)連接模式(catani et al.，2007)相似的右側(cè)纖維連接。這也給已經(jīng)得到白質(zhì)纖維偏側(cè)化與語言功能偏側(cè)化之間的關(guān)系提出了挑戰(zhàn)。
　　利用DTI方法研究大腦語言結(jié)構(gòu)和功能偏側(cè)化之間的關(guān)系，既發(fā)現(xiàn)了很多結(jié)構(gòu)和功能偏側(cè)化一致的結(jié)果，也提出了很多新的問題。更重要的是利用DTI研究大腦偏側(cè)化問題給我們探索大腦結(jié)構(gòu)和功能之間的關(guān)系提供了一條有益的途徑。
　　3.2.2　DTI與語言通路
　　在語言認(rèn)知研究中，大腦左半球皮層的Broca區(qū)和Wemicke區(qū)被認(rèn)為在語言加工中起到了重要的作用，這兩個腦區(qū)的之間的聯(lián)系也被認(rèn)為是語言認(rèn)知中重要的神經(jīng)連接�；�于此，研究者提出了很多語言認(rèn)知加工模型(Hickok&Poeppel，2004；Price，2000)。結(jié)合功能成像和DTI可以構(gòu)建出語言的結(jié)構(gòu)通路(Catani&Jones，2005；Friederici，2009；Friederici，Bahlmann，Heim，Schubotz，& Anwander，2006；Ghazanfar，2008;Glasser & Rilling，2008；Rilling，Glasser，Preuss，Ma，Zhao，Hu，& Behrens，2008；Saur，Kreher，Schnell，Kummerer，Kellmeyer，Vry，Umarova，Musso，Glauche，& Abel，2008)。
　　研究者發(fā)現(xiàn)除了連接Broea區(qū)和Wemicke區(qū)之間的經(jīng)典弓狀纖維束外，還存在額外的背側(cè)和腹側(cè)纖維束通路。其中Catani等人最先報(bào)告利用DTI方法發(fā)現(xiàn)了經(jīng)由項(xiàng)下腦區(qū)連接Broca區(qū)和Wernieke區(qū)的間接通路(catani&Jones，2005)。并認(rèn)為經(jīng)典的直接通路與語音加工有關(guān)，而間接通路與語義加工有關(guān)。Glasser和Rilling以前人已有研究關(guān)于詞匯語義、語音和韻律加工的激活腦區(qū)為種子點(diǎn)，追蹤到了連接顳葉和額葉的弓狀束纖維，并且從結(jié)構(gòu)上區(qū)分了弓狀束腹、背側(cè)兩條對應(yīng)不同功能的神經(jīng)通路(Glasser&Rilling，2008)，其中連接顳上(BA 22)和額葉(BA 44)的腹側(cè)弓狀束負(fù)責(zé)傳遞語音信息；而連接顳中、顳下(BA 21，37)與額葉的背側(cè)弓狀束則是傳遞詞匯語義信息的重要通路。Sanr等人結(jié)合fMRI和DTI纖維追蹤，發(fā)現(xiàn)了與亞詞匯假詞復(fù)述任務(wù)相對應(yīng)的背側(cè)通路，以及與聽覺句子理解任務(wù)相對應(yīng)的腹側(cè)通路(saur et al.，2008)。而在腹側(cè)，研究者發(fā)現(xiàn)了連接Broca區(qū)(BA45)和賀氏回腦區(qū)、顳上回前部腦區(qū)的外側(cè)囊腹側(cè)纖維束和溝狀纖維束(Anwander，Tittgemeyer，Von Cramon，F(xiàn)riederici，&Knosche，2007；Frey，Campbell，Pike，&Pegides，2008)。綜合功能成像的研究，腹側(cè)通路與語義加工關(guān)，而背側(cè)通路更多的是與句法加工有關(guān)。
　　研究腦損傷病人的DTI數(shù)據(jù)(choi，Jeong，Rohan，Polcari，&Teicher，2009；RauscheckeLDeutsch，Ben-Shaohar，Schwartzman，Perry，&Dougherty，2009)，結(jié)合功能像、行為測查，并將 數(shù)據(jù)與正常人做對比，則能更細(xì)致具體地發(fā)現(xiàn)語言認(rèn)知能力和白質(zhì)纖維束之間的關(guān)系。Rauschecker等人研究了一名由于5歲時惡性腦腫瘤接受放射治療的病人，在隨后幾年對該病人的追蹤行為測查中，發(fā)現(xiàn)病人存在深層的閱讀障礙以及視空間、計(jì)算、以及快速命名的缺陷。對比該病人的DTI圖像與正常人群的DTI圖像發(fā)現(xiàn)，該病人缺少了雙側(cè)的上縱束神經(jīng)纖維，以及弓狀束神經(jīng)纖維。研究者推測該病人的閱讀缺陷和視空間缺陷分別與左側(cè)和右側(cè)的上縱束纖維的異常有關(guān)。該研究認(rèn)為左側(cè)上縱束纖維在個體的語言發(fā)展，特別是閱讀發(fā)展中起到了重要的作用，該神經(jīng)纖維的發(fā)展異常則會導(dǎo)致閱讀的困難。
　　DTI成像技術(shù)使得我們可以非侵入性的直接觀察大腦內(nèi)部白質(zhì)纖維的結(jié)構(gòu)，Rilli，ag等人就比較了人與黑猩猩、猴大腦的弓狀束纖維的異同(Rilling et al.，2008)。正如本文之前所綜述的，弓狀束在語言加工中起到了重要的作用，Rilling的研究發(fā)現(xiàn)黑猩猩和猴的弓狀束纖維主要從額葉連向頂葉，只有少量的纖維連向顳上部分區(qū)域，而人類的弓狀束纖維則更多地向顳中、顳下腦區(qū)延伸。弓狀束所連接的顳葉和額葉腦區(qū)也更廣泛。研究者認(rèn)為這種物種之間的腦形態(tài)結(jié)構(gòu)上的差異或許反映了語言功能的生理結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)和大腦結(jié)構(gòu)進(jìn)化之間的關(guān)系。
　　DTI用于研究語言通路，不僅可用于研究特異于其他認(rèn)知功能的語言大腦結(jié)構(gòu)，也可以試圖從大腦進(jìn)化的角度幫助我們理解人類與動物之間在習(xí)得語言技能上的結(jié)構(gòu)差異。
　　
　　3.3語言網(wǎng)絡(luò)――DTI與其他腦成像方法
　　近年來，關(guān)于大腦網(wǎng)絡(luò)的研究越來越受到研究者的重視。包括功能連接、白質(zhì)纖維束連接、灰質(zhì)密度、皮層厚度等在內(nèi)的多種功能和結(jié)構(gòu)形態(tài)從不同方面描述了大腦的網(wǎng)絡(luò)特征(Bullmore & Sporns，2009；Hagmann，Cammoun，Gigandet，Meuli，Honey、Wedeen，&Sporns，2008；He，Chen，&Evans，2007)。
　　DTI作為無創(chuàng)的大腦白質(zhì)纖維束連接成像技術(shù)也為研究大腦整體網(wǎng)絡(luò)提供了豐富的信息。已有的靜息態(tài)功能成像發(fā)現(xiàn)，大腦存在和語言相關(guān)的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)(Greicius，Supekar，Menon，&Dougherty，2009；Xiang，F(xiàn)onteijn，Norris，& Hagoort，2010)，Carreiras等人的研究就分別從灰質(zhì)密度、白質(zhì)纖維鏈接和功能連接幾個方面共同解釋了晚期閱讀習(xí)得者和文盲之間由于腦結(jié)構(gòu)和功能上的差異所表現(xiàn)出來的閱讀能力的差別(carreiras et al.，2009)。Morgan等人利用功能定位找到輔助運(yùn)動區(qū)、Broca區(qū)以及Wernicke區(qū)等語言相關(guān)腦區(qū)，并比較了這三個腦區(qū)之間靜息態(tài)功能連接和DTI結(jié)構(gòu)連接之間的關(guān)系(Morgan，Mishra，Newton，Gore，Ding，&Greenlee，2009)，發(fā)現(xiàn)輔助運(yùn)動區(qū)和Broea區(qū)之間在功能連接和結(jié)構(gòu)連接上具有正相關(guān)關(guān)系。Morgan等人的研究對于比較不同腦成像模態(tài)網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系做出了有益的嘗試。使用多種腦成像手段共同研究語言認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)(Agosta，Henry，Migliaceio，Neuhaus，Miller，Dronkers，Brambati，F(xiàn)ilippi，Ogar，&Wilson，2010；Carreiras，Seghier，Baquero，Estevez，Lozano，Devlin，& Price，2009；Saur，Sehelter，Sehnell，Kratoehvil，Kiipper，Kellmeyer，Ktimmerer，K10ppel，Glauche，&Lange，2010)，并同時探討這些不同腦成像模態(tài)網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系(Morgan et al.，2009)逐漸成為今后腦成像與功能認(rèn)知研究的趨勢。
　　
　　4　總結(jié)
　　
　　DTI成像相比于其他腦成像技術(shù)有著無法取代的優(yōu)勢。其基于水分子各向異性彌散的成像原理使得我們可以非侵入性的直接觀察大腦的白質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)以及腦皮層之間的纖維聯(lián)系。已有的DTI與語言認(rèn)知的研究從多個方面展示了DTI在語言認(rèn)知研究方面的特點(diǎn)與優(yōu)勢：DTI與行為認(rèn)知的研究揭示了包括閱讀障礙在內(nèi)的特定語言認(rèn)知缺陷與相關(guān)的大腦白質(zhì)區(qū)纖維聯(lián)系程度的顯著下降有關(guān)：DTI與fMRI的研究則從功能偏側(cè)化和功能結(jié)構(gòu)兩個角度同時為語言認(rèn)知的理論模型驗(yàn)證提供了腦成像的證據(jù)；DTI與腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究則為今后DTI與語言認(rèn)知研究的結(jié)合與發(fā)展指出了一條新的途徑。
　　盡管DTI在認(rèn)知研究中有著很多的優(yōu)點(diǎn)，但它本身也有一些固有的缺陷。比如成像體素的空間分辨率只在毫米數(shù)量級，因此無法解決體素中存在纖維交叉的情況。DTI本身并不和認(rèn)知功能有很大的關(guān)系，因此如何更好的把它和認(rèn)知結(jié)合也是值得研究者思考的一件事情。DTI與語言認(rèn)知研究還有待繼續(xù)研究的問題包括：1)連接不同語言腦區(qū)的白質(zhì)纖維束是否具有特異性的功能；2)信息在語言腦區(qū)之間的纖維束中傳遞的方向是怎樣的；3)語言腦區(qū)之間的結(jié)構(gòu)連接和功能連接有什么樣的關(guān)系；4)發(fā)展更好的DTI纖維追蹤技術(shù)。
　　隨著DTI在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用，從功能連接與結(jié)構(gòu)連接之間的關(guān)系，到功能網(wǎng)絡(luò)與結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系，DTI與語言認(rèn)知研究的結(jié)合將有更深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。多種腦成像技術(shù)的融合也將會給語言認(rèn)知研究注入新的活力，帶來更豐富直觀的證據(jù)。

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