脑功能成像(fMRI)技术

第四节脑功能成像技术1

语言神经认知机制研究是语言科学研究的重要内容，它主要研究语言与大脑的关系，简单的说就是研究语言在人脑中的理解与产生的过程。但是人脑被一层厚厚的颅骨所包围，因此仅凭肉眼无法判断大脑处理语言时的情况。认知语言学通过语言理论的假设来构建语言认知模型，心理语言学则通过行为学方法，通过测试量表来研究具体语言结构的反应时间和正确率。但是，这两种研究方向都不能直接观察大脑实时处理语言的情况。随着科学技术的发展，新的语言科学研究技术已经被广泛用于语言研究中，其中PET和fMRI尤其是fMRI技术又是神经认知科学研究被最广泛应用的一种新的技术手段。

一脑功能成像技术简介

PET（Positron Emission Tomography,PET）即正电子发射断层扫描技术，其基本原理是：刺激作用于大脑会产生血流变化，利用血液中注射的放射性示踪物质来和脑活动的某些脑区进行对比，从而确定刺激任务与特定脑区之间的关系。fMRI是functional Magnetic Resonance Imaging的简称，中文名称为功能性磁共振成像。其实质就是在磁共振成像的基础上获取大脑活动的功能图像，以获取被试对所给语言、图形、声音等刺激材料进行加工时产生的fMRI信号并加以分析，以确定这些刺激材料与对应脑区的关系，从而分析其脑机制。赵喜平（2000）认为所谓的fMRI就是利用MRI对组织磁化高度敏感的特点来研究人脑功能，特别是大脑各功能区划分或定位的无创伤性检测技术。由于PET技术在技术要求以及资金需求方面的原因，用于认知任务的研究越来越少，现在主要的脑成像技术就是fMRI,因此这里主要介绍fMRI技术以及实验数据的处理和对实验数据的解读。

1.1 fMRI的发展及其原理

MRI（Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像）产生于上个世纪70年代。1970年，美国纽约州立大学的Raymond Damadian发现正常组织的NMR（Nuclear Magnetic Resonance）信号与病变组织的信号明显不同。这以后Paul Lauterbur、Peter Mansfield 和Graunell发展了各种成像方法。1976年 Mansfield得到了第一幅人体断层像，1977年世界上第一台名为indomitable 的全身磁共振成像装置诞生，1978年的图像质量已经接近CT，1980年磁共振成像设备用于商业用途，这之后，磁共振成像技术开始进入一个飞速发展的时期。美国Technicare公司、GE公司、

1 为了使读者能够直观的了解脑功能成像的实验过程，本章节的图片除了引用编著者已经发表的陈国之外，还参考了https://www.360docs.net/doc/22788293.html,/afni、https://www.360docs.net/doc/22788293.html,/products/e-prime/网站的部分图片。

德国Siemens公司、荷兰的Philips公司等先后成为最负盛名的磁共振设备制造商，临床上也开始应用磁共振成像做疾病的早期诊断，到1985年全世界就装备了511台磁共振成像设备。MRI装置的磁场强度也逐步增大，由最初的0.1T（T Tesal 磁场强度单位）以下到目前临床上运用最广的为1.5T、3T的MRI设备，国外的某些研究机构已运用场强高达9T的MRI装置进行认知科学的研究。我国现在也正在开展磁共振装置的研究，已经取得了一定成果，结束了MRI设备完全靠进口的历史，一些低场磁共振已经可以实现国产，但是在高场磁共振技术上和国外还有一段差距。

MRI扫描设备包括磁体、线圈（包括射频线圈和梯度线圈）、主控计算机和工作平台。整个磁共振室还要包括其他的外设如电源、频闭设备、空调等。磁体可分为永磁型、常导型、混合型和超导型四种。线圈用于发射和接收脉冲信号以及对磁共振信号进行空间定位。主控计算机和工作平台用于采集数据。近来还有公司生产了专门用于fMRI实验的装置，大大方便的实验操作，但是一般成本较高，国内鲜有采用。现在运用最广的是超导型MRI设备，它的信噪比高、稳定性好，可用于高场强的MRI装置，对于fMRI的研究非常有效，用于fMRI研究的MRI装置一般最低的要求是1.0T以上的超导型MRI扫描系统。

MRI是对基于核物理学和量子物理学的NMR（Nuclear Magnetic Resonance，核磁共振）现象的应用。NMR现象是美国科学家Bloch和Purcell于1946年同时发现的。我们知道原子是由原子核和围着核旋转的电子组成，原子核又是由带正电荷的质子和不带电荷的中子组成。在人体内广泛存在的氢原子核，其质子有自旋运动，带正电，产生磁矩，如同一个磁体，这个磁体的自旋是杂乱无章的，但在均匀的强磁场中，磁体的自旋将按磁场磁力线的方向重新排列，这时用特定的射频脉冲去照射这些含有原子核的物体，物体就会将这些能量吸收，从而产生核磁共振现象，也就是现在广义上的磁共振成像。

fMRI产生于上世纪90年代左右,是在磁共振成像基础上发展起来的，功能性磁共振成像技术一般有3种，脑血流测定、脑代谢测定、神经纤维示踪技术。在实验研究中应用最广的脑功能成像方法为脑血流测定，它又包含有注射造影剂、弥散加权、灌注和血氧水平依赖成像等方法。现在最为流行的fMRI成像方法是血氧水平依赖成像即BOLD（Blood Oxygenation Level Dependent）成像技术，BOLD技术由美国的S.Ogawa提出，1991年美国的明尼苏达大学、贝尔实验室、麻省总院、威斯康星大学也取得了初步的研究成果。90年代中期后，fMRI开始在对运动、记忆、学习、语言等人脑高级功能的神经机制研究当中得到了广泛的运用。

血氧水平依赖（BOLD）的主要原理是，人的血液中包含两种物质：氧合血红蛋白和去氧血红蛋白，氧合血红蛋白是逆磁物质，而去氧血红蛋白是顺磁物质，当给予刺激时，需要消耗体内的氧和葡萄糖，因此，当刺激刚开始的一段时间内血氧水平是下降的，但是随着神经元的兴

奋，会带来更多的血氧，因此去氧血红蛋白就相对减少，这样两种不同磁化物质的增减状态不同，表现出不同的MR信号，张武田（2001）认为“将这种磁性物质的相对增减记录下来，就反映了相关脑区的激活状态”。

二 fMRI实验研究介绍

1 实验设计和刺激软件

fMRI实验设计一般有两种：组块设计和事件相关设计。（见图1、2）组块设计（Block Design）就是将实验任务分为几个组，每组包含有同一类型的实验材料若干，每组重复连续给予被试刺激，由被试做出反应完成任务。事件相关脑功能成像（ER-fMRI）的实验设计，贾富仓等（2001）将其定义为：“一次只给一个刺激 ,经过一段时间间隔再进行下，一次相同或不同的刺激。它的核心是基于单次刺激或行为事件所引发的血氧反应”。他们认为事件相关较组块设计有如下优点：一是它具有随机化的优点，二是可以对被试和实验任务作选择性处理，三是可提供脑局部活动的反应特点。应该说事件相关设计的应用前景相当看好。在Block设计中，一般要求一组刺激的时间要等同于控制所呈现的时间，而且每个实验序列内，Bloc的数量不宜太多，否则会影响实验的效果。在事件相关设计中，刺激之间的间隔时间一般要求随机化，但是间隔一般不能太短，否则影响在前一刺激结束的短时间内大脑恢复不到“初始状态”。每个刺激材料的呈现时间也要尽可能的短，以让被试的大脑在尽快完成任务后恢复至初始状态。实验中的控制任务就是用来恢复大脑初始状态的任务，不要求被试反应并要在开始实验前嘱咐被试，在出现控制任务时放松休息，不要再想实验，只要注意屏幕的提示即可。fMRI实验的控制任务一般都使用十字符号放置于屏幕发中央。刺激任务就是我们在实验中要考察的对象，在早期的fMRI实验中，有单一实验材料单一任务的设计，但是在近期的fMRI实验中，有可能是一种刺激做不同任务，也可能是不同刺激做相同任务，总之在最近的fMRI实验中一般都要求有两种以上的刺激或者任务，这样才能比较任务之间的差异，得出不同语言刺激材料或者任务激活的脑区。这些实验材料或者实验任务，在Block设计中，相同的要放入一个Block中，在事件相关设计中，不同的实验任务或者实验材料，可以随机放置在任意的时间序列中。选择Block设计还是事件相关设计，没有统一标准，要视具体实验而定。这些设计在具体实验的时候需要用软件加以实现。现在一般常见的软件有DMDX、E-Prime等，E-Prime软件的编写比较直观，非常适合fMRI实验。图3就是E-Prime软件的工作界面截图。

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图1. Block 设计图示

0.2-2s 0.2-2s 0.2-2s 0.2-2s 0.2-2s 0.2-2s

8-16s 8-16s 8-16s 8-16s 8-16s 8-16s 8-16s

图2.事件相关设计图示

图3. E-prime 主控制面板截图

在使用E-Prime 软件编制刺激程序的时候，可以根据需要设定刺激的间隔时间，还可以设定随机程序，让刺激材料随机出现。同时这个软件还支持声音、图片以及视频刺激程序的编制。在使用这个软件进行fMRI 实验的时候，被试进行实验任务的反馈信息不要呈现在屏幕上，但是

要设定软件的记录程序，把被试的反应时间和正确率记录下来，以供行为分析和fMRI实验数据的处理用。

2 fMRI实验设备

fMRI实验除了需要磁场强度在1.5T以上的磁共振扫描系统外（需要配备脑功能成像软件，一般都是EPI扫描序列），还需要的设备如下：呈现刺激材料的计算机（装备E-Prime或者其他刺激呈现软件）、LCD投影机和反光镜（如果有条件可配备fMRI实验专用视觉呈现设备）、反应按键盒、音频设备、装备SPM或者AFNI等fMRI图像分析软件的计算机等。

3 fMRI实验参数

常见的参数有T1、T2*像、TE（time of echo）、TR （time of repetition）、FOV （field of view）等，T1、T2*像是MRI机器采集图像的不同格式，功能像一般是T2*像。TE是回波时间，TR是重复时间，这些时间表明机器采集实验数据需要的时间，其中TR表示单次激发扫描全脑所需要的时间，一般机器在2-3秒左右。FOV是观察视野，指机器所能采集到大脑图像的范围。实验扫描参数的设定，并没有固定的模式可以遵循，要根据机器的具体性能和实验目的以及实验设计确定。下面所列是一组Simens Sonata机器fMRI成像的参数，可以参考，如：三维结构像采用扰相梯度回波（Spoiled Grass）成像序列进行扫描，获取128层矢状位图像，具体的扫描参数是TE=1.17ms、TR=30ms、层厚=1.30mm、间隔=0.26mm、FOV=325mm、Matrix=128×128；水平结构像采用快速自旋回波（Fast Spin Echo）序列进行扫描，获取20层的水平位图像，具体扫描参数是TE=442ms、TR=15ms、层厚=5mm、间隔=1.5mm、FOV=220mm、Matrix=256×256；功能像采用基于BOLD的EPI成像序列进行扫描，获取20层的水平位功能图像，具体扫描参数是TE=1s、TR=100ms、层厚=5mm、间隔=1.5mm、FOV=220mm、Matrix=64×64。

4 fMRI实验数据处理

fMRI实验所采集的大脑图像包括解剖像和功能像两种，要分别对这两种图像进行处理。常用的fMRI实验数据处理软件有SPM（Statistical Parametric Mapping）、AFNI( Analysis of Functional NeuroImages)等。具体的处理步骤一般分为预处理和统计分析两个部分。预处理包括三维重建、空间标准化、时间与空间平滑等。统计分析是通过相关分析、反卷积运算来获取局部脑功能活动的统计参数图。下面以AFNI软件为例介绍处理的全部过程。AFNI软件要基于Linux平台运行。下面是这一软件面板的截图。

图4.AFNI软件主控制面板截图

解剖像的处理解剖像的处理比较简单，因为解剖像所起的作用就是定位，因此，主要就是将采集到的解剖像进行3D重建并加以标准化就可以了。在AFNI软件中，3D重建主要通过to3d 命令加上扫描时的图像采集参数进行转换，然后在AFNI软件的控制窗口中选择合适的参数就可以实现。图像标准化则通过空间标准化来进行，主要是通过前联合上缘、后缘、后联合下缘（具体位置如下图）以及大脑同一平面的两个任意点这五个位置进行空间定位，将采集到的三维图象转换为Talairach-Tournoux( Talairach&Tournoux,1988)坐标。

图5.空间标准化位置示意图

功能像的处理功能像的处理一般要经过：头动校正、空间标准化、空间平滑和时间平滑、去线性漂移、生成统计参数激活图、计算激活体积、统计激活脑区坐标、比较不同任务的激活脑区等。头动校正的面板如图6，选择2D Registration与3D Registration各做一次校正，

其中弹出的对话框中的Base栏内填一个比较稳定的时间点。为了提高信噪比，减少无关因素的干扰，我们要使用3dmerge命令对数据的功能图像进行高斯平滑，全高半宽（FWHM）的大小选择一般选择3-5之间，选择参数越大，平滑效果越好，信号损失也越大(图7是平滑后的功能像截图)。时间平滑选择3dTshift和3dTsmooth命令，去线性漂移使用3dTcat命令。在以上这些处理步骤完成之后要进行功能图像的后期处理，主要是使用3dCalc命令进行平均激活图的计算，使用3dClust命令进行激活体积的计算，以及通过相关分析以及反卷积分析（3dDeconvolve）来比较不同任务激活脑区的差异。

图6. 头动校正控制面板

图7.某层大脑水平切面的功能像示意图（右图是左图方框及其附近位置的功能激活曲线，表明这个脑区在

这一实验中的激活情况）

图8.色彩及阈值控制面板

以上这些处理都完成以后，我们只要将功能像与解剖像叠加在一起，就可以得出比较准确的激活脑区的定位图。点击AFNI主面板上的Define Overlay会弹出下面的图像阈值控制面板，通过下面对功能图像色彩以及阈值的控制面板对具体任务的激活脑区的图像进行调节。

SPM( statistical parametric mapping)是统计参数图的缩写，是脑功能成像实验中比较常见的一种数据处理软件。最初是由英国的Karl Friston 在1991提出设计思想并于1994 年设计出SPM 94 ,后来又出现SPM 95、SPM 96、SPM 99以及SPM2、SPM5。SPM和AFNI最大的不同在于SPM的源代码不具有开放性，而AFNI基于LINUX的设计给了研究者进一步改进的空间。SPM处理的基本步骤和AFNI基本相同，但是每个步骤的具体实现和AFNI有很大的不同，SPM中使用的标准坐标系统是MNI坐标，而AFNI是Talairach坐标，在处理过程中，SPM按照设定的程序直接将不同被试的大脑转换为标准脑，而AFNI在进行标准化转换过程中，必须使用人工操作，将人脑的三维结构图像和与功能像使用了相同层厚以及间距和观察视野的水平解剖像先行对齐，再做转换，这能保证将三维像和功能像在标准化过程中产生的误差减少到最小的程度，尽管也有局限性。但是从软件的操控性和直观性来看，SPM比AFNI具有优势。

三 fMRI实验相关的准备

实验前实验方案要根据实验目的和fMRI实验的可操作性来确定。一般要经过课题组内语言学、心理学及神经科学以及影像学等方面研究者的讨论后确定。实验方案的语言材料要经过严格的筛选，听觉语言刺激在音节上，视觉语言刺激在字形上、频率上要基本匹配。同时实验方案最好要预先做神经心理行为学实验，通过软件分析行为实验的结果来进一步确定实验的可行性。

实验中在实验方案确定以后，首先要准备磁共振设备一台，场强在1.5T以上并且装备EPI 扫描序列，同时要配备专职扫描人员。还需要一台装备有E-Prime或者其他可编制刺激程序软件的电脑，按实验设计编制刺激程序，同时准备投影设备和电源以及实验情况记录表格、被试情况记录表格以及实验知情同意书以及实验后的调查问卷。在这些准备就绪之后，可以在磁共振设备中设置参数，并被试练习实验，嘱咐被试实验中的注意事项。以上各项工作完成后将被试放入磁共振设备并开始实验。

实验后在实验完成之后，就是处理数据，准备一台性能较好的电脑，装备AFNI、SPM或者其他处理软件，按照一定的方法进行实验数据的录入处理，得出大脑激活图，并分析激活脑区的具体坐标和干兴趣脑区的激活体积，比较不同实验材料或者不同实验任务激活脑区的不同，并取图撰写实验报告。下图就是fMRI实验后得到的大脑激活图像，这是大脑水平面的连续截图，其中的L表示右边为左脑，图中的颜色棒表示激活强弱，Z表示所截取的脑图在T-T三维坐标中的Z轴（上下轴）位置。

图9.处理完成后叠假的大脑水平切面激活图

四 fMRI技术在语言研究中应用和前景

fMRI技术运用于语言研究始于上个世纪90年代，运用于汉语研究是上个世纪末。这些研究主要是对词义进行定位研究，还有部分研究涉及到二语习得的脑区定位。有些成果，例如，

Siok等（2004）在Nature杂志发表的汉语人群习得英语神经机制的fMRI研究结果，已经为国际社会公认。从神经心理学的角度来看，语言神经机制研究主要有字词生成、语义判断、语音判断等，但是这种模式似乎也可以运用于其他的实验研究当中，因此这里只能是大致根据fMRI 实验的特点来简要的介绍几种模式。

第一，单字或整词全部呈现模式。如Kansaku等（1998）的实验中呈现给被试两组汉字，一组是“抽象概念”（abstract concepts）字，如“无”；一组是“具体事物”（concrete objects）字，如“猫”。结果显示，被试完成抽象概念字时双侧枕叶、颞叶激活，并且没有发现左右枕叶和颞叶有明显不同；但是在具体事物字的实验中，发现主要激活区在左半球枕颞叶、Wernick 区周围。因此作者认为，大脑左半球的枕颞区对具体事物汉字比抽象事物汉字的加工起更重要的作用。Luke等（2002）的实验使用的汉语实验材料是动词和副词组成的词组，包括：符合句法的词组：匆匆离开

不符合句法的词组：离开匆匆

不符合语义的词组：伤了门唱了字念了汽车

英语的材料（Kang等1999），包括：

正常的词组：grew plants

不符合句法的词组：forgot made

不符合语义的词组：heard shirts

实验中还加入了一个字形判断的任务，用作基线（baseline）任务，以消除字形的影响。实验中的被试母语为汉语，十岁以后开始学习英语作为第二语言并至少接受了10年的英语教育。被试通过两种语言的流利度测试，发现两种语言的熟练度差异显著。

实验任务是判断所呈现的词组是否符合句法或语义。实验结果显示：在汉语句法加工中激活较大的区域包括左额中回（BA9、46），左额中上回（BA10），左胼侧胝体下（BA34），右额上回（BA10），左舌回（BA17），右枕下回（BA18），小脑左前叶和右侧山顶部；语义激活区包括左额中回（BA9），左额下回（BA45/46），右额下回（BA46），左颞中回（BA21），右枕下回（BA180），左侧丘脑和小脑扁桃体部。

第二，部分呈现模式。Zhang等（2004）的研究模式是，通过在屏幕上呈现两组词，让被试判断第一组词（一个词）与随后呈现的第二组词（两个词）中的哪个词语义相关。这个实验结果表明左前额叶下回在汉语的语义辨别加工任务中激活明显。

第三，问题模式。这种问题模式一般是全部呈现完实验材料后，设计正误判断。例如第四，语音感知和判断模式。用于fNRI实验的核磁共振机，噪音比较大，因此似乎不能用来进行语音实验，但是由于处理技术的进步，fMRI在语音研究上的应用也越来越广泛。Tan等（2001）利用fMRI研究了汉字语音的加工和汉字形音通道之间的关系。实验对所谓的“规则字”（如：铜，即声旁的读音和整字的读音相同）和“不规则字”（如：训，即声旁的读音和整字的读音不同）

汉字：铜训

读音： tong2 xun4

偏旁和读音：同 tong2 川 chuan2

研究认为，左额下回，左侧运动区包括辅助运动区、左颞上回在形到音的转换中起重要作用，左额、颞下回和语音分析相关，运动区皮层和表达相关。左额叶中部（BA9）是朗读象形文字语音加工时的中介，参与形到音的转换过程；右脑，特别是右颞上回对音调和文字形状的加工起作用；前扣带回在认知控制和通过探测认知状态来进行实时监控和评估中起作用。不规则字加工与更多脑区相关则表明：对这些字的语音解码过程有更复杂的脑加工机制。

fMRI技术虽然已经比较成熟，但是语言中的许多问题还没有涉及到，例如句法问题，几乎很少有人涉及到。因此，掌握这项技术对于语言科学研究水平的提高至关重要。当然，fMRI也存在许多问题，比如说时间分辨率不高，不能捕捉语言加工的动态过程。Diana （2006）认为脑功能成像的的结果与前人的研究存在不一致，甚至脑成像研究之间也存在着不一致的地方，这表明脑成像研究还处于发展阶段，实验所得到的信号没有统一的解释模型，因此实验设计就非常的重要。但是作者仍然相信，脑功能成像研究可以引领一种神经失语症学和认知神经心理

学无法预测的全新的语言观。而且，脑功能成像必须要有好的语言理论指导，才会有清晰的方向。这实际上与神经语言学与理论语言学的关系是一致的。

参考文献

赵喜平编著磁共振成像系统的原理及其应用科学出版社 2000

何华张武田国外事件相关功能磁共振成像研究概况《心理学报》2001 24（6）：729-731 Talairach J and Tournoux P. Co-planar stereotaxic atlas of the human brain. Thieme Medical publishes, New York,1988.

贾富仓翁旭初事件相关功能磁共振成像《生理科学进展》 2001 32（4）：368-370

汤慈美主编神经心理学人民军医出版社 2001

WT Siok, CA. Perfetti, Z Jin, LH Tan. 2004 Biological abnormality of impaired reading is constrained by culture nature vol431:71-76

Diana Van Lancker Sidtis 2006 Does functional neuroimaging solve the questions

of neurolinguistics? Brain and Language 98：276–290