數(shù)字記憶和加減計算的腦功能磁共振成像研究.pdf

1、研究背景： 大量的腦功能成像和神經(jīng)行為學研究都證實大腦皮層在數(shù)字認知方面的重要作用，并已有了初步的數(shù)字認知成分的功能定位。也有研究發(fā)現(xiàn)數(shù)字任務(wù)能引起小腦、丘腦、基底神經(jīng)節(jié)等結(jié)構(gòu)的激活，但是沒有引起重視，也未能做出很好的解釋。紋狀體邊緣區(qū)是1988年舒斯云在研究大鼠的腦紋狀體時發(fā)現(xiàn)在新紋狀體尾側(cè)，圍繞蒼白球外側(cè)，有一條密集排列的梭形細胞帶組成的新月形區(qū)域，根據(jù)其位置命名為紋狀體邊緣區(qū)(簡稱邊緣區(qū))。經(jīng)過近二十年的研究，發(fā)現(xiàn)邊緣區(qū)的

2、功能主要與學習記憶有關(guān)。最近的視覺／聽覺數(shù)字工作記憶fMRI研究發(fā)現(xiàn)，在進行這些數(shù)字任務(wù)時，也有邊緣區(qū)的激活。臨床病例也顯示，如基底節(jié)、腦干神經(jīng)核和小腦的病理損害伴隨著認知改變，包括智力遲鈍、人格改變，以及后天獲得知識(如計算)的損害。那么，基底神經(jīng)核、小腦等結(jié)構(gòu)是否和大腦皮層一樣參與了數(shù)字處理過程?邊緣區(qū)在數(shù)字加工和數(shù)字計算過程中的作用如何，邊緣區(qū)與其他已知計算相關(guān)的腦功能區(qū)的關(guān)系如何?我們計劃在前面研究的基礎(chǔ)上，用fMRI結(jié)合神經(jīng)心

3、理學和神經(jīng)行為學的方法來探討其中某些問題。 實驗分為兩個部分。 第一章：三種數(shù)字記憶模式的腦功能磁共振研究 目的： 用功能磁共振成像結(jié)合實驗心理學的方法來研究健康人三種不同數(shù)字記憶，即數(shù)字短時記憶、數(shù)字工作記憶和長時數(shù)字記憶過程的腦區(qū)激活情況，探索大腦皮層各區(qū)域和皮層下結(jié)構(gòu)在數(shù)字記憶過程中的作用。 方法： 讓22名被試者完成實驗刺激任務(wù)，同時進行fMRI掃描。任務(wù)設(shè)計參照國內(nèi)外有關(guān)數(shù)字記憶

4、的心理學實驗范式，采取組塊設(shè)計即基線-任務(wù)方法。實驗任務(wù)分為數(shù)字記憶廣度、數(shù)字工作記憶和數(shù)字長時記憶，分別設(shè)不同的對照任務(wù)。功能磁共振掃描采用Siemenssonata1.5T超導(dǎo)型磁共振儀，梯度場40mT／m，切換率200mT／m／ms，在受試者進行記憶任務(wù)及對照任務(wù)時采集其血氧水平依賴性(BOLD)信號。完成任務(wù)正確率在75％以上的被試者的數(shù)據(jù)納入研究，采用統(tǒng)計參數(shù)圖(statisticsparametermapping99，SPM

5、99)軟件對納入的被試者的fMRI數(shù)據(jù)進行分析，得到不同任務(wù)下的相關(guān)激活腦區(qū)。對三種任務(wù)分別進行組分析，并將數(shù)字工作記憶與數(shù)字短時記憶的激活腦區(qū)進行比較。 結(jié)果： 數(shù)字短時記憶任務(wù)時，被試者激活的腦功能區(qū)有雙側(cè)額葉、頂葉、枕葉、顳下回、扣帶回、殼核、尾狀核以及小腦，其中左側(cè)枕葉的激活最為顯著，激活腦區(qū)無明顯的半球優(yōu)勢。如按布魯?shù)侣X功能分區(qū)(BrodmannArea，BA)則激活腦區(qū)有額葉的BA6／8／9／47，頂葉的B

6、A7／40，枕葉的BA18／19。數(shù)字工作記憶任務(wù)，被試者額葉的左額葉BA6／8／9／47，右額葉BA46，頂葉的BA7／40，雙側(cè)海馬、扣帶回、丘腦、尾狀核以及小腦均有不同程度的激活。左尾狀核的激活最為顯著，額葉和項葉的激活范圍(總像素值)都表現(xiàn)為左側(cè)半球優(yōu)勢。被試者在數(shù)字長時記憶任務(wù)中激活的腦區(qū)有：雙側(cè)額葉(BA6／9／46／47)、雙側(cè)頂葉(BA7／40)、雙側(cè)枕葉(BA18／19)、雙側(cè)顳葉(BA37)、左扣帶回(BA32)、雙

7、側(cè)紋狀體、雙側(cè)丘腦，其中左額葉、左枕葉激活高于其他區(qū)域，且激活范圍和強度表現(xiàn)為左側(cè)半球優(yōu)勢。 結(jié)論： 數(shù)字記憶廣度測試時，枕葉的激活強度和像素值明顯高于其他腦區(qū)。其中左側(cè)枕葉的激活強度最大，右枕葉激活體積最大，其他有兩側(cè)額葉、頂葉和尾狀核，激活腦區(qū)無明顯的半球優(yōu)勢。雙側(cè)枕葉的激活最顯著，說明短時數(shù)字記憶信息的初步處理和短期儲存主要是發(fā)生在次級視覺皮層，數(shù)字短時記憶的信息編碼主要是以視覺阿拉伯數(shù)字形式，枕葉在此過程中起著很

8、重要的作用。而額葉的激活與判斷過程中信息的提取有關(guān)。數(shù)字工作記憶實驗最強激活點在左側(cè)尾狀核，其中左額葉、左頂葉和左尾狀核的平均激活強度和總激活像素值明顯高于其他腦區(qū)，激活腦區(qū)有明顯的半球優(yōu)勢。額葉、項葉與紋狀體各亞區(qū)之間有重要纖維聯(lián)系，我們推測存在一條左側(cè)額葉-項葉-尾狀核構(gòu)成神經(jīng)環(huán)路，是參與數(shù)字工作記憶的主要結(jié)構(gòu)，尾狀核起著連接額葉和頂葉的中間樞紐作用。左側(cè)額葉在人腦數(shù)字工作記憶中也起重要作用，其他皮層腦區(qū)及雙側(cè)尾狀核、部分殼核、丘腦

9、以及小腦也參與共同完成數(shù)字工作記憶的信息處理過程。在進行數(shù)字長時記憶時，其中左側(cè)額葉、頂葉、枕葉的平均激活強度和總激活像素值高于其他區(qū)域，額葉、頂葉和枕葉的激活表現(xiàn)為左側(cè)半球優(yōu)勢。提示左側(cè)額葉在數(shù)字長時記憶的提取過程中發(fā)揮著主要作用，長時數(shù)字記憶的儲存和提取由語音編碼，并且含有視覺空間信息。三種數(shù)字記憶任務(wù)時所激活的腦區(qū)各不相同，說明三種數(shù)字記憶模式的神經(jīng)回路和心理過程是有差別的；有些腦區(qū)如左側(cè)額葉背外側(cè)面(額上回及額中回的BA8／9／

10、46)、雙側(cè)頂葉在三種數(shù)字記憶任務(wù)中都有明顯激活，是完成不同的數(shù)字記憶和數(shù)字加工過程的共同的重要結(jié)構(gòu)；除了大腦皮層結(jié)構(gòu)，紋狀體以及小腦在三種數(shù)字記憶任務(wù)均有不同程度激活，說明這些結(jié)構(gòu)也是完成數(shù)字記憶的神經(jīng)環(huán)路的重要組成部分。 第二章：不同難度數(shù)字加減計算的腦功能磁共振研究 目的： 用功能磁共振成像結(jié)合實驗心理學的方法來研究健康人腦進行不同難度數(shù)字加減計算時的腦區(qū)激活情況，探索大腦皮層和皮層下結(jié)構(gòu)在數(shù)字計算的作用。

11、 方法： 利用Siemens1.5TMR機對16名右利手健康志愿者進行簡單及復(fù)雜數(shù)字加減任務(wù)的fMRI掃描。實驗采用組塊設(shè)計，刺激任務(wù)分為簡單加減計算任務(wù)、復(fù)雜加減計算任務(wù)和基線任務(wù)。數(shù)據(jù)采SPM99軟件進行數(shù)據(jù)分析和腦功能區(qū)定位。分別比較同一任務(wù)各個腦區(qū)平均激活強度和同一腦區(qū)在兩種任務(wù)中的的平均激活強度。 結(jié)果： 簡單及復(fù)雜加減計算激活的被試者的腦區(qū)基本相同。簡單加減計算可見左運動區(qū)、左額葉前部、左額下

12、回、右中央溝、左緣上回、左頂上小葉、左右枕葉、左右扣帶回、左丘腦及左右小腦的激活。復(fù)雜加減計算中左額下回后部、左運動區(qū)、右額下回后部、左緣上回、左角回、右頂上小葉、右緣上回、左右枕葉、左右扣帶回、左右丘腦及左右小腦的激活。簡單及復(fù)雜加減計算還出現(xiàn)兩側(cè)尾狀核、左蒼白球和紋狀體邊緣區(qū)等紋狀體結(jié)構(gòu)的激活。簡單計算中，各個腦區(qū)間激活強度的差異無顯著性意義。復(fù)雜計算中，各個腦區(qū)間激活強度的差異無顯著性意義。簡單計算與復(fù)雜計算比較：在右頂葉，復(fù)雜任

13、務(wù)出現(xiàn)激活，簡單任務(wù)未出現(xiàn)激活；在左側(cè)紋狀體，復(fù)雜任務(wù)的激活強度大于簡單任務(wù)；其余各區(qū)，簡單任務(wù)與復(fù)雜任務(wù)的激活強度均無顯著性差異。 結(jié)論： 完成數(shù)字加減計算任務(wù)的腦區(qū)主要有額葉、頂葉、枕葉皮質(zhì)區(qū)，大腦皮層下結(jié)構(gòu)一紋狀體、紋狀體邊緣區(qū)，也是參與數(shù)字計算的重要結(jié)構(gòu)。皮質(zhì)下結(jié)構(gòu)紋狀體和優(yōu)勢半球的紋狀體邊緣區(qū)參與了數(shù)字工作記憶，是進行數(shù)字計算神經(jīng)環(huán)路的重要組成部位。數(shù)字加減計算需要大腦皮層各區(qū)和皮層下結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用才能完成。左

14、額-頂葉的激活強度和像素值在簡單和復(fù)雜計算任務(wù)中一直保持在較高水平，是心算過程中工作記憶和數(shù)字操作的基礎(chǔ)。右頂葉(緣上回)只在復(fù)雜任務(wù)出現(xiàn)激活，該區(qū)可能是視空間記憶和加工的重要部位。右枕葉的激活范圍(總像素值)在復(fù)雜計算中明顯高于簡單計算可能是由于，與簡單計算相比，復(fù)雜計算在同樣時間內(nèi)需要處理更多數(shù)字短時記憶信息和工作記憶信息，這都需要枕葉的參與。紋狀體在簡單計算和復(fù)雜計算中都起重要作用都有明顯激活，激活強度與皮質(zhì)腦區(qū)相似，激活體積卻發(fā)