中英語言任務執(zhí)行時大腦功能活動的fMRI研究進展

馬恒芬 于建渤 李恩中

1(中國民航大學外國語學院，天津 300300)

2(牡丹江醫(yī)學院基礎醫(yī)學部，牡丹江157011)

3(國家自然科學基金委員會醫(yī)學科學部，北京 100085)

引言

傳統(tǒng)的磁共振成像(magneticresonance imaging，MRI)檢測的是結構圖像或稱靜態(tài)圖像，而功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)能夠通過檢測出腦組織中的血氧含量而間接觀察動態(tài)的腦功能活動，即通過檢測大腦組織含氧濃度的變化與差異，區(qū)分出腦內的活動區(qū)與非活動區(qū)。功能磁共振成像(fMRI)的工作原理是:大腦在執(zhí)行任務時，與該任務相關的局部腦區(qū)組織耗氧量明顯增加，由于機體的反饋調節(jié)，大量帶有含氧血紅蛋白的血液流入相關的局部腦區(qū)中，以滿足局部腦組織對氧的需求，結果是將明顯超過局部腦組織需要的氧帶入到腦功能活動區(qū)域內，使得活動區(qū)內局部氧合血紅蛋白增加。由于fMRI能夠檢測出活動區(qū)腦組織與非活動區(qū)腦組織的血氧含量之間的差異，從而確定特定腦區(qū)產生了功能活動。由此可見fMRI為研究大腦活動的動態(tài)過程提供了有效的技術手段。

目前，有關fMRI研究已經廣泛應用于語言、音樂、認知、學習和記憶、神經與精神疾病等諸多領域。在語言研究尤其是中英文雙語研究方面，如利用fMRI技術研究中英文雙語學習過程中大腦功能活動的變化，研究在失讀癥以及顳葉性癲癇等疾病時語言功能改變等方面均取得了一定的進展。近些年，中英文雙語轉換與應用過程中的大腦激活狀態(tài)相關研究取得了一定進展，該方面研究分別采用不同的fMRI掃描與實驗方法，包括讓志愿者判斷語句的含義(語義任務)、判斷語句的重音和音調(節(jié)律任務)、判斷語法和拼寫是否正確、執(zhí)行漢語和英語的雙向轉換(轉換任務)、進行算數的精確計算與粗略估計，等等。下面擬通過對中英文雙語學習中，母語為分別中文、英文以及病理狀態(tài)下的受試者與患者的腦功能活動研究進行回顧分析，旨在為未來的雙語學習、教學以及語言康復提供有效的指導。

1 母語為漢語的雙語者執(zhí)行中英文語義任務時大腦功能活動變化

早期研究認為，在執(zhí)行中文和英文語義加工任務時，大腦功能活動區(qū)及功能模式十分相似。2000年，新加坡Kent大學研究團隊應用fMRI技術，針對右利手漢英雙語者進行了語言任務執(zhí)行時大腦功能活動的研究。這項研究發(fā)現:當受試者分析漢字詞義和圖片含義時，大腦的多個部位出現相似的活動區(qū)域，包括左前額葉、左后顳葉、左梭狀回和左頂區(qū);當執(zhí)行漢字詞義處理時，大腦左側顳葉中后區(qū)和左額葉前區(qū)比執(zhí)行圖片處理時產生更多的活動;進行圖片含義分析時，與漢字詞義處理相比，在外側枕葉產生更多的活動。當對另外一組雙語參試者進行英文詞義和圖片含義比較時，觀察到大腦呈現與前面一組相似的活動模式。然而，將英文的單詞和圖片處理與漢字的詞義和圖片處理相比較時，僅在左側額葉前區(qū)發(fā)現較少的差別。對第三個實驗組直接進行了漢字與英文單詞詞義處理比較研究，發(fā)現兩種語言的大腦活動高峰區(qū)域是相似的，但漢字語義處理有較大的MR信號改變。該研究認為漢字、英文和圖片的詞義處理存在一個共同的詞義分析系統(tǒng)，但每種任務分別有著特殊的模式差異［1］。2001年，Pu等應用 fMRI技術，研究中國人在使用中文和英文執(zhí)行語句加工任務時的大腦功能狀態(tài)，結果表明在執(zhí)行這兩種任務時，大腦的額葉前中區(qū)存在相似的血流動力學改變，并認為漢語為母語的中國人在執(zhí)行中文和英文語言加工任務時，存在相似的神經機制［2］。

近年來，相關研究對中文和英文詞義處理時大腦激活區(qū)域做了進一步明確，并深入分析了產生的原因。例如，Ding等應用fMRI技術，檢測拼寫和詞義判斷任務下中英文雙語刺激大腦功能的差別，認為控制英文單詞的大腦激活區(qū)域與應用中文拼音和漢字進行中文閱讀是相似的，但應用英文詞匯(第二語言)比應用漢字(母語)能夠激活更多的右側大腦半球活動，這支持第二語言(英文)處理過程比第一語言(中文)更多支配大腦右半球的假設［3］。2010年，Liu等針對24名中英雙語者進行研究，當將英語(第二語言)圖片名稱向中文(第一語言)名稱翻譯時，左額下回、雙側輔助運動區(qū)、左中央前回、左側舌回、左側楔葉、雙側殼核、雙側蒼白球、雙側尾狀核和小腦區(qū)域顯示活動增強，說明在運用第二語言生成詞匯時，相比第一語言有較少的自動性，并需要更多的神經資源支持用于語句的提煉、發(fā)音的處理和認知。當將中文(第一語言)名稱向英語(第二語言)翻譯時，右側殼核和右側蒼白球區(qū)域活動明顯增強，研究者認為這可能是不同的發(fā)音特點引起的活動增強［4］。

Luke等對7位母語為漢語、均學習英語超過10年的志愿者進行語法和語義的研究。實驗包括兩種任務:一是判斷語句的動詞短語是否符合句法構成的邏輯，二是判斷觀察到的短語是否是可以接受的語義。研究發(fā)現，負責中文加工的神經網絡分布較廣，包括左額中、下回和左顳上、中回，右側對稱的區(qū)域也出現較弱的激活。相對于以前研究發(fā)現的英文語法和語義加工有各自明確的控制區(qū)域，該研究發(fā)現中文的語法和語義加工位于同一區(qū)域。研究結果表明，中文閱讀的語法加工有較低的獨立性，這要歸因于漢語的語法和語義的自然特征沒有明顯界限。此外，當雙語受試者執(zhí)行英語短語的語義和語法的判斷任務時，負責中文閱讀加工的大腦系統(tǒng)同樣能夠為英文加工服務［5］。

使用中英文不同性質的詞匯，可引起不同的大腦激活。Chan等通過 fMRI檢測發(fā)現，漢語單語者使用名詞和動詞時所激活的腦組織區(qū)域無明顯區(qū)別;而中英文雙語者處理中文時動詞和名詞亦在相同腦區(qū)，但不同的是英文動詞加工比英文名詞加工能夠激活更多的區(qū)域，包括負責運動功能的左側殼核和小腦。研究推測，運動系統(tǒng)亦可能參與英文動詞加工任務［6］。

Wang等對15個熟練掌握英語的中國人進行持續(xù)的和短暫的雙語測試，fMRI檢測結果顯示:與單種語言比較，持續(xù)的雙語控制誘發(fā)雙側額下回、額中回前部(BA45/46)的激活;相反，短暫的雙語控制(語言開關)主要激活左頂下小葉(BA 2/40)、頂上小葉(BA 7)和額中回(BA 11/46)。本研究結果推測，持續(xù)的和短暫的語言控制會誘發(fā)不同側重的腦半球激活模式［7］。

Wang等針對12個學習英文的中國大學生，進行語言轉換任務fMRI掃描。結果表明，對比非執(zhí)行轉換任務，執(zhí)行語言轉換任務時引導出以下區(qū)域更強的激活:右額上回前部(BA9/10/32)，左額中、上回(BA8/9/46)和右側扣帶回、尾狀核(BA11)。當前向轉換(從漢語到英語)與非轉換條件和逆向轉換(從英語到漢語)進行比較時，激活的幾個大腦區(qū)域與執(zhí)行功能相關(如雙側額葉皮質)。結果建議:語言轉換所激活的相關神經區(qū)域的不同依賴于語言轉換的方向，不支持存在特殊的專門執(zhí)行“語言轉換”的區(qū)域［8］。

2 非熟練第二語言(英語)的中國人執(zhí)行中英文閱讀任務時大腦功能活動變化

Xue等針對非熟練閱讀英文的中國人進行fMRI功能檢測，選取了12個非熟練英語的中國人作為受試者。首先，進行詞義關聯任務，要求這些被試連續(xù)地判斷在屏幕上出現的單詞與之前出現的兩個單詞是否存在詞義上的關聯;其次，在韻律任務方面，要求判斷目標詞是否與其他詞存在押韻關系。研究結果顯示，所有的中文和英文工作記憶任務均產生相似的左側大腦半球占優(yōu)勢的活動模式，激活區(qū)域包括背外側前額葉皮質，以及島蓋部、三角區(qū)、中央回和頂葉。此外，與行為學數據一致，島蓋部、左側頂葉和右側前中央皮質等激活區(qū)范圍執(zhí)行英文任務時較執(zhí)行中文任務更大。該研究顯示，中文和英文的工作記憶任務由一個統(tǒng)一的神經系統(tǒng)調節(jié)，如額頂葉區(qū)，當執(zhí)行不熟練的英文任務時，此區(qū)域能夠引起周邊更多的大腦皮質區(qū)激活，以便滿足增加的計算需求［9］。這部分研究結果與Ding和 Liu 的結論相同［3－4］。

3 母語為英語者執(zhí)行英中互譯時的大腦功能活動變化

Nelson JR等針對英文母語者學習中文的情況進行了研究，發(fā)現當他們閱讀英文時主要是左側梭狀回被激活，但閱讀中文時附加了右側梭狀回區(qū)的激活;而熟練掌握英文的中國人閱讀中文或英文時，雙側梭狀回均有激活。由此，該研究認為，母語為英文者在學習中文時出現適應模式，即閱讀網絡通過增加神經資源以滿足其分析特殊圖形的需求，從而達到適應新的閱讀系統(tǒng)的目的;相反，母語為中文者則表現出一種同化的模式，也就是說，閱讀中文所建立的神經網絡程度已足夠分析英文圖形的需求，不需要更多的改變［10］。該項目研究的結果與 Liu等的研究相近［4］。

此外，Liu等針對英語為母語并且未學習過漢語的志愿者，進行了短期的漢字學習訓練(60個漢字)。通過fMRI掃描，發(fā)現這些英語母語者漢字學習后，大腦激活的區(qū)域與熟練的漢語閱讀者的激活區(qū)域存在部分重疊，包括雙側額中回(BA 9)、右枕部(BA 18/19)和梭狀回(BA 37)，然而在字母閱讀者中未見這些激活區(qū)域。研究結果推測漢語學習者用來學習漢字的大腦網絡與中國人相似，這與系統(tǒng)調節(jié)假說是一致的，即大腦的語言閱讀神經網絡能夠根據一種新獲得的書寫系統(tǒng)特征進行相應的調節(jié)［11］。

4 執(zhí)行中英文節(jié)律分析任務時大腦活動狀態(tài)的比較

第二語言的閱讀是一項與母語相互作用的復雜任務。Tan等使用fMRI技術，研究中英文雙語者在中文和英文音律加工以及兩種語言書寫等狀態(tài)下的大腦激活情況。研究發(fā)現，漢語音律加工激活左額中回和頂葉后部，該區(qū)域與空間信息傳遞、立體工作記憶以及中央執(zhí)行系統(tǒng)的認知資源整合有關，推測該部位的激活可能與漢語字符有立體構型等因素有關。此外，當雙語受試者執(zhí)行英文音律任務時，神經系統(tǒng)的活化更明顯，而調節(jié)英語單一音素分析時僅有較弱的激活;認為雙語參試者能夠應用母語系統(tǒng)執(zhí)行英文閱讀任務，由于缺乏“字母至聲音”的中文轉換支配，導致中文閱讀者加工英文的能力較差［12］。

Gandour等招募了10名熟練的中英雙語者(在美國留學的中國人)，使用中文和英文閱讀成對的3個語句，進行語句重音、音調和語句類型的fMRI檢測。兩種語言均可引起一致的額葉、顳葉和頂葉區(qū)激活，但在語句節(jié)律任務方面，英文比中文在雙側島葉前部和額上溝出現較強的激活，而僅中文語句引出偏向于左顳中、后回的不對稱激活。研究者認為，不同的激活模式歸于中文和英文語句節(jié)律的本質區(qū)別，而這種語音差別導致增加了處理英文大腦計算的需求。雖然對于水平不一的雙語者在執(zhí)行特殊的語言任務時可能需要附加的神經資源，該研究仍然支持這一觀點，即漢語和英文的處理與應用是由成長過程中所獲得的統(tǒng)一神經系統(tǒng)所調控［13］。

Tong等選取10名母語為漢語的中國人和10名母語為英語的美國人，進行了2個句子以上水平的語句節(jié)律任務fMRI檢測，發(fā)現語句節(jié)律的獲取是大腦半球內部甚至兩個大腦半球廣泛神經區(qū)域相互作用的結果。此語句節(jié)律加工模式強調:當執(zhí)行復雜聲音分析任務時，右側大腦半球起主要作用;然而，當需要進行語義分析時，左側大腦半球將起到優(yōu)勢的作用［14］。

5 數字處理過程中英文雙語者的大腦功能活動情況

在執(zhí)行數學計算任務時，語言的作用一直是一個認知領域感興趣的話題?！叭鼐幋a模型”認為:數學計算存在語言依賴模式(如加法和乘法相關的算術檢索事件)，以及非語言依賴性的模擬數量編碼(如數字的比較與估計)。Venkatraman等選取了20個中英文雙語者，進行不同算術任務的fMRI檢測。通過“基于7的加法”的精確計算任務，發(fā)現左額下回、左頂下小葉延伸至角回存在語言轉換效果;對于近似數的“百分數估計”的任務，在雙側的后頂內溝和左額下回發(fā)現優(yōu)勢的語言轉換效果，其激活的部位較“基于7的加法”任務稍微偏向于左額下回的背側。該研究認為，精確的計算加工依賴于口語和語言相關的神經網絡，而近似數估計加工僅使用與數量加工相關的頂部神經回路［15］。然而，Tang等的研究結果與此有不同之處。他們將12名母語為中文者和12名母語為英文者納入此項研究，應用fMRI證實:英文為母語者主要依賴于外側裂周圍皮質進行語言加工(如簡單加法)任務的心理計算，而母語為中文者主要應用視覺-運動前區(qū)的相關神經網絡加工處理相同的任務。該研究結果表明，數字的不同生物學編碼可以由語言學習、算術學習、教育系統(tǒng)等因素的視覺閱讀經歷所形成，而不能被完全地解釋為是語言本身的區(qū)別［16］。

6 發(fā)展性失語癥和顳葉性癲癇患者中英文雙語者的大腦功能活動情況

發(fā)展性失語是一種智商正常的學齡期兒童出現的神經生物學語音加工功能紊亂，表現為嚴重的閱讀技巧獲得障礙。前期研究表明，中國兒童的發(fā)展性失語主要是左側大腦額中回語言加工功能的破壞，和以英語或其他西方語言為母語者的閱讀損傷部位不同［17］。英語發(fā)展性失語者主要是音律加工功能的紊亂［18］，與視覺加工功能紊亂無關［19］。然而，由于漢字不同于英文，在視覺上有復雜的圖形特征，因此，Siok等選擇了12個發(fā)展性失語患者進行物理尺寸大小的系列fMRI測試，結果顯示閱讀障礙者調控視覺加工的左側頂內溝區(qū)域出現較弱的激活。分析閱讀障礙者個人的閱讀表現，推測發(fā)展性失語的中國兒童一般同時存在視覺空間加工能力缺陷和音律加工紊亂［20］。進一步研究發(fā)現，大腦激活降低的部位常伴有灰質體積的減少［21］。該研究針對16個發(fā)展性失語者進行fMRI的功能檢測，發(fā)現中文閱讀(非字母閱讀者)失語者顯示左側額中回灰質體積減少，而與之前的研究［17］相一致的是中文失語者左額中回區(qū)確實有相似的激活降低，激活區(qū)的降低與灰質體積減少區(qū)域有明顯的相關性。與此形成鮮明對比的是，中文失語者沒有顯示出在更后部的大腦區(qū)域功能和結構的改變，而這個區(qū)域是字母語言(英語)失語癥的異常區(qū)域。本研究證實，字母類(英語)和非字母類語言(漢語)的失語癥存在不同的大腦結構和功能的改變。

You等以伴有中英雙語閱讀障礙的中國學齡兒童為研究對象，通過fMRI技術，研究兒童對音律和拼寫的神經系統(tǒng)反應。分析發(fā)現，當進行拼寫任務時，伴有閱讀損傷的兒童顯示左舌回/距狀回活性降低;獨立感興趣區(qū)分析顯示，在拼寫處理過程中枕顳區(qū)活性下降，而在語音加工過程中頂顳區(qū)活性下降，這項研究結果與以前母語為英語者的實驗結果一致。該研究認為，無論英語是否作為第一或第二語言，在語音加工受損的情況下均有相似的神經系統(tǒng)缺陷［22］。

Cheung等對正常雙語人群做 fMRI檢測，結果顯示，中文處理和英文處理存在神經基礎差異，在閱讀英文單詞時出現左側半球激活，在閱讀中文時雙側半球均有活動。進一步對顳葉性癲癇病人的分析發(fā)現，中英文處理神經基礎的差異影響到了顳葉性癲癇控制語言處理功能的模式;與右側顳葉性癲癇患者相比，左側顳葉性癲癇患者更能夠證明雙側半球語言中僅有一個掌控著英語閱讀，左側和右側顳葉性癲癇患者均能夠證實雙側半球與中文閱讀控制有關［23］。

7 結論與展望

綜上所述，在中英文語言分析處理方面，人類大腦存在著統(tǒng)一的神經基礎，然而，在處理不同類型的任務時，則存在著多重性和協(xié)調性。中文類型任務處理需要較多的大腦區(qū)域參與活動，相比之下，英文類型任務處理需要活動的大腦區(qū)域較少，主要局限于左側大腦半球。因此，母語為漢語者學習英文時，大腦增加活化的區(qū)域較少;而母語為英語者學習漢語時，明顯出現右側大腦活動。此外，左側或右側顳葉性癲癇患者所表現出的語言閱讀障礙特征，亦符合以上的分析規(guī)律。

通過對上述實驗研究結果的深入分析，可更清楚地認識到雙語刺激下不同的大腦功能活動神經機制;同時，失語癥與顳葉癲癇患者的腦研究更進一步證實了大腦功能活動在雙語研究中有不同的神經機制。上述研究為中英文雙語學習與教學提供了科學的實驗數據，期望該方面的實驗結果能夠對未來的中英文雙語學習與教學有指導作用。隨著這方面科學研究的不斷深入，相信將會有越來越多新的科研成果出現。這對推動和促進中英文雙語(包括其他雙語)學習與教學以及相關疾病的康復指導，均有重要的科學意義。

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