作者：余毅震 史俊霞 吴汉荣
【关键词】 功能性磁共振成像;,,大脑;,,认知能力
【摘要】 功能性磁共振成像结合血氧水平依赖性原理和回波平面成像技术，能够直观、形象地观测认知任务过程中大脑活动情况，并且具有较高的时间和空间分辨率。近年来,功能性磁共振成像在感知觉、学习、记忆、思考、语言等认知方面得到广泛应用，在脑认知研究和神经活动定位等方面有很大的应用潜力。
【关键词】 功能性磁共振成像; 大脑; 认知能力
Application of Functional Magnetic Resonance Imaging on the Research of Cognitive Function
【Abstract】 Functional magnetic resonance imaging (fMRI) could probe the brain activity of cognitive process effectively when combining with blood oxygenation leveldependent (BOLD)and echo planar imaging(EPI),and it has higher differentiate ability. In recent years, fMRI has been applied to study cognitive ability, such as sensation, perception, learning, thinking and language and etc., and showed great potentiality on research of cognitive ability of brain and neuro-locating.
【Key words】 Functional magnetic resonance imaging; Brain; Cognitive ability
近20年来，以功能性磁共振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI)为代表的脑认知功能成像技术得到了巨大发展，并被迅速应用到认知神经科学的各个领域。功能性磁共振成像技术是将传统共振成像的高分辨率解剖成像能力与核示踪的血流动态特异性结合起来,将人脑的功能像精确地投影到基本的解剖像,从而成为研究大脑认识思维活动的强有力的工具。功能性磁共振成像能够直观、形象地观测认知任务过程中大脑活动情况，并且具有较高的时间和空间分辨率，这较传统的神经检查、WADA测试、单视野呈现、双耳分听和脑电等具有不可比拟的优势。认知过程包括感知觉、注意、记忆、思维和语言等，是一个非常复杂的过程，本文拟对国内外有关fMRI在认知研究方面的进展情况进行综述。
1 记忆的功能性磁共振成像研究
记忆是人脑的高级功能，其过程分为编码加工、固化、存储和提取4阶段。视觉记忆和听觉记忆是人类重要的记忆形式。
视觉记忆要求进行刺激视觉编码和在刺激移出视野后保持其表现，该任务激活视皮质和额叶皮质等多个区域。视皮质在数字和非数字视觉处理过程中起主要作用。项敏等［1］利用功能磁共振研究以视觉呈现的数字记忆特点。结果发现，反序默写数字过程中被试在左半球前额叶背侧（BA 9区）和枕叶的视皮质（BA 17/18/19区）2个地方的激活体积明显大于正序默写数字，表明反序提取的神经机制中更多地包含前额叶中央处理系统和枕叶视空间的成分。张仲伟［2］利用fMRI研究显示，正常人简体汉字单词短时记忆刺激的脑内活动区主要位于前额皮质、颞叶海马、枕叶和小脑等。谢晟等［3］ 研究无意义图形记忆任务发现，记忆和再认的激活区域主要集中在双侧前额叶、双侧海马旁回（左侧为主）、右侧海马、双侧顶叶（主要为顶上小叶和楔前叶）。记忆编码时海马的激活集中在海马头部，而提取时海马的激活则集中在海马的体部及尾部。表明记忆的编码和提取时需要内侧颞叶海马系统的参与，但所倚重的脑区有微小的差别。
在听觉记忆方面，孙兮文等［4］研究发现，反序数字广度记忆比正序调动了更多的脑区：左侧BA 946区（前额叶）和双侧BA7区（顶叶），说明反序过程比正序更加复杂，对人脑的要求也更高。为了解听觉短期记忆的神经基础，Zhang等使用事件相关功能性磁共振成像来测量首因效应和近因效应时大脑活动性。结果显示，回忆中间项目与左顶皮质和视皮质、基底核和背侧小脑广泛的激活有关。从不同序列位置中回忆项目导致双侧初级听皮层、左侧前额皮质和运动前区皮质不同激活时程。表明听觉皮层可以作为一个暂时的储存或听觉输入缓冲器，它在首因效应和近因效应中起重要作用。
王嵩等研究视觉和听觉记忆过程中脑功能fMRI的异同发现，其共同点为双侧的9 区、7 区激活,差异之处为视觉记忆除正常激活视中枢的枕叶17/ 18/ 19 区外,还更多地激活了双侧7 区；听觉记忆除激活作为听力中枢的22 区外,7 区的激活明显低于视觉记忆。说明脑功能成像首先激活直接功能区,即视觉枕叶、听觉颞叶,其次激活共同任务区,即相当于计算机CPU 的中央处理系统(9 区) 以完成任务,同时根据需要不同程度地调动某些相关区域参与完成任务。除此之外，顶叶(BA 7 区) 具有对数字进行加工与记忆的能力,说明视觉记忆需要对数字进行更多的处理,对大脑的工作能力要求更高。
钱银锋等应用fMRI探讨汉字情景记忆大脑皮质功能定位时发现，汉字的情景记忆编码主要激活双侧前额叶背外侧、右侧前额叶下部、扣带回前部、额中线前辅助运动皮层、左侧纹外区和左侧颞叶梭状回；提取主要激活双侧额叶梭状回、前扣带回、额中线前辅助运动皮层、右前额叶下部、双侧前额叶背外侧、左侧顶叶楔前叶及左侧纹外区。而且编码和提取过程中同一脑区左右半球激活的范围并不完全一致，存在一定的差异，表明汉字情景记忆时左右大脑半球同一脑区的激活范围存在不对称性。
Daniel等［5］使用功能性磁共振成像研究语言事件编码任务的神经结构，并确定编码和一系列识别记忆执行之间的关系。结果显示，在编码执行期间相关的激活在神经皮质和中颞叶结构，与以后成功和失败识别记忆有关的神经皮质激活不仅在强度上不同，而且在半球偏侧化上也不同。表明涉及事件记忆编码的神经皮质结构与中颞叶结构相互作用，促进持久记忆的形成。
2 注意的功能性磁共振成像研究
注意的基本作用在于选择信息，以便能被有效地记录、加工和处理。选择性注意是对环境中大量潜在相关的刺激集中注意一小部分的能力，注意对视觉信息的选择性是视觉选择研究领域的一个焦点问题。Downing 等［6］发现:当要求被试注意某一空间区域内与实验任务有关的刺激时,该区域内与实验任务无关的刺激也得到加工, fMRI信号中与该无关刺激相关联的脑区得到了激活,说明注意的选择是基于整个空间位置的。
Marie等［7］ 使用Stroop 任务(该任务需要被试对刺激进行选择性注意,并抑制无关刺激) 与fMRI 技术,发现被试在执行行为任务时,背外侧前额叶在注意选择中起到控制执行的功能,根据任务内容的变化,背外侧前额叶的不同功能亚区会呈现出不同的活动形式。研究证明,与视觉注意任务有关的信息加工取决于多个皮层功能区域的合作,其中部分是前额叶的功能,而另一部分是后部系统的功能。前额叶的控制功能通过调节后部皮层系统来加强前部系统，对与任务有关的信息加工。
Christoph等研究了注意力集中和分散的认知过程神经解剖相关性，在实验中他们以奇异范式（即在一系列熟悉刺激中随机插入一系列不熟悉的刺激）为认知任务。fMRI数据显示，目标和分散刺激条件下都以腹外侧顶额网络系统参与为特点，背外侧顶额网络系统参与分散刺激；在分散刺激加工过程中主要激活左前额皮质，在目标刺激过程中主要激活右前额皮质，提示目标注意主要涉及检索过程，而显著分散刺激似乎参与工作记忆更新。
Jiang［8］探索了右侧下额回在知觉注意分配和反应选择解决双重任务干扰时的作用。研究显示，右侧下额回和额盖在短的刺激发生不同步条件下比在长的刺激发生不同步条件下激活更显著，表明右侧额区在知觉注意阶段对解决双重任务干扰是非常重要的。
3 思维能力的功能性磁共振成像研究
31 问题解决能力的功能性磁共振成像研究
数能力是指个体对刺激的各种数性质作出反应的能力统称，数概念是人类抽象思维的基本要素之一。Dehaene等人发现，顶间沟区与数量大小的比较有关。当受试者在比较两个数的大小时，顶间沟区域显著激活。例如，当比较两数的大小时，顶间沟区的活动比单纯阅读这两个数字更强烈。两数的差距越小，比较起来越难，顶间沟区的活动强度越大，体现了韦伯数距效应。Lee 发现，顶间沟区的活动在受试者做减法时比做乘法时强，而且与涉及的数量绝对值成正相关；数量绝对值越大，活动越强，持续时间也越长，体现了韦伯数量效应。
张秋阳等研究显示：左额区激活出现在两种加法任务和汉字估计任务中,且汉字加法任务的激活量最多,表明听觉言语模块负责加法任务和言语数字的处理。Gruber等对健康受试者在执行算术任务和控制任务时大脑活动进行比较发现：在数学任务和非数学任务期间，由双侧前额区、前运动区和顶区构成的相似皮质网络系统被激活，表明这些皮质区域的大部分并不绝对地代表计算模型；在顶皮质亚区发现计算任务和非计算任务有显著性差异，非计算任务优先激活上顶叶而计算优先激活左背侧角回和中央顶皮质；左背侧角回和中央顶皮质激活反应智力计算的亚加工。表明确切计算期间智力计算的亚加工与数字表示的加工和算术事实检索有关，较复杂的计算任务增加左下额区的活动。
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