數(shù)字記憶飽和度與數(shù)字工作記憶的腦區(qū)激活比較

數(shù)字記憶飽和度與數(shù)字工作記憶的腦區(qū)激活比較

數(shù)字記憶廣度是心理測量和臨床上最常用的短期記憶方法。它被廣泛應(yīng)用于偉氏大詞力量表和5mmse量表中。數(shù)字工作是一種重要的短期記憶形式，是長期數(shù)字存儲、數(shù)字比較和計算行為的基礎(chǔ)。以前它們都屬于心理學(xué)的研究范疇。功能磁共振成像(functionalmagneticresonanceimaging,fMRI)技術(shù)為代表的無創(chuàng)性腦功能研究技術(shù)在上世紀(jì)90年代的迅速發(fā)展,為研究數(shù)字記憶的神經(jīng)基礎(chǔ)提供了有力的工具。本實(shí)驗(yàn)擬利用fMRI技術(shù)研究在數(shù)字記憶廣度作業(yè)和數(shù)字工作記憶作業(yè)時各腦區(qū)的激活情況,以比較分析在進(jìn)行這2種短時數(shù)字記憶任務(wù)時,腦區(qū)激活的特點(diǎn)及差異,為揭示大腦處理數(shù)字信息過程的神經(jīng)基礎(chǔ)提供線索與證據(jù)。1數(shù)據(jù)和方法1.1研究主題選取12名志愿者,男6名,女6名,平均年齡21.6歲,大學(xué)以上學(xué)歷,均為右利手,雙眼裸眼視力或矯正視力正常,無神經(jīng)及精神疾病史。1.2全腦監(jiān)測儀器tr采用Siemens1.5TSonata的磁共振掃描儀,正交頭線圈,仰臥位,固定受試者頭部,先行頭顱SE序列橫軸位T1WI掃描,參數(shù)為:TR683ms,TE11ms,FOV230mm,矩陣192×144,層厚4mm,層間距1mm,共30層,范圍包括全腦。功能像采用梯度回波-回波平面成像(gradientecho-echoplanarimaging),EPI序列,定位線及層厚、層間距與常規(guī)掃描一致,參數(shù)為:TR3000ms,TE49ms,FOV210mm,矩陣64×64,層厚4mm,層間距1mm。1.3個前段的數(shù)字記憶數(shù)字記憶廣度任務(wù)和數(shù)字工作記憶任務(wù)實(shí)驗(yàn)均采用組塊設(shè)計(Blockdesign)模式,記憶任務(wù)和對照任務(wù)組塊各4個時相,每個時相30s,交替進(jìn)行,總時長4min。信息由DMDX軟件嚴(yán)格控制時間,經(jīng)電腦投影儀背投到志愿者足端的屏幕上,志愿者通過安置在頭線圈上的反光鏡觀察信息,并通過右手的按鈕對信息做出反應(yīng)。數(shù)字記憶廣度任務(wù):屏幕上出現(xiàn)“開始”后以0.75s/個的速度依次呈現(xiàn)7個0～9的數(shù)字,再出現(xiàn)“回憶”2字,1s后再以0.75s/個的速度依次呈現(xiàn)7個0～9的數(shù)字,然后出現(xiàn)“判斷”2字,要求志愿者在2s內(nèi)判斷出這2組數(shù)字串是否相同,如相同則按右手的按鈕表示,不同則不按,每個時相重復(fù)2次記憶任務(wù)。對照任務(wù)中,屏幕上呈現(xiàn)1個0～9的數(shù)字,持續(xù)時間13s,然后出現(xiàn)“是5嗎?”,要求志愿者在2s內(nèi)判斷屏幕上呈現(xiàn)的數(shù)字是否為5,是則按右手的按鈕,不是則不按,每個時相重復(fù)2次對照任務(wù)。數(shù)字工作記憶任務(wù):屏幕上出現(xiàn)“開始”后以2s/個的速度依次呈現(xiàn)13個2位數(shù),要求志愿者在每個兩位數(shù)出現(xiàn)時,判斷此數(shù)字在這個時相的任務(wù)中是否第2次出現(xiàn),如果是則按右手的按鈕,如果是第1次出現(xiàn),則不按。對照任務(wù)中,屏幕上出現(xiàn)“開始”后以同樣的速度依次呈現(xiàn)13個2位數(shù),要求志愿者在每個數(shù)字出現(xiàn)時,判斷此數(shù)字是否為50,如果是則按右手的按鈕,如果不是則不按。1.4記憶任務(wù)激活被試者納入標(biāo)準(zhǔn):首先對志愿者的反應(yīng)正確率進(jìn)行檢查,將正確率<75%的志愿者數(shù)據(jù)舍棄。單個被試的數(shù)據(jù)分析:采用統(tǒng)計參數(shù)圖(Statisticsparametermapping99,SPM99)軟件對納入的被試者的fMRI數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)處理過程包括運(yùn)動校正、配準(zhǔn)、空間標(biāo)準(zhǔn)化和空間平滑處理。將運(yùn)動校正中檢測到頭部三維平移>1mm或三維旋轉(zhuǎn)>1°的數(shù)據(jù)舍棄。通過時間信號強(qiáng)度曲線的相關(guān)分析來比較記憶任務(wù)與對照任務(wù)之間信號強(qiáng)度的差異,以得到與記憶任務(wù)直接相關(guān)的激活腦區(qū)。將統(tǒng)計閾值概率設(shè)定為P<0.001,激活范圍的閾值設(shè)定為5個像素,即連續(xù)激活像素達(dá)到5個以上的區(qū)域?yàn)榧せ顓^(qū)。組分析:通過SPM99軟件將納入的被試者同一任務(wù)的數(shù)據(jù)一起分析,統(tǒng)計閾值概率設(shè)定為P<0.001,激活范圍的閾值設(shè)定為5個像素,獲得平均激活圖,疊加于Talairach標(biāo)準(zhǔn)三維腦模板上,對腦的激活區(qū)進(jìn)行Brodmann分區(qū)(BrodmannArea,BA)定位,得到感興趣區(qū)(Regionsofinterest,ROI)。組間比較與組內(nèi)比較:對每個納入的被試者進(jìn)行2個記憶任務(wù)時,各個ROI的激活情況采用SPSS11.0forWindows軟件進(jìn)行Fisher精確檢驗(yàn)(FisherExactTest),雙向比較2個記憶任務(wù)ROI激活的異同,以及同一任務(wù)中兩側(cè)對應(yīng)腦區(qū)激活的異同。2結(jié)果2.1數(shù)字工作記憶任務(wù)的正確率12名志愿者數(shù)字記憶廣度任務(wù)的正確率均在75%以上,平均正確率為(96.88±5.65)%,數(shù)字工作記憶任務(wù)的正確率也均在75%以上,平均正確率為(85.23±4.17)%,頭動均在1mm和1°以內(nèi),無數(shù)據(jù)被舍棄。2.2數(shù)字記憶廣度測試進(jìn)行2組任務(wù)時,志愿者額葉的BA6區(qū)、9區(qū)和47區(qū),頂葉的7區(qū)和40區(qū),扣帶回,海馬結(jié)構(gòu),紋狀體(主要是尾狀核)以及小腦均有激活。進(jìn)行數(shù)字記憶廣度測試時,雙側(cè)枕葉BA18區(qū)、19區(qū)的激活尤其顯著,無明顯的半球優(yōu)勢,雙側(cè)顳葉BA37區(qū)激活也較顯著(圖1),而進(jìn)行Comparative字工作記憶時,則在額葉的激活最為顯著,額葉各區(qū)和頂葉7區(qū)的激活都表現(xiàn)為明顯的左側(cè)半球優(yōu)勢,左側(cè)島回也有明顯激活(圖2)。確定本實(shí)驗(yàn)的ROI為雙側(cè)額葉各區(qū),雙側(cè)頂葉7區(qū)和40區(qū),雙側(cè)枕葉,雙側(cè)海馬結(jié)構(gòu),雙側(cè)顳葉37區(qū),扣帶回,雙側(cè)島回,雙側(cè)紋狀體,雙側(cè)丘腦。2.3組間比較和組內(nèi)比較3短時記憶的激活記憶是腦的重要功能,是人類思維活動的基礎(chǔ),本實(shí)驗(yàn)選取數(shù)字作為記憶信息。Cohen等認(rèn)為數(shù)字信息的處理可分為語言和非語言2種,數(shù)字的讀、聽、寫等屬于語言數(shù)字處理過程,而比較大小、排序和近似判斷等屬于非語言數(shù)字處理過程。本實(shí)驗(yàn)要求被試者記住給出的數(shù)字,是代表了語言信息的處理過程。數(shù)字記憶廣度是測定短時記憶能力的一種最簡單易行的方法,要求被試者在看到一串固定時間出現(xiàn)的數(shù)字后立即回憶,記憶維持時間在數(shù)秒鐘至十?dāng)?shù)秒鐘之內(nèi),在臨床上常用于韋氏智力量表和MMSE量表等以檢測病人的短時記憶能力,其容量是有限的,一般為7±2位數(shù)字左右。fMRI技術(shù)出現(xiàn)后,也有人對數(shù)字記憶廣度的腦區(qū)激活情況進(jìn)行了研究。有報道發(fā)現(xiàn)3位數(shù)短時記憶的相關(guān)腦區(qū)至少包括了左側(cè)背外側(cè)前額葉、扣帶回、枕內(nèi)側(cè)皮層。Tsukiura等研究了不同任務(wù)的數(shù)字廣度任務(wù)的編碼與維持階段,則發(fā)現(xiàn)除額頂葉有共同激活外,隨著任務(wù)和階段的不同,其它激活區(qū)也有不同。國內(nèi)學(xué)者還發(fā)現(xiàn)視覺和聽覺數(shù)字信息、正序與反序數(shù)字信息和年齡等因素對數(shù)字記憶廣度的腦區(qū)激活都有影響。本實(shí)驗(yàn)采用的是視覺呈現(xiàn)的7位數(shù)字的記憶,并以不變的1位數(shù)呈現(xiàn)作為對照,此對照消除了記憶廣度任務(wù)中因單純視覺刺激、注意以及判斷時的手動等因素而引起的腦區(qū)激活,主要目的是研究數(shù)字信息的初步處理及短期儲存的過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)被試者雙側(cè)枕葉BA18區(qū)、19區(qū)的激活極其顯著,無明顯的半球優(yōu)勢,說明這種短時數(shù)字記憶信息的初步處理和短期儲存主要是發(fā)生在緊靠著初級視覺皮層BA17區(qū)的次級視覺皮層,而且雙側(cè)18區(qū)、19區(qū)均起著重要的作用,主要激活區(qū)集中在枕葉的外側(cè),而以前報道中,對語義短時記憶的研究中發(fā)現(xiàn)枕葉的激活主要在其內(nèi)側(cè),這與本研究的結(jié)果有所不同,其原因是否是因?yàn)檎砣~負(fù)責(zé)處理數(shù)字信息與文字信息的區(qū)域不同而造成的,還有待進(jìn)一步研究證實(shí)。額葉的BA6區(qū)、9區(qū)和47區(qū)的激活則可能與判斷過程中信息的提取有關(guān),顳葉、海馬結(jié)構(gòu)是較為公認(rèn)的與短時記憶有關(guān)的結(jié)構(gòu),而扣帶回、頂葉、紋狀體以及小腦均有激活,說明這些腦區(qū)可能也參與了數(shù)字記憶廣度的信息處理過程。數(shù)字工作記憶也屬于短時記憶的范圍,但與數(shù)字記憶廣度任務(wù)的不同之處是,它要求被試者將不斷出現(xiàn)的數(shù)字信息記憶、儲存并與以前記住的數(shù)字進(jìn)行比較、判斷,信息在不斷的更新和加工過程中,這個過程需要不斷地對短時記憶系統(tǒng)的信息進(jìn)行編碼、儲存和提取,也需要從長時記憶系統(tǒng)中提取一定的信息(如數(shù)字的識別等)。工作記憶是一種非常重要的短時記憶形式,它為復(fù)雜的任務(wù),比如言語理解、學(xué)習(xí)、計算和推理等提供臨時的儲存空間和加工時所必需的信息,其研究報道也較多。目前研究認(rèn)為,額頂葉網(wǎng)絡(luò),尤其是前額葉在工作記憶的處理過程中起著非常重要的作用。Diwadkar等利用fMRI發(fā)現(xiàn)動態(tài)空間工作記憶中頂葉和背側(cè)前額葉的協(xié)同激活,提示這些區(qū)域的協(xié)同作用是空間工作記憶的基本特征。其他腦區(qū)在工作記憶中也起到了一定的作用。LaBar等在研究語言工作記憶時發(fā)現(xiàn)參與的腦區(qū)還包括頂葉、楔前葉、次級運(yùn)動區(qū)、額眼區(qū)、丘腦、小腦、顳葉神經(jīng)皮質(zhì)和島回等。這說明工作記憶作為一種較為復(fù)雜的高級認(rèn)知活動,需要腦內(nèi)多個區(qū)域之間的相互協(xié)調(diào)才能完成,而前額葉皮質(zhì)可能在其中起到了主導(dǎo)作用。以前的研究多集中在文字工作記憶和空間工作記憶等形式的工作記憶中,有部分學(xué)者對數(shù)字工作記憶也進(jìn)行了研究,如有的學(xué)者在n-back數(shù)字工作記憶任務(wù)時,發(fā)現(xiàn)額頂葉網(wǎng)絡(luò)在其中的作用,包括雙側(cè)額中回、額下回、背外側(cè)前額葉、雙側(cè)運(yùn)動前區(qū)、輔助運(yùn)動區(qū)、扣帶回前部和雙側(cè)頂葉。我們在以前的研究中還發(fā)現(xiàn),左側(cè)紋狀體邊緣區(qū)與前額葉一起參與了聽覺數(shù)字工作記憶的過程。本實(shí)驗(yàn)采用的任務(wù)是多個連續(xù)出現(xiàn)的2位數(shù)的記憶,對照任務(wù)是同樣出現(xiàn)但無需記憶的2位數(shù),此對照也消除了數(shù)字工作記憶任務(wù)中因單純視覺刺激、注意和判斷時的手動等因素引起的腦區(qū)激活,主要目的是著重研究數(shù)字工作記憶中數(shù)字信息的儲存及提取的過程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)被試者額葉背外側(cè)面和運(yùn)動前區(qū)的激活最為顯著,而且額葉和頂葉的激活都表現(xiàn)為左側(cè)半球優(yōu)勢,這與數(shù)字作為語言信息的一種,主要在優(yōu)勢半球處理的理論相一致,另外,雙側(cè)紋狀體(主要是尾狀核)、海馬結(jié)構(gòu)、扣帶回、雙側(cè)丘腦、雙側(cè)島回、雙側(cè)小腦也有激活,說明這些腦區(qū)也參與了數(shù)字工作記憶的過程。從組分析的結(jié)果看,與數(shù)字記憶廣度任務(wù)比較,在數(shù)字工作記憶任務(wù)的實(shí)驗(yàn)中,枕葉的激活強(qiáng)度不強(qiáng),其原因可能是因?yàn)殡p側(cè)枕葉可能僅參與了信息的初步編碼過程,而本實(shí)驗(yàn)數(shù)字工作記憶任務(wù)的對照任務(wù)中數(shù)字信息的編碼過程可能與記憶任務(wù)組數(shù)字信息的編碼過程相類似,在枕葉引起的激活程度與記憶任務(wù)也相類似,因此,通過Block-design的減法模式得出的腦激活圖中,枕葉的激活就不明顯了。但是,枕葉激活同樣表現(xiàn)出了左側(cè)半球優(yōu)勢,這說明在加工過程相對復(fù)雜的數(shù)字工作記憶任務(wù)中,優(yōu)勢半球的枕葉可能參與更多。值得注意的是,本實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)2個記憶任務(wù)中,雙側(cè)尾狀核、部分殼核、丘腦以及小腦也有