采用事件相关功能磁共振成像技术结合延迟序列运动任务,观察了12名被试短时练习过程中随意运动脑激活模式和脑功能偏侧化的变化.结果显示,序列运动准备和执行任务都激活双侧运动区和后顶叶皮层,脑功能轻度左侧化; 短时练习后上述脑区的激活体积减小,而且右脑激活体积减小更为显著,从而加大了脑功能左侧化.</p

祝一虹

翁旭初

董宗旺

陈宜张

Institutional Repository of Institute of Psychology, Chinese Academy of Sciences

论 文 第 卷 第 期 年 月 科 考 五 叙短时练习对序列运动脑功能偏侧化的影响祝一虹 ① 董宗旺 ②③ 翁旭初 ①③‘陈宜张 ①④①浙江大学医学院,杭州 以 ②河北师范大学教育科学学院心理系,石家庄 ③中国科学院心理研究所脑高级功能研究实验室,北京 ④第二军医大学神经科学研究所,上海 创 〕 联系人, 一 ￡摘要 采用事件相关功能磁共振成像技术结合延迟序列运动任务,观察了 名被试短时练习过程中随意运动脑激活模式和脑功能偏侧化的变化 结果显示,序列运动准备和执行任务都激活双侧运动区和后顶叶皮层,脑功能轻度左侧化 短时练习后上述脑区的激活体积减小,而且右脑激活体积减小更为显著,从而加大 了脑功能左侧化关键词 脑 偏侧化 学习 序列运动 功能磁共振成像脑功能偏侧化是神经科学的重要研究课题 传统观点认为,语言信息主要由左脑加工,而空间信息加工主要在右脑进行 但近年来,研究人员分别观察到了右脑在语言加工和左脑在空间信息加工中的作用,说明上述传统观点过于绝对 单侧肢体的随意运动曾被认为主要 由对侧大脑皮层控制,但本实验室和其他研究者的脑功能成像研究显示,运动肢体同侧大脑在多种运动任务中也起着重要作用 ‘一 】目前对脑功能偏侧化的成因和生理意义所知甚少 多数学者认为,脑功能偏侧化是进化、发育和经验 包括学习 综合作用的结果,但迄今对经验在脑功能偏侧化中的作用还缺乏 系统研究 曾有人观察到长时学习可以导致脑功能偏侧化的变化 ,,而短时练习对脑功能偏侧化的影响尚未见报道 短时学习可使信息传递应更快更有效,而单侧脑内信息传递效率高于两侧半球之间,因此,我们假设即使是短时训练也将表现该趋势双耳分听、测试和裂脑人的神经心理学等是传统的脑功能偏侧化研究技术,但这些技术都是行为测量技术,并不能直接观察到脑的内部活动 本研究利用事件相关功能磁共振成像技术直接观察短时序列运动学习过程 中大脑激活模式的变化,试图为脑功能偏侧化的生理意义提供基本数据材料和方法被试 名健康志愿者,其中男 名,女名,年龄 岁,均为中文版标准问卷确定的右利手,无精神神经病史·运动任务 为了分别观察运动准备和执行过程的脑激活模式,我们采用延迟序列运动任务与事件相关功能磁共振成像技术 ’”,” 每次任务开始时,屏幕上出现一个随机的运动顺序,要求被试记住该顺序并作好运动准备 经 延迟后,呈现一个运动执行信号,要求被试尽快用右手的 个手指 大拇指除外 按刚才的顺序作手指叩击运动 各个手指每次任务中都运动 次 每个阶段包含 次任务,共进行 个阶段 比较第 和第 阶段的脑成像结果设备和扫描方式 采用 全身超导型 系统 对每名被试进行 下 列序列 的扫描· ’二维结构像 采用 自旋回波,序列,水平位, ,层厚,无间隔,层数 二, ,矩阵功能像 采用梯度 回波快速 回波平面, 。 , 一 序列,扫描位置与二维结构像相同 侧,。 ,矩阵,帧数二 帧 层,一次扫描时间为 秒三维结构像 采用 序列,矢状位,加权,,, 。 ,层厚,层数 一, ,矩阵数据分析 数据分析方法 已在另文详细描述,在此只作简要介绍 首先进行头动矫正,图像配准,空 间标准化和空 间平滑 各向同性,高斯核 的半高全宽为 等预处理,然后采用反卷积运算求出各个体素的冲击响应函数, ,并把 与刺激函数进行卷积以获得估计模型,最后采用多元回归分析计算测量数据与估计模型之间的拟合程度 即 值 值大于或等于一 ’ 的体素点被定义为激活,姗姗 日科 考 连 叙 第 卷 第 期 年 月 论 文激活 的体素被映射至三维结构像上,并用伪颜色表示统计值,由此生成学习前后 的运动准备和执行激活 图 根据激活图测量学习前后运动准备和执行的激活体积,并计算偏侧化指数 偏侧化指数计算公式如下 一 。,其中 表示偏侧化指数,表示左半球激活体素个数,表示右半球激活体素个数 ’ 由上述公式不难看出,脑功能无偏侧化时 为零,若 为正值,则为左侧化 而负值表示右侧化结果图 显示 了 名被试学习前后 第 次和第 次扫描,下 同 运动准备和运动执行 的平均激活 图 学习前,运动准备显著激活双侧辅助运动区前部、运动前区和后顶叶等次级运动 区,而运动执行则主要激活初级运动区、双侧运动前区和后顶叶前部,种任务的左脑激活体积都大于右脑 但从个体水平看,准备阶段 名被试中有 名左脑激活体积大于右脑,执行阶段有 名左脑激活体积大于右脑 学习后种任务所激活 的脑 区与学 习前基本相同,但激活体积都减少,以右侧减少更明显 准备 左右侧激活体积减少分别为 和,尸 执行 左右侧减少分别为 和,尸我们接着分别对准备和执行过程学习前后左右脑 的激活体积 测 量单位为激活 的体素值 进行 了学习前后 左右侧 方差分析图 由于完整采集了每名被试学习前后的数据,为了提高统计力,我们把学习因素作为重复测量因素 对运动准备过程,学习后的激活体积显著小于学习前,差异达到显著水平,而且无论学习前或学习后,左半球激活体积均大于右半球 对运动执行过程,学习后的脑激活体积小于学习前,但差异未达到显著水平 川,而左右半球之间激活体积的差异在学习前后也均达到显著水平 学习和左右侧因素的交互作用不显著 尸进一 步计算不 同任务时学 习前后偏侧化指数,并对结果进行了单样本 检验,结果显示各项统计学上都不等于 学习前,准备 为 土图 学习前后平均激活图运动准备激活图 运动执行激活图 示学习前 示学习后 无论对于哪种任务,学习前的激活范围都大于学习后 伪彩色表示 值、表示该层面在 标准坐标体系中与零平面的距离左半球右半球左半球右半球,‘凡护件,令、捅暇蜒易照艇学习前 学习后 学习前 学习后图 左右半球学习前后激活体积 以体素表示,每个体素 的变化 平均数 标准差运动准备 运动执行日论 文 第 卷 第 期 年 月 拼 考 五 叙,执行 为 士 学习后,准备 为 王,执行 为士 尸,均呈左侧化 再用配对 检验比较学习前后偏侧化指数的差异,显示学习后左侧化增加 图,种任务的差异都达到显著水平 准备,执行,—不冲突 本实验室 以往的工作显示【’,,当被试采用利手进行单指运动时,所激活的脑区主要限于对侧初级运动区和辅助运动区,而 当被试采用非利手进行单指运动或采用利手进行随机序列运动时,同侧次级运动区被进一步激活 综合以上结果可 以认为,在进行非常简单的运动任务时,单侧肢体活动 由对侧运动皮层控制,若运动任务难度稍有提高,同侧次级运动区就会参与进来本研究进一步观察到,短时学习后,无论对运动准备抑或运动执行,各脑区的激活体积均减少,表明包括初级运动区在内的各个运动 区域都参与了学 习过程,’ 对此,一种普遍接受的解释是,短时学习可 以提高刺激表征区域的神经元群落的选择性,只有那些能够表征刺激本质的神经元被激活,而其他大部分神经元被抑制,激活 的神经元数 目减少,在脑激活图上表现为激活体积的减少 ’,’“」本研究最有趣的发现是,只需经过短短 的几分钟练习,随意运动脑功能偏侧化 左侧化 的程度就会显著加大 学习导致脑功能偏侧化增大在人类和其他动物都有报道,但都没有进行两半球差异的定量分析,也未考察短时学习过程 , ’一 ’ 我们对脑激活体积和两半球变化程度的差异进一步分析表明,短时练习导致的偏侧化程度增大的原因是右半球 运动肢体同侧半球 激活体积的减小多于左半球 结合前面关于单指运动与序列运动的讨论,有理由认为,脑功能偏侧化可能与任务难度有关 学习前任务难度相对较高,需要双侧半球更多脑 区的协同参与,而经过学习,随着难度的下降,同样的任务一侧半球就基本能胜任,另一侧半球的辅助作用相对减小 从这个意义上讲,学习对脑功能偏侧化的影响与进化的作用有一定可 比性,都是大脑资源 的重新配置和合理使用的过程 功能偏侧化既可提高信息传递效率,又能避免两侧半球间的竞争和冲突,但在任务难度提高时只能依赖于双侧半球的协同工作,尽管这种工作方式可能导致加工速度和效率下降 本实验结果和上述结论 尚需更进一步的实验加 以证明,但对理解脑功能偏侧化的生理意义甚至其成因有一定的启发意义需要指 出的是,较长时程 的学习和不 同的学 习类型所导致的激活模式有所不同 等人 ’”,发现,右利手被试左手或右手经较长时程学 习后均表现为左侧 和双侧 血流增加 学习通常被,了︸、曰﹃,‘八拓职牢晨赎准备 执行图 学习前后准备和执行过程的偏侧化指数示 尸 学习前后 比较 平均数 土 标准差讨论本研究利用事件相关功能磁共振成像技术结合延时序列运动任务观察了运动准备和执行的脑激活模式,并 比较了短时学习前后脑激活体积和偏侧化指数的差异实验结果表明,运动准备过程主要激活辅助运动区前部、运动前区和后顶叶等次级运动区,而运动执行则主要激活初级运动皮层、运动前区和后顶叶前部 等人 ’ 首次利用事件相关 技术和延迟运动任务分离 了运动准备和执行的脑结构基础,发现运动准备主要激活运动前区、后顶叶皮层和辅助运动区,而运动执行主要激活初级运动皮层 等人 〔’ 未能观察到运动执行过程中运动前区和后顶叶前部的激活,也未能分离辅助运动前部的功能,可能与他们采用 的运动模式 单指运动 较为简单有关等人 ’ 采用与本研究相似的序列运动模式,其成像结果与本研究几乎完全一致,只不过他们采用了运动想象任务而不是本研究的运动准备任务值得注意的是,无论对运动准备还是对运动执行,双侧大脑皮层都有显著激活,仅表现出轻度左侧化,表明序列运动并非完全由对侧大脑控制 从表面上看,这一结果似乎与传统观点相左,但其实两者并姗移 柑 妞科 考 氏 叙 第 卷 第 期 年 月 论 文分为外显和内隐 种类型,经典条件反射和简单运动技能的获得均属 于内隐学 习,而延时序列运动学习可能与两种类型均有关系 当练习次数较少时,主要为内隐学习,随着练习次数的增加,部分被试会意识到学习任务,此时主要为外显学习 研究显示,经典条件反射学习可导致右侧小脑、岛叶、顶叶和新纹状体等血流下降,而左侧部分区域血流上升,因此,尽管不 同时程和不同类型的学习都呈现增强 的偏侧化趋势,但脑活动模式的变化有所不同 相应地,值得进一步探讨的问题是,这些差异多大程度上与学习类型有关、多大程度上与学习时程和练习次数有关 另外,本研究只从总体上考察了短时学习对脑功能偏侧化的影响,今后我们将进一步研究短时学习对局部脑区功能偏侧化的影响,, ,礴李心天 中国人的左右利手分布 心理学报, , 一, ,,·, , 一, ,,一予, ,, , ,,一, , ,, ,, , , 一 , 一 ,一】一致谢 本 工 作为国家 自然科学基金 批准号 ,, 、国家重点基础研究发展规划 批准号 一和浙江 省卫 生厅 批准号 资助项目参 考 文 献, ,,, ,, ,,‘,, ,顾云,减玉峰,翁旭初,等 次级运动区参与外源性触发的利手和非利手单指运动 科学通报, , 一, , ,一, ,, , ,一,,,,, ,, ,码,,,, ,,,,, , 一, ,, , 一,, ,, ,, 一, ,, , ,,,,, , 一,, ,, 一 ,一, ,, , ,, ,一一 收稿,一一收修改稿日

短时练习对序列运动脑功能偏侧化的影响

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