語(yǔ)言認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究中的腦溝形態(tài)分析*

崔 新 蘇萌萌 舒 華

(1北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100875)

(2首都師范大學(xué)初等教育學(xué)院, 北京 100048)

1 引言

神經(jīng)影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展為研究者提供了豐富的大腦形態(tài)學(xué)測(cè)度。例如, 基于體素的形態(tài)分析法(Voxel-based morphometry, VBM)通過(guò)量化灰質(zhì)和白質(zhì), 尋找有助于疾病早期診斷的生物標(biāo)記(Ashburner & Friston, 2000)。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展, 研究者開(kāi)始關(guān)注更加精細(xì)的大腦形態(tài)測(cè)度,越來(lái)越多的研究者將灰質(zhì)體積細(xì)分為皮層厚度和皮層表面積, 進(jìn)而探討不同維度的腦結(jié)構(gòu)指標(biāo)與認(rèn)知能力的相互關(guān)聯(lián)(Panizzon et al., 2009)。

近年來(lái), 研究者開(kāi)始關(guān)注皮層表面的形態(tài)特征, 腦溝是其中最具代表性的一種。已有的理論假設(shè)和研究結(jié)果認(rèn)為腦溝形態(tài)并非任意分布, 而是底層生理組織建構(gòu)以及發(fā)展的宏觀表征(Mangin,Jouvent, & Cachia, 2010)。具體表現(xiàn)在, 首先, 腦溝形成與遺傳因素聯(lián)系緊密。腦溝和腦回在胎兒10至16孕周顯現(xiàn), 妊娠晚期已經(jīng)出現(xiàn)與成人類(lèi)似的皮層表面形態(tài)(Armstrong, Schleicher, Omran,Curtis, & Zilles, 1995), 而異常的遺傳因素會(huì)導(dǎo)致腦溝形態(tài)的變化(Fahim et al., 2012)。其次, 腦溝形態(tài)可能反映了皮層下的纖維連接方式(van Essen,1997; Hilgetag & Barbas, 2005), 有研究報(bào)告了腦回指數(shù)(gyrification index)和皮層下白質(zhì)纖維束的各向異性(fractional anisotropy, FA)存在相關(guān)(Melbourne et al., 2014)。此外, 腦溝形態(tài)并非完全由灰質(zhì)等其他形態(tài)測(cè)度決定。Trefler等人(2016)發(fā)現(xiàn), 一天的不同時(shí)間段(time-of-day, TOD), 個(gè)體的皮層表面積、皮層厚度和灰質(zhì)密度等指標(biāo)會(huì)發(fā)生改變, 而腦溝深度則不會(huì)受到TOD的影響, 并且腦溝空間分布在發(fā)展過(guò)程中也保持相對(duì)穩(wěn)定(Cachia et al.,2016)。

腦溝形態(tài)的特點(diǎn)契合了語(yǔ)言認(rèn)知研究對(duì)神經(jīng)生物表型的需要。一方面, 腦溝形態(tài)發(fā)生發(fā)展時(shí)間早, 為探究語(yǔ)言能力的產(chǎn)生及語(yǔ)言功能的偏側(cè)化提供了顯著的形態(tài)學(xué)標(biāo)志(Habas et al., 2012;Kersbergen et al., 2016); 另一方面, 語(yǔ)言能力與遺傳因素(Platt et al., 2013)、白質(zhì)纖維(Dubois et al., 2016; Hagoort, 2014)存在密切關(guān)系, 腦溝形態(tài)同時(shí)受到遺傳因素和白質(zhì)纖維的影響, 從而為探究語(yǔ)言能力的底層神經(jīng)機(jī)制提供了皮層水平的宏觀特征。目前的研究, 從認(rèn)知層面考察腦溝特征的研究還相對(duì)較少, 對(duì)語(yǔ)言認(rèn)知及其發(fā)展性障礙(例如閱讀障礙)的研究就更為不足。然而, 語(yǔ)言認(rèn)知及其發(fā)展性障礙的病因?qū)W研究是人們關(guān)注的焦點(diǎn), 研究者試圖從遺傳、環(huán)境、腦機(jī)制等層面全方位探討語(yǔ)言認(rèn)知能力的發(fā)展。腦溝, 這一與遺傳、白質(zhì)纖維等密切相關(guān)的形態(tài)學(xué)特征, 能夠?yàn)樯钊肜斫庹Z(yǔ)言能力的正常與異常發(fā)展提供新的視角。綜上所述, 本文將首先介紹腦溝形態(tài)分析的方法, 然后綜述腦溝形態(tài)與語(yǔ)言能力有關(guān)的重要發(fā)現(xiàn)并展望未來(lái)可能的研究方向。

2 腦溝形態(tài)分析的方法

2.1 皮層復(fù)雜程度的量化

最早嘗試量化皮層表面特征的指標(biāo)是腦回指數(shù)(gyrification index, GI) (Zilles, Armstrong, Schleicher,& Kretschmann, 1988), 即二維腦成像圖片(slices)中大腦內(nèi)部周長(zhǎng)(腦溝內(nèi)的輪廓線(xiàn)長(zhǎng)度)與外周周長(zhǎng)的比值。隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展, 基于vertex計(jì)算的三維腦回指數(shù)在孤獨(dú)癥(Kates, Ikuta, &Burnette, 2009)、精神分裂(Harris et al., 2007)、雙相障礙(Mirakhur et al., 2009)等精神疾病的研究中得到了應(yīng)用。

在腦回指數(shù)的基礎(chǔ)上, Cachia等人(2008)提出了腦溝指數(shù)(sulcal index, SI)的概念。腦溝指數(shù)包括總體腦溝指數(shù)(global sulcal index, g-SI)和局部腦溝指數(shù)(local sulcal index, l-SI)?？傮w腦溝指數(shù)指每個(gè)半球所有腦溝表面積和外部皮層表面積的比值; 局部腦溝指數(shù)指感興趣區(qū)域(region of interest,ROI)內(nèi)所有腦溝表面積和外部皮層表面積的比值。腦溝指數(shù)沒(méi)有考慮灰質(zhì)信號(hào), 因此可以減少一些無(wú)關(guān)因素如藥物(Penttil? et al., 2008)對(duì)結(jié)果的影響。研究者發(fā)現(xiàn)異常的腦溝指數(shù)與幻聽(tīng)型精神分裂(Cachia et al., 2008), 早發(fā)型精神分裂(Penttil? et al., 2008)有關(guān)。此外, 腦溝指數(shù)與老年人的注意、加工速度、記憶及語(yǔ)言等認(rèn)知能力相關(guān)(Liu et al., 2011, 2013)。

盡管腦溝指數(shù)(SI)和腦回指數(shù)(GI)在計(jì)算方法上存在差異, 實(shí)際上均是對(duì)皮層復(fù)雜程度的量化, 并已經(jīng)在神經(jīng)疾病、認(rèn)知能力的研究中積累了大量研究成果。但是, 復(fù)雜程度的分析仍不能確定腦溝形態(tài)的哪些方面發(fā)生了變化, 因此需要進(jìn)一步量化目標(biāo)腦溝的特征。

2.2 目標(biāo)腦溝分析

Mangin等人(2004)提出新的算法：等位侵蝕技術(shù)(homotopic erosion technique)和裂隙探測(cè)器(crevasse detector), 自動(dòng)識(shí)別T1加權(quán)像中的腦溝。兩種算法基于T1加權(quán)像, 將圖像分割為包含屬性鄰接圖(attributed relational graph, ARG)的簡(jiǎn)單曲面(simple surfaces, SSs), 屬性鄰接圖中綜合了識(shí)別腦溝需要的所有信息。目標(biāo)腦溝分析的主要步驟包括：預(yù)處理MR圖像; 分割大腦組織(包括腦脊液、灰質(zhì)和白質(zhì)); 在灰質(zhì)與腦脊液界面分割腦溝并轉(zhuǎn)換為腦溝曲面; 最后識(shí)別并命名腦溝(Sun,Rivière, Poupon, Régis, & Mangin, 2007)。目前已有軟件包BrainVISA (http://brainvisa.info/) (Geffroy et al., 2011)能夠?qū)崿F(xiàn)上述一系列處理過(guò)程(圖 1),處理之后可以得到定量的腦溝形態(tài)信息(表面積、長(zhǎng)度、深度), 還可以定性分析腦溝的空間組織特征(相對(duì)位置和相對(duì)方向)。

圖1 個(gè)體左半球的三條主要腦溝, 分別為中央溝(上)、外側(cè)裂(中)、顳上溝(下)。

目標(biāo)腦溝形態(tài)的定量特征。腦溝曲面由外部邊界頂脊(top ridge), 內(nèi)部邊界底脊(bottom ridge)和面(surface)組成, 其中“面”由相對(duì)的腦回“河床”(gyral banks)之間確定。頂脊和底脊的交叉點(diǎn)為面的終結(jié)點(diǎn), 以頂脊和底脊包圍的面重構(gòu)腦溝曲面。腦溝的表面積為腦溝曲面中“面”的面積。進(jìn)一步地, 腦溝曲面的線(xiàn)性測(cè)度：長(zhǎng)度和深度, 分別由溫度擴(kuò)散模型(heat diffusion model)量化(Kochunov et al., 2010)。腦溝長(zhǎng)度定義為沿著腦溝曲面排列的 100段等溫曲線(xiàn)長(zhǎng)度的均值, 方向與腦溝底脊和頂脊共線(xiàn); 腦溝深度的定義為沿腦溝曲面排列的 100段曲線(xiàn)的均值, 方向垂直于底脊和頂脊的連線(xiàn)。

目標(biāo)腦溝的定性特征。腦溝空間組織(相對(duì)位置和相對(duì)方向等)分析通常包括中斷情況、腦溝之間是否相互連接, 腦溝末端的走向等。研究者要求多個(gè)評(píng)估者分別利用相同的編碼表評(píng)估每個(gè)被試的腦溝形態(tài), 以評(píng)估的一致性程度確定腦溝的空間組織特征。以中斷為例, Borst等人(2016)讓3位研究者分別使用二分變量編碼(dichotomous variable code)評(píng)估兒童的顳枕溝(occipitotemporal sulcus,OTS)類(lèi)型, 評(píng)估者之間的一致性達(dá)到 100%即可確定個(gè)體的顳枕溝類(lèi)型為中斷或連續(xù)。目標(biāo)腦溝的定性分析還應(yīng)用于威廉姆斯綜合癥(Williams Syndrome, WS)患者的研究, 威廉姆斯綜合征患者右側(cè)顳平面顯著大于控制組, 其原因是患者右半球外側(cè)裂水平延伸而不是上升到頂葉(Eckert et al., 2006); 還有研究發(fā)現(xiàn)顳上溝(superior temporal sulcus, STS)的中斷數(shù)量存在左右半球的差異, 這種結(jié)構(gòu)不對(duì)稱(chēng)可能和語(yǔ)言偏側(cè)化相關(guān)(Ochiai et al., 2004)。

2.3 腦溝模式分析

腦回指數(shù)和腦溝指數(shù)能夠宏觀量化腦溝復(fù)雜程度, 目標(biāo)腦溝分析旨在對(duì)特定腦溝形態(tài)進(jìn)行描繪, 這兩種方法都無(wú)法量化多個(gè)腦溝的空間位置和排列關(guān)系。因此研究者提出了腦溝模式(sulcal pattern)的概念, 即腦溝的拓?fù)涮卣鳌?/p>

Lohmann, von Cramon 和 Colchester (2008)分析了腦溝深部的特點(diǎn), 發(fā)現(xiàn)腦溝深部比淺層表現(xiàn)出較少的個(gè)體差異。每條腦溝沿其底部通常都能夠發(fā)現(xiàn)界限清楚的最大深度區(qū)域腦溝凹陷(sulcal pit)。Im等人(2010)發(fā)展出了基于腦溝凹陷建構(gòu)腦溝模式的方法, 使用流域算法(watershed algorithm),將皮層分割為多個(gè)盆地(basin), 修剪較淺和較小的盆地之后, 每個(gè)盆地的最深處被標(biāo)記為腦溝凹陷,每個(gè)腦溝凹陷在圖形表征中作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)(node),如果腦溝盆地相鄰則使用無(wú)方向的邊(edge)相連,從而在選定的區(qū)域內(nèi)得到腦溝圖形(sulcal graph)。腦溝圖形中主要包含節(jié)點(diǎn)的幾何特征(三維空間位置和腦溝盆地面積), 節(jié)點(diǎn)之間的幾何關(guān)系(反映腦溝之間的關(guān)系)以及節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和節(jié)點(diǎn)間的路徑(圖形間的拓?fù)涮卣?。

研究者發(fā)現(xiàn)同卵雙生子的腦溝模式相似程度顯著高于樣本內(nèi)隨機(jī)兩個(gè)個(gè)體間的腦溝模式(Im et al., 2011), 表明腦溝模式與遺傳因素之間存在密切聯(lián)系; 此外, 在多小腦回(Polymicrogyria,PMG)患者中, 完整語(yǔ)言能力患者和語(yǔ)言能力損傷患者相比, 頂葉腦溝模式與正?？刂平M更相似(Im, Pienaar et al., 2013); 還有研究報(bào)告了發(fā)展性閱讀障礙兒童和家族風(fēng)險(xiǎn)兒童與其控制組相比, 枕顳區(qū)域(parieto-temporal region)及頂顳區(qū)域(occipitotemporal region)腦溝模式出現(xiàn)異常(Im, Raschle,Smith, Ellen Grant, & Gaab, 2016)。

3 腦溝形態(tài)分析在語(yǔ)言認(rèn)知領(lǐng)域的研究進(jìn)展

3.1 腦溝形態(tài)的早期發(fā)展軌跡

兒童語(yǔ)言的早期發(fā)展為后期閱讀乃至社會(huì)認(rèn)知的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)(Catts, Fey, Ellis Weismer, &Bridges, 2014)。揭示語(yǔ)言相關(guān)腦結(jié)構(gòu)的早期發(fā)展軌跡能夠幫助我們深入理解人類(lèi)語(yǔ)言發(fā)展的底層神經(jīng)機(jī)制。作為衡量大腦早期發(fā)育的重要指標(biāo),腦溝形態(tài)分析在早期語(yǔ)言發(fā)展中的應(yīng)用受到研究者關(guān)注(Kersbergen et al., 2016)。

腦溝和腦回的形成能夠在有限空間內(nèi)盡可能擴(kuò)展皮層表面積(Striedter, Srinivasan, & Monuki,2015)。妊娠的3個(gè)月末期, 神經(jīng)元開(kāi)始最后的遷移并形成連接, 與此同時(shí), 平滑的皮層表面開(kāi)始形成復(fù)雜的腦溝和腦回。初級(jí)腦溝(primary sulci)很快延長(zhǎng)和分支并形成二級(jí)(secondary sulci)和三級(jí)腦溝(tertiary sulci), 最終出生時(shí)皮層表面形成類(lèi)似成人的復(fù)雜形態(tài)(Tallinen et al., 2016)。

研究者采用不同的方法描繪了18孕周到2歲時(shí)期腦溝形態(tài)的發(fā)展過(guò)程, 并在外側(cè)裂周區(qū)發(fā)現(xiàn)了顯著的皮層變化。Kasprian等人(2011)采集了197名宮內(nèi)胎兒(18~37孕周)的MR圖像, 基于二維 MR圖像的冠狀面, 描繪每個(gè)胎兒大腦的輪廓線(xiàn), 以輪廓線(xiàn)變異代表腦溝的復(fù)雜程度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)超過(guò)2/3的胎兒表現(xiàn)出更大的左側(cè)顳葉, 94%的胎兒右側(cè)顳上溝(23孕周出現(xiàn))比左側(cè)顳上溝(25孕周出現(xiàn))出現(xiàn)的更早, 并且右側(cè)深于左側(cè)。Dubois,Benders和Borradori-Tolsa等人(2008)從35名早產(chǎn)兒(26~36孕周)MR圖像中重構(gòu)了皮層(surface),并定義腦溝指數(shù)用于量化分析個(gè)體腦溝形態(tài)的復(fù)雜程度, 研究者發(fā)現(xiàn)額葉、顳葉等不同區(qū)域的腦溝指數(shù)存在差異, 而右半球比左半球更早的表現(xiàn)出復(fù)雜的腦溝形態(tài)。Habas等人(2012)基于皮層局部曲率, 描繪了宮內(nèi)胎兒的腦溝形態(tài)發(fā)展。結(jié)果表明主要腦溝的出現(xiàn)時(shí)間存在差異, 外側(cè)裂(Sylvian fissure)最早出現(xiàn)曲率變化; 顳上溝在24周左右顯現(xiàn), 而右側(cè)顳上溝比左側(cè)提早1周出現(xiàn)。出生后2年, 大腦經(jīng)歷了發(fā)展最快的階段, 體積和表面積迅速增加(Gilmore et al., 2007)。Li等人(2014)追蹤了出生到 2歲嬰兒的腦溝形態(tài)變化, 發(fā)現(xiàn)從出生到 2歲顳上溝和頂枕溝右側(cè)深度大于左側(cè), 而顳平面的大小和深度左側(cè)大于右側(cè)的現(xiàn)象。此外,研究者還發(fā)現(xiàn)顳上溝和顳平面在成人和新生兒群體間表現(xiàn)出類(lèi)似的偏側(cè)化模式(Hill et al., 2010)。

嬰兒大腦是目前唯一能夠精通語(yǔ)言的“機(jī)器”(Dehaene-Lambertz & Spelke, 2015), 早期腦溝形態(tài)的發(fā)展軌跡與語(yǔ)言能力的關(guān)系主要表現(xiàn)在外側(cè)裂周區(qū)(peri-sylvian region)的形態(tài)改變。事實(shí)上,30孕周左右的早產(chǎn)兒已經(jīng)具有區(qū)分音節(jié)的能力(Mahmoudzadeh, Wallois, Kongolo, Goudjil, &Dehaene-Lambertz, 2017), 有研究發(fā)現(xiàn)早產(chǎn)兒等價(jià)足月出生時(shí)期(term-equivalent age, TEA)的外側(cè)裂形態(tài)與其 2歲時(shí)的接受性語(yǔ)言有關(guān)(Kersbergen et al., 2016), 這些證據(jù)表明胎兒時(shí)期外側(cè)裂周區(qū)的腦溝形態(tài)變化可能與嬰兒的語(yǔ)言獲得和發(fā)展存在密切聯(lián)系。此外, 外側(cè)裂周區(qū)中, 顳葉腦溝形態(tài)變異較大(Leroy et al., 2011), 并且顳上溝在不同研究中報(bào)告了一致的發(fā)展進(jìn)程, 這種結(jié)構(gòu)變化可能支持了認(rèn)知功能的發(fā)展。從出生后的語(yǔ)言功能來(lái)說(shuō), 嬰兒和成人的顳葉皮層對(duì)于語(yǔ)音刺激表現(xiàn)出相似的功能激活(Dehaene-Lambertz, 2017; Shultz,Vouloumanos, Bennett, & Pelphrey, 2014), 因此顳葉尤其是顳上溝的早期形態(tài)變化可能對(duì)于語(yǔ)言能力有重要作用。

3.2 腦溝形態(tài)與語(yǔ)言偏側(cè)化

人類(lèi)最明顯的大腦功能偏側(cè)化為語(yǔ)言功能的偏側(cè)化(Sun & Walsh, 2006), 一直以來(lái), 研究者試圖找到人類(lèi)大腦獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征, 以解釋人類(lèi)的認(rèn)知成就。顳平面(planum temporale, PT)和言語(yǔ)功能密切相關(guān), 有研究報(bào)告了顳平面表面積的偏側(cè)化現(xiàn)象(Lyttelton et al., 2009), 但并非所有研究都發(fā)現(xiàn)了這種偏側(cè)化特征(Dorsaint-Pierre et al., 2006;Keller, Crow, Foundas, Amunts, & Roberts, 2009)并且靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物中也報(bào)告了相似的現(xiàn)象(Hopkins &Nir, 2010)。隨著量化方法的提出, 研究者嘗試尋找人類(lèi)獨(dú)特的腦溝偏側(cè)化特征。

語(yǔ)言偏側(cè)化的腦溝形態(tài)研究集中在腦溝凹陷上。腦溝凹陷是腦溝局部最深處, 被認(rèn)為是大腦中形態(tài)變化的起始點(diǎn), 并且其分布在個(gè)體間相對(duì)穩(wěn)定(Lohmann, von Cramon, & Colchester, 2008;Régis et al., 2005)。Im 等人(2010)從 148 名成年中提取了腦溝凹陷, 分別在左右半球發(fā)現(xiàn)了48個(gè)和47個(gè)腦溝凹陷團(tuán)塊(clusters), 腦溝凹陷的密度和空間分布表現(xiàn)出較小的個(gè)體差異, 并在顳上溝表現(xiàn)出數(shù)量和空間分布的半球間偏側(cè)化現(xiàn)象。Meng,Li, Lin, Gilmore和Shen (2014) 進(jìn)一步追蹤了0~2歲嬰兒的腦溝凹陷發(fā)展, 發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似成人的腦溝凹陷分布, 并且這種分布在出生后兩年內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定。研究者還發(fā)現(xiàn), 嬰兒和成人顳上溝的腦溝凹陷分布具有一致的偏側(cè)化模式(Auzias, Brun,Deruelle, & Coulon, 2015; Im et al., 2010)。Leroy等人(2015)通過(guò)分析不同年齡人類(lèi)和黑猩猩的 MR圖像, 進(jìn)一步確定了人腦特有的左右不對(duì)稱(chēng)區(qū)域(右側(cè)顯著深于左側(cè)), 將其命名為顳上不對(duì)稱(chēng)凹陷(superior temporal asymmetrical pit, STAP)。

顳上溝深度的偏側(cè)化可能為語(yǔ)言能力的偏側(cè)化提供支持。首先, 顳上溝本身對(duì)語(yǔ)言能力有著重要作用, 左半球顳上溝特別地對(duì)言語(yǔ)刺激敏感(DeWitt & Rauschecker, 2012), 而發(fā)展進(jìn)程上, 左側(cè)顳上溝比右側(cè)更晚出現(xiàn), 這種左側(cè)發(fā)育延遲,可能為處理語(yǔ)言和運(yùn)動(dòng)刺激提供了更充分的結(jié)構(gòu)可塑性(Dubois, Benders, Cachia et al., 2008)。不僅如此, 皮層下白質(zhì)連接可能是腦溝形成的原因之一(Xu et al., 2010), 而顳葉皮層下存在復(fù)雜的白質(zhì)纖維連接, 其中之一的弓形束(arcuate fasciculus,AF)與顳上不對(duì)稱(chēng)凹陷在發(fā)展中表現(xiàn)出相似的特征：第一, 人類(lèi)的弓形束和顳上不對(duì)稱(chēng)凹陷遠(yuǎn)大于黑猩猩; 第二, 兩者在生命早期均出現(xiàn)了偏側(cè)化現(xiàn)象(Dubois et al., 2009)。因此顳上不對(duì)稱(chēng)凹陷可能與皮層下的白質(zhì)纖維密度以及偏側(cè)化發(fā)展有關(guān)。鑒于弓形束在語(yǔ)音加工(Vandermosten, Boets,Wouters, & Ghesquière, 2012)和詞匯閱讀(Gullick& Booth, 2015)中的重要作用, 顳上不對(duì)稱(chēng)凹陷很可能和語(yǔ)言認(rèn)知能力密切相關(guān)。盡管顳上不對(duì)稱(chēng)凹陷的功能尚不明確, 但其處于言語(yǔ)腹側(cè)通路音-義對(duì)應(yīng)的核心區(qū)域(Liebenthal et al., 2010; Striem-Amit, Hertz, & Amedi, 2011), 并且黑猩猩中未發(fā)現(xiàn)這一結(jié)構(gòu), 因此研究者推測(cè)與顳平面相比, 顳上不對(duì)稱(chēng)凹陷可能是更加人類(lèi)特異的偏側(cè)化結(jié)構(gòu)。

腦溝凹陷表現(xiàn)出了顯著偏側(cè)化現(xiàn)象和高遺傳度(Takerkart, Auzias, Brun, & Coulon, 2017), 為進(jìn)一步探索大腦結(jié)構(gòu)偏側(cè)化與語(yǔ)言功能偏側(cè)化之間的關(guān)系提供新的形態(tài)學(xué)測(cè)度。同時(shí), 腦溝凹陷也是可靠的解剖標(biāo)志(anatomical landmark) (Li, Guo,Nie, & Liu, 2010), 個(gè)體MR圖像中提取的腦溝凹陷在不同掃描儀、掃描序列和皮層重構(gòu)工具之間具有很高的穩(wěn)定性(Im, Lee et al., 2013)。因此, 研究者能夠基于腦溝凹陷建立腦溝模式, 進(jìn)一步分析腦溝拓?fù)涮卣髋c認(rèn)知能力之間的關(guān)系。

3.3 腦溝形態(tài)與發(fā)展性閱讀障礙

閱讀是語(yǔ)言認(rèn)知研究最重要的方面之一, 閱讀能力是兒童多項(xiàng)能力發(fā)展的基石。發(fā)展性閱讀障礙(Developmental Dyslexia, DD)是學(xué)齡期兒童常見(jiàn)的一種學(xué)習(xí)障礙, 通常為智力、感知能力以及動(dòng)機(jī)正常并且接受了充分教育的個(gè)體, 在準(zhǔn)確流利識(shí)別字詞或拼寫(xiě)時(shí)出現(xiàn)困難(Peterson & Pennington,2012)。發(fā)展性閱讀障礙的病因?qū)W基礎(chǔ)仍處于爭(zhēng)論之中, 有研究認(rèn)為風(fēng)險(xiǎn)基因和異常的神經(jīng)發(fā)育導(dǎo)致發(fā)展性閱讀障礙的發(fā)生(Skeide et al., 2016), 而另一些研究發(fā)現(xiàn)發(fā)展性閱讀障礙大腦的功能和結(jié)構(gòu)異常來(lái)源于缺乏閱讀經(jīng)驗(yàn)(Clark et al., 2014; Olulade,Napoliello, & Eden, 2013)。

為了解決這一爭(zhēng)論, 一種方法是加入新對(duì)照組(Xia, Hoeft, Zhang, & Shu, 2016), 通過(guò)比較閱讀障礙組、年齡控制組和閱讀水平控制組來(lái)解釋DD腦結(jié)構(gòu)異常的原因; 另一種方法是招募學(xué)前兒童(Raschle et al., 2017; Raschle, Stering, Meissner, &Gaab, 2014; Vandermosten et al., 2015; Wang et al.,2017)。學(xué)前兒童尚未接受系統(tǒng)的閱讀訓(xùn)練, 通過(guò)比較閱讀障礙家族風(fēng)險(xiǎn)兒童和年齡控制組, 能夠發(fā)現(xiàn)相對(duì)獨(dú)立于閱讀經(jīng)驗(yàn)的大腦功能和結(jié)構(gòu)異常。Raschle, Chang和Gaab (2011), Raschle等人(2017)報(bào)告了學(xué)前DD風(fēng)險(xiǎn)兒童, 枕顳區(qū)域和顳頂區(qū)域灰質(zhì)體積的下降, 這表明 DD的大腦結(jié)構(gòu)異?？赡茉趯W(xué)習(xí)閱讀之前已經(jīng)存在。

最新一項(xiàng)研究中, Im等人(2016)對(duì)DD兒童及其年齡控制組和學(xué)前 DD風(fēng)險(xiǎn)兒童及其年齡控制組的腦溝模式進(jìn)行了比較。研究者基于枕顳和頂顳區(qū)域的腦溝凹陷建立腦溝圖形, 每個(gè)正常被試與其他正常被試之間計(jì)算一個(gè)平均相似度每個(gè) DD和所有正常被試計(jì)算一個(gè)平均相似度, 通過(guò)比較ST′和ST′,D可以得到DD與正常控制組的組間差異(ST′vs.ST′,D)。同理可以比較風(fēng)險(xiǎn)兒童和非風(fēng)險(xiǎn)兒童之間的相似度結(jié)果表明DD兒童與正常兒童相比以及學(xué)前風(fēng)險(xiǎn)兒童和非風(fēng)險(xiǎn)兒童相比, 均表現(xiàn)出腦溝模式的顯著差異; 腦溝模式的跨年齡比較中, 非風(fēng)險(xiǎn)兒童和學(xué)后正常兒童表現(xiàn)出了較高一致性, 而學(xué)前風(fēng)險(xiǎn)兒童和 DD表現(xiàn)出了較高的一致性。腦溝相似度和行為成績(jī)的相關(guān)表明, DD腦溝模式與控制組相似度越高, 其詞匯和語(yǔ)言加工測(cè)驗(yàn)的成績(jī)?cè)胶谩?/p>

鑒于腦溝模式出生時(shí)已經(jīng)基本形成, 閱讀障礙兒童、風(fēng)險(xiǎn)兒童和其對(duì)應(yīng)控制組的腦溝模式差異可能反映了早期大腦結(jié)構(gòu)存在的異常, 甚至可能追溯到胎兒發(fā)育時(shí)期。研究者推測(cè)異常的腦溝模式可能受到異常遺傳因素和皮層下白質(zhì)連接的影響。首先, DD風(fēng)險(xiǎn)基因(如DCDC2, KIAA0319)等對(duì)于大腦發(fā)展尤其是神經(jīng)元遷移有著重要作用(Peterson & Pennington, 2012), 神經(jīng)元的遷移是腦溝形成的影響因素之一(Striedter et al., 2015),發(fā)育早期風(fēng)險(xiǎn)遺傳因素可能會(huì)通過(guò)影響神經(jīng)元遷移, 進(jìn)而導(dǎo)致腦溝模式的異常。其次, 皮層下白質(zhì)纖維束的密度和張力可能驅(qū)動(dòng)了腦溝形成(Zilles,Palomero-Gallagher, & Amunts, 2013)。枕顳皮層的視覺(jué)詞匯加工區(qū)(visual word form area, VWFA)對(duì)于閱讀有著重要作用(Bouhali et al., 2014; Dehaene,Cohen, Morais, & Kolinsky, 2015), 而有證據(jù)表明閱讀學(xué)習(xí)之前的白質(zhì)纖維連接支持了VWFA的產(chǎn)生(Saygin et al., 2016), 因此, 學(xué)前風(fēng)險(xiǎn)兒童枕顳腦溝模式的差異可能反映了發(fā)展早期白質(zhì)連接的異常。近期Williams, Juranek, Cirino和Fletcher(2017)報(bào)告了 DD左側(cè)枕顳區(qū)域腦回指數(shù)的增加,研究者推測(cè)增加的皮層復(fù)雜程度可能反映了皮層局部信息交換能力的提升, 但同時(shí)以長(zhǎng)距離連接(如下額枕束等)減弱為代價(jià), 從而影響了DD的閱讀能力。

正常群體的研究同樣在枕顳區(qū)域發(fā)現(xiàn)了腦溝形態(tài)與閱讀能力之間存在關(guān)聯(lián)。左側(cè)枕顳溝的空間分布和閱讀準(zhǔn)確性相關(guān)(Cachia et al., 2017), 而腦溝的空間分布被認(rèn)為在出生前已經(jīng)形成并且較少受到出生后神經(jīng)可塑性的影響(Cachia et al.,2016), 研究者推測(cè)左側(cè)枕顳溝和閱讀能力的關(guān)系可能反映了皮層細(xì)胞構(gòu)筑(Cytoarchitecture)和皮層下白質(zhì)纖維連接對(duì)于閱讀能力的影響(Dubois et al., 2016; Weiner et al., 2017)。

總之, 異常群體和正常群體的腦溝形態(tài)研究為探討早期大腦發(fā)育與語(yǔ)言認(rèn)知能力之間的關(guān)系提供了初步證據(jù)。同時(shí), 腦溝的發(fā)生發(fā)展機(jī)制與編碼蛋白質(zhì)的基因、微核糖核酸(microRNA)等因素密切聯(lián)系(Sun & Hevner, 2014), 為探討語(yǔ)言發(fā)展及障礙的遺傳學(xué)機(jī)制提供了新的中介表型。

4 總結(jié)與展望

Klee和Stokes (2011)提出的語(yǔ)言發(fā)展模型中包含了遺傳因素、環(huán)境刺激、神經(jīng)生物基礎(chǔ)、認(rèn)知機(jī)制等多種成分和過(guò)程, 語(yǔ)言的發(fā)展并非單一因素決定而受到多種過(guò)程的影響。腦溝形態(tài)為研究者提供了更加精細(xì)的神經(jīng)生物學(xué)指標(biāo), 已有研究表明其在語(yǔ)言認(rèn)知研究中的應(yīng)用潛力：首先, 早期腦溝形態(tài)變化顯著, 能夠作為發(fā)育早期的神經(jīng)影像學(xué)指標(biāo), 探討語(yǔ)言認(rèn)知能力與大腦結(jié)構(gòu)發(fā)展及遺傳因素的關(guān)系(Sun et al., 2005); 其次, 腦溝凹陷的偏側(cè)化可能提供了語(yǔ)言功能偏側(cè)化的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ), 支持了語(yǔ)言認(rèn)知理論的模型; 最后, 腦溝模式及腦溝的空間分布較少受到出生后神經(jīng)可塑性的影響, 為揭示發(fā)展性閱讀障礙等認(rèn)知缺陷的病因?qū)W基礎(chǔ)提供了更接近遺傳因素的形態(tài)學(xué)測(cè)度。

事實(shí)上, 腦溝形態(tài)分析在神經(jīng)和精神疾病中已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用, 如孤獨(dú)癥(Libero, DeRamus,Deshpande, & Kana, 2014; Wallace et al., 2013), 威廉姆斯綜合征(Fahim et al., 2012), 強(qiáng)迫癥(Shim et al., 2009), 口吃(Cykowski et al., 2008), 阿爾茲海默癥(Hamelin et al., 2015)等。這些腦溝形態(tài)異常通常與遺傳和神經(jīng)發(fā)育的擾動(dòng)有關(guān), 反映了疾病早期的病理學(xué)特征, 為探討神經(jīng)及精神疾病的病因?qū)W基礎(chǔ), 關(guān)聯(lián)認(rèn)知損傷與大腦結(jié)構(gòu)異常以及預(yù)測(cè)疾病發(fā)生發(fā)展提供了早期生物標(biāo)志。

相比較而言, 腦溝形態(tài)在語(yǔ)言認(rèn)知領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用正處于起步階段, 仍有很多問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。首先, 腦溝形態(tài)與遺傳因素的關(guān)系。相關(guān)問(wèn)題包括, 語(yǔ)言相關(guān)的遺傳因素影響了哪些腦溝形態(tài)特征, 及早期腦溝形態(tài)的偏側(cè)化是否與這些基因表達(dá)有關(guān)等。第二, 腦溝形態(tài)與語(yǔ)言等認(rèn)知能力之間的關(guān)系。腦溝本身并不包含神經(jīng)元, 也不承擔(dān)特定認(rèn)知功能, 因此, 研究者面臨相繼的兩個(gè)問(wèn)題, 首先, 腦溝形態(tài)是否與語(yǔ)言認(rèn)知能力相關(guān); 其次, 假設(shè)相關(guān)存在, 腦溝形態(tài)反映了何種生理過(guò)程進(jìn)而影響語(yǔ)言認(rèn)知能力。這些問(wèn)題需要研究者基于腦溝的發(fā)生發(fā)展機(jī)制及細(xì)胞構(gòu)筑等研究謹(jǐn)慎推測(cè)。第三, 腦溝形態(tài)與后天發(fā)展和環(huán)境。大腦在出生后仍不斷發(fā)展, 兒童及青少年時(shí)期是個(gè)體認(rèn)知能力發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期, 這一時(shí)期語(yǔ)言發(fā)展和腦溝形態(tài)發(fā)展軌跡之間存在何種關(guān)系尚不明確, 而成熟過(guò)程和后天環(huán)境因素如何塑造腦溝形態(tài)仍有待研究。闡明腦溝形態(tài)與遺傳、認(rèn)知和環(huán)境三者的相互作用, 有助于研究者深入了解語(yǔ)言發(fā)展認(rèn)知神經(jīng)機(jī)制。此外, 語(yǔ)言認(rèn)知研究應(yīng)考慮到文化差異的影響, 來(lái)自不同國(guó)家地區(qū)的大樣本研究有助于發(fā)現(xiàn)語(yǔ)言能力和腦溝形態(tài)的關(guān)聯(lián),抑或探討不同文化背景下群體之間可能存在的差異。最后, 腦溝形態(tài)分析方法的優(yōu)化能夠提供更加豐富神經(jīng)影像指標(biāo), 為揭示發(fā)展性閱讀障礙的病因?qū)W基礎(chǔ), 探索遺傳因素與語(yǔ)言發(fā)展及語(yǔ)言障礙之間的關(guān)系, 并進(jìn)一步為建立發(fā)展性閱讀障礙等語(yǔ)言障礙的早期診斷模型提供支持。

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