生理学报 Acta Physiologica Sinica, August 25, 2008, 60 (4):504-510 http://www.actaps.com.cn
504
研究论文
参与不同难度数字计算的脑区——脑功能磁共振成像研究 张增强 1，舒斯云 2,*，刘颂豪 2，郭周义 2，吴永明 3，包新民 2，郑金龙 1，马翰章 1 1
南方医科大学珠江医院神经内科，广州 5 10280；2 华南师范大学信息光电子科技学院，广州 510631；3 南方医科大学南
方医院神经内科，广州 510515 摘 要：本研究用功能磁共振成像技术观察了人脑进行不同难度数字加减计算时的脑区激活情况，并探讨大脑皮层和皮层 下结构在数字计算中的作用。用 Siemens 1.5 Tesla 磁共振机对 16 名右利手健康志愿者进行简单及复杂数字加减任务的 fMRI 扫描。实验采用组块设计。刺激任务分为简单加减计算任务、复杂加减计算任务和基线任务。用 SPM99 软件进行数据分 析和脑功能区定位。分别比较同一任务各个脑区平均激活强度和同一脑区在两种任务中的激活强度。结果显示，简单及 复杂加减计算激活的被试者的脑区基本相同，激活的皮层区主要见于额叶、顶叶、枕叶、扣带回、丘脑及小脑；简单 及复杂加减计算激活的皮层下结构包括两侧尾状核、左纹状体边缘区等基底核结构和丘脑。在简单及复杂计算中，纹状 体与皮质结构( 额叶、顶叶) 间激活强度均无显著性差异。简单计算与复杂计算比较，右顶叶，在复杂任务时出现激活， 在简单任务时未出现激活。上述结果提示，完成数字计算任务的脑区除了额叶、顶叶、扣带回等皮层结构外，大脑皮 层下的一些结构如纹状体、纹状体边缘区，也是参与数字计算的重要部位。皮层下结构纹状体和优势半球的纹状体边缘 区参与了数字工作记忆，可能是进行数字计算神经环路的重要组成部位。右顶叶(缘上回)只在复杂任务出现激活，该区可 能是视空间记忆和加工的重要部位。 关 键 词 ：功能磁共 振成像；数字计算；皮层及皮 层下结构；纹状体边 缘区 中图分类号：R 3 3 8 . 6
Activated brain areas during simple and complex mental calculation — A functional MRI study ZHANG Zeng-Qiang1, SHU Si-Yun2,*, LIU Song-Hao2, GUO Zhou-Yi2, WU Yong-Ming3, BAO Xin-Ming2, ZHENG Jin-Long1, MA Han-Zhang1 1
Department of Neurology, Zhujiang Hospital Affiliated to Southern Medical University, Guangzhou 510280, China; 2Department of
Neurobiology, School of Information Photoelectric Science and Technology, South China Normal University, Guangzhou 510631; 3
Department of Neurology, Nanfang Hospital Affiliated to Southern Medical University, Guangzhou 510515, China
Abstract: Functional magnetic resonance imaging (fMRI) was used to study the activated brain areas of human during simple and complex digital calculation, and to investigate the role of cortical and subcortical structures involved in the mental calculation. Sixteen right-handed healthy volunteers performed mental calculation of simple and complex addition/subtraction respectively, while the fMRI data were recorded by a Seimens 1.5 T MR machine. Block-design was used in the tasks. Two calculation tasks and one base-line tasks were performed for the block-design. Simple calculation task was single-digit addition and subtraction, while the complex was multidigit addition and subtraction. The base-line task was to tell whether the two numbers were the same in every trial. Statistical parametric mapping (SPM99) was employed to process data and localize functional areas. We compared the average activation intensity of each activated brain regions in the same calculation task and the activation intensity of the same regions in both tasks respectively. Both the cortex and the subcortical structures including basal ganglia and thalamus were activated during simple and complex mental calculations. Similar brain regions in subjects including frontal lobe, parietal lobe, occipital lobe, cingulate gyrus, thalamus and cerebellum were engaged in simple and complex addition/subtraction. In the same task, activation intensity of all activated brain areas differed Received 2008-01-24
Accepted 2008-05-06
This work was supported by the National Basic Research Development Program of China (No. 2006CB504505) *
Corresponding author: Tel: +86-20-61642691; Fax: +86-20-61642691; E-mail: shusybao@gdvnet.com
张增强等：参与不同难度数字计算的脑区——脑功能磁共振成像研究
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insignificantly. Compared with the complex task, the right parietal lobe was not activated in the simple one. The subcortical structures such as the caudate nucleus and the left marginal division of the striatum (MrD) were activated in both two calculation tasks. The cortical regions involved in both simple and complex addition/subtraction were similar. In conclusion, both the cortex and the subcortical structures were activated during the mental calculation. The cortex including the frontal cortex, parietal cortex, and cingulate gyrus were activated during mental calculation, while the subcortical structures such as the caudate nucleus, the globus pallidum and the left marginal division of the striatum also played a critical role in the neural networks of the calculation at the same time. Right parietal lobe (supramarginal gyrus) was engaged only in the complex task, which suggested that this region might be involved in the visuospatial memory and processing. Key words: functional magnetic resonance imaging; mental calculation; cortical and subcortical structures; marginal division of striatum
数字计算是人脑基本的认知功能之一。已有研 究证实人类婴幼儿时期便具有数字识别能力和基本 计算能力，这种能力随着文化教育和神经系统的发 育而逐步发展 [ 1] 。数字的概念包含不同的表征系 统，即数文字系统和阿拉伯数字系统。数文字用于 记忆、语义加工等，阿拉伯数字则是计算的操作单 元[2]。Dehaene 发展了这种观点。他提出了数字的 的三重编码模型(triple-code model)，认为数字包含 视觉的阿拉伯数字形式、听觉口语编码及近似数量 表达。听觉口语编码负责数字信息的输入和输出、 计数以及算术知识的储存和提取；视觉的阿拉伯数 字形式参与数字操作；近似数量表达描述一个数字 的量[3]。已有许多关于数字认知的学说以及实验心 理学、神经影像学研究报道，普遍认为人脑的特定 区域具有不同的数字处理功能。额叶(额中回、额 下回后部、运动前区)、顶叶(顶上小叶、缘上回、 角回)、边缘叶(扣带回)、皮层下结构(基底核、丘 脑) 、小脑都参与了数字计算，其中额叶是工作记 忆的主要区域，顶叶与数字比较、近似计算和估算 有关，枕叶处理阿拉伯数字视觉信息，基底核储存 程序性算术知识，额叶和左顶叶被认为是最重要的 区域[4-9]。研究结果显示被试者的计算相关脑区不完 全相同，这主要是由于计算任务的设计和被试者本 身两方面的因素。任务方面有：计算方式( 如加、 减、乘、除)、计算难度(一位数还是多位数计算)、 刺激呈现方式(听觉 / 视觉、阿拉伯数字 / 数文字、 横式 / 竖式)；被试者本身方面：教育背景(儿童时 期接受算术教育的年龄和方式有所不同、是否接受 过珠算训练)、计算策略(程序策略 / 语言策略) [10-14]。 正是由于这些差异，帮助我们对计算的心理过程有 了初步认识。 许多临床病例显示，成年人在患中风、老年性 痴呆、外伤或接受脑部手术时，如果损伤了脑的某
些结构，计算能力会出现不同形式和不同程度的缺 损及其它认知功能障碍。有报道提出，皮层下结构 的损伤(如基底核硬化、皮层下梗塞)，尤其是优势 半球损伤，导致患者罹患失算症[15,16]。在上述计算 研究中，不乏皮层下结构的激活，但只是将研究重 点放在皮层的功能定位，而对于皮层下结构在计算 中的作用阐述不多。本研究采用无创性的功能磁共 振成像(functional magnetic resonance imaging, fMRI) 技术，探讨健康人从事不同难度数字加减计算时的 脑区激活情况，并对皮层区域与皮层下结构的激活 强度、范围作出比较。
1 材料与方法 1.1 被试者 被试者均为医科大学学生，共 16 例，其中男性 10 名，女性 6 名，年龄在 19-23 岁， 平均(20.64±1.15)岁，大学本科在读，经爱丁堡利 手判定标准[17]调查均为右利手，双眼裸眼视力或矫 正视力正常，无神经及精神疾病史。 1.2 仪器和检查方法 采用 Siemens 公司的 1.5 Tesla 的磁共振机，首先对所有被试者的头颅进行轴 位 T1 WI 扫描，参数为：TR 683 ms，TE 11 ms， FOV 230 mm × 230 mm，矩阵 192 × 144，层厚 4 mm， 层间距 1 mm，共 30 层，范围包括全脑。在被试 者进行实验时采集其血氧水平依赖性(blood oxygen level dependency, BOLD)信号[18]。采用梯度回波结合 单次激发回波平面成像技术(echo planar imaging, EPI)，参数为：TR 3 000 ms，TE 30 ms，FOV 210 mm × 210 mm，矩阵 64 × 64，层厚 4 mm，层 间距 1 mm，扫描层数为 30。 1.3 计算任务 任务刺激：用心理学实验控制 软件DMDX(由美国Arizona大学的Kenneth Forster等 人开发的一个针对 Windows 环境设计的心理学实验 设计与控制软件系统，能在个人电脑上精确计时、
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过 1 mm 或三维旋转超过 1 ° 的数据舍弃。采用 SPM99软件对纳入的被试者相同任务的数据进行组 分析，统计阈值概率设定为 P<0.005，激活范围的阈 值设定为 1 0 个像素，获得平均激活图，按照 Talairach 坐标叠加于标准三维脑模板上，计算出 Brodmann 分区(Brodmann’s areas, BA)，对脑的激
同步呈现视觉和听觉的实验刺激)呈现，经电脑投影 仪投射到被试者足侧的屏幕上。被试者仰卧于检查 床，头部固定，通过安置在头部线圈上的反光镜观 察屏幕，并通过左手的按键对刺激做出反应。实验 任务：采用 Block 设计，简单加减任务为一位数的 加法或减法。如 8+3，9–5，操作数不超过 10，结 果不超过 20。复杂加减任务为两位数或三位数加法 或减法，如 3 5+ 56 ，73 – 25 ，都以算式呈现 3 s 。 然后呈现答案，时间为 1 s，答案可能正确，也可 能不正确，正确的按键一次，错误则不按键，计 算 7 次为 1 个 Block，时间 30 s。数字的选取排除 重复数字(即所谓“arithmetic tie”如 6+6)和特殊计 算结果(如 25+75)[19]。为了避免被试者进行估算，错 误答案设计均在视觉(如 47 与 74)或数量(37 与 39)上
活区进行定位，分别得到简单加减计算和复杂加减 计算的感兴趣区(regions of interest, ROI)。 1.4 统计学分析 同一任务各ROI激活强度(T值) 平均值的比较采取单向方差分析(one-way ANOVA)。 用 SPSS10.0 统计软件处理。
2 结果
接近正确答案。基线任务：依次呈现 7 对两位数， 每对两位数先后呈现，可能相等或不等，如果认为 一样就按键。刺激程序：按照简单加减计算 - 复杂 加减计算 - 基线任务，3 个 Block 为一次循环，共循 环 4 次，总时间 36 0 s。 1.4 数据分析 对被试者计算正确率进行检查， 将简单及复杂加减计算任务中正确率低于 75% 的被 试者数据舍弃。采用统计参数图(statistics parameter mapping 99, SPM99)软件对纳入的被试者的 fMRI 数 据进行分析。将运动校正中检测到头部三维平移超
2.1 被试者的行为学结果 有 1 名被试者的头动超过 1 mm，数据被舍弃。 15名被试者两种数字计算任务的正确率均在75%以 上，简单加减计算正确率为(98.35±2.36)%，复杂 加减计算正确率为(87.63±8.06)%。 2.2 组分析结果 简单加减计算：可见左运动区、左额叶前部、 左额下回、右中央沟、左缘上回、左顶上小叶、 左右枕叶、左右扣带回、左丘脑及左右小脑的激 活。复杂加减计算：可见左额下回后部、左运动 区、右额下回后部、左缘上回、左角回、右顶上
表 1. 简单及复杂加减计算的代表性激活脑区 Table 1. The representative regions actived during mental calculation of simple and complex addition/subtraction Simple calculation Region of interest
Talairach BA
Left frontal lobe
Right frontal lobe
Left parietal lobe
x
y
z
Complex calculation KE
T
(voxel)
value
Right striatum
BA
x
y
z
KE
T
(voxel)
value
6
-21
3
61
25
5.33
9
-48
4
30
148
6.62
10
-27
50
11
18
5.14
46
-39
33
12
22
5.34
47
-27
20
-9
11
3.96
47
18
20
-11
11
4.15
6
42
-1
44
12
5.30
46
50
16
27
41
5.29
4
21
-21
54
14
5.12
46
50
36
15
11
3.91
3.43
6
-3
0
61
12
43
-56
-8
22
17
4.59
40
-33
-36
40
124
6.41
7
-24
-56
44
12
4.35
5
-30
-44
55
124
5.70
7
27
-65
47
90
5.75
40
36
-44
52
20
4.68
Right parietal lobe Left striatum
Talairach
-12
21
7
11
4.65
-18
4
22
51
8.51
-18
-10
25
40
3.64
-21
-11
3
12
6.23
-15
-31
26
10
3.60
15
-7
25
14
3.49
18
1
25
65
5.97
-21
-2
19
40
3.64
12
26
-6
11
4.15
BA: Brodmann’s areas. KE: Cluster size. T: T-statistic (Voxel-level).
张增强等：参与不同难度数字计算的脑区——脑功能磁共振成像研究
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图 1. 简单及复杂加减计算激活的代表性脑区 Fig. 1. The representative brain areas activated during mental calculation of simple and complex addition/subtraction. A: The map of right cerebral hemisphere cortex area activated during simple addition/subtraction. B: The map of left cerebral hemisphere cortex area activated during simple addition/subtraction. C: The activated subcortical structures in the horizontal section of the brain during simple addition/ subtraction. The marginal division of the striatum was activated (green arrow). D: The map of right cerebral hemisphere cortex area activated during complex addition/subtraction. E: The map of left cerebral hemisphere cortex area activated during complex addition/ subtraction. F: The activated subcortical structure in the horizontal section of the brain during complex addition/subtraction. The marginal division of the striatum was activated (green arrow). 表 2. 简单计算和复杂计算脑区激活强度比较 Table 2. Comparison between intensities of the representative regions actived during mental calculation of simple and complex addition/subtraction Simple calculation
Complex calculation
Region of interest
T value (mean±SD)
Region of interest
Left frontal lobe
4.81±0.74
Left frontal lobe
5.37±1.23
Right frontal lobe
4.16±1.03
Right frontal lobe
4.60±0.98
Left parietal lobe
4.47±0.16
Left parietal lobe
6.06±0.50
*
Right parietal lobe
T value (mean±SD)
Right parietal lobe
5.22±0.76
Left striatum
3.96±0.60
Left striatum
6.87±2.32
Right striatum
3.56±0.11
Right striatum
5.06±1.29
F
1.282
F
0.777
P
0.353
P
0.596
*There was no activation in the right parietal lobe during simple addition/subtraction when minimum P=0.005 and extent threshold k=10. T: T-statistic.
小叶、右缘上回、左右枕叶、左右扣带回、左右 丘脑及左右小脑的激活。简单及复杂加减计算还出 现两侧尾状核、左苍白球和纹状体边缘区(图 1C、F 中箭头所标示)等纹状体结构的激活(表 1、图 1)。 简单和复杂计算中，各 ROI激活强度单向方差分
析显 示 ，各 个 脑 区 间 激 活 强 度 的 差 异 无 显 著 性 (P=0.353，P=0.596)。因此可以认为，本次实验中 被试者进行加减计算时，纹状体与皮质结构(额叶、 顶叶)间激活强度无显著性差异(表 2) 。 从表2 中可以看出，统计阈值概率设定为P<0.005，
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激活范围的阈值设定为 10 个像素时，右顶叶在复杂 任务时出现激活，简单任务时未出现激活。
3 讨论 3.1 数字计算的神经基础和相关脑区 数字计算包含数字加工和运算操作过程。数字 加工分为语言性和非语言性两种。语言性数字加工 包括数字的听、读、写等；非语言性数字加工包 括比较大小、大小排序和近似判断等[20]。运算操作 包括简单计算和真正计算。简单计算(单个数字的 加法或乘法等)作为一种语言存储于语义记忆网络， 不是真正计算，称为算术事件(simple arithmetic facts)。算术事件提取过程依赖左半球语言代表区， 包括颞上回后部、颞中回后部，额下回、基底核 和丘脑核团[21]。真正计算明确涉及以视空间工作记 忆储存多位数的左顶额系统，不同水平计算都包含 视空间加工过程，都有顶叶的非特异性视空间加工 区的参与[22]。在计算过程中需要工作记忆对计算中 间结果进行储存和提取，fMRI 研究证明词语工作 记忆和空间工作记忆都参与了这一过程[23]。额叶既 是语言也是工作记忆的主要脑区，额叶背 / 腹外侧 区、运动前区 / 运动区和额前部皮层在计算任务中 常有激活。 3.2 本实验的任务设置和激活脑区 本实验采用组块设计，简单加减任务为一位数 加法或减法，复杂加减任务为两位数或三位数加法 或减法，给出答案，判断对错。基线任务用来达 到与计算任务相当的视觉构成、语言、注意、运 动和记忆功能负荷。基线任务为依次呈现成对的两 位数，判断是否一样，计算与基线任务的对错比例 相当，可避免左手按键造成的运动区激活影响结 果。两种计算任务都要运用相同的计算符号，都要 进行加法算术事件的提取。不同的是，复杂任务都 含有退位减法和进位加法操作，而简单任务只含有 少量加法得数超过 10。复杂任务是多位数计算，在 相同的时间内，比简单任务要进行更多次的数字储 存、提取和运算，相当于刺激速率不同，引起血 流负荷增加，因此复杂任务引起更大范围的脑区激 活。从表 1 可以看出，刺激速率的主要效应是在左 额叶和顶叶皮质，可能是由于复杂任务需动用更多 数字工作记忆对数字信息的储存及提取，我们在以 前的数字工作记忆 fMRI 实验显示左额叶腹外侧区 (Brodmann 44/45 区)激活最为显著(待发表资料)。
本实验结果显示在复杂与简单任务的一个显著 区别在于右顶叶(Brodmann 7/40 区)，复杂任务出现 激活，简单任务未出现激活。复杂加减任务中出现 右侧缘上回的激活，复杂加减计算需要更多的进 位、借位操作，推测右侧缘上回是参与视空间记忆 和加工的重要部位[24]，也有研究认为右顶叶参与词 [25]
语工作记忆和空间工作记忆 。两种计算任务都有 左顶下小叶激活，这和数字语音编码与视觉数字形 式的转换、视觉数字形式的操作有关。 3.3 计算任务中大脑皮层下结构的作用 皮层下结构(如基底核、丘脑)、脑干核团和小脑 的病理损害引起认知障碍，发生认知改变，包括智 力、人格改变，记忆缺陷以及计算力的损害 [ 2 6 ] 。 Menon 等在数字计算的 fMRI 研究中发现，被试者进 行乘除法计算时，随着任务难度的增加，除了激活 前额叶和顶叶皮层外，还需要包括小脑皮层、尾状 核和皮层下脑区的协助 [ 27] 。正电子发射断层成像 (positron emission tomography, PET)研究发现，右利 手健康志愿者从事简单计算任务和单纯的数字重复， 检测到的计算时脑激活区域除两侧额中回、扣带 回、左额叶背外侧皮质、左顶叶皮层外，还有左 壳核、丘脑内侧等的皮层下结构[28]。也有人认为基 底核的激活与计算任务的难度有关，难度较大的任 务需要更多使用运算规则和程序性记忆[29]。Dehaene 及 Rivera1 等认为，程序性知识由语音编码的简单加 法和乘法事件(加法口诀、乘法口诀)在计算过程中 的提取依赖基底核的参与[5,30]。 本研究结果显示，被试者进行加减计算时，纹 状体与皮质结构(额叶、顶叶)间激活强度无显著性 差异，说明纹状体也是参与数字计算的重要脑区。 图 1 显示的简单加减计算中，左侧苍白球和纹状体 边缘区有激活；复杂加减计算中，左侧苍白球、 纹状体边缘区和左丘脑有激活。纹状体边缘区是 Shu 等在研究大鼠的脑纹状体时发现的，为纹状体 和苍白球之间的一条密集排列的梭形细胞带组成的 新月形区域，根据其位置命名为纹状体边缘区(简 称边缘区，marginal division) [31]。后来在猫、猴和 人的纹状体内相继发现边缘区。人脑边缘区是位于 壳核内侧、围绕苍白球头外侧的一扁平盘状结构， 其功能主要与学习记忆有关[32,33]。舒斯云等在 2002 年报道，有一位双侧壳核内侧区(边缘区所在部位) 出血老年患者出现记忆力减退，口算连续减法作业 正确率明显低于正常人，反应时间延长，笔算能力
张增强等：参与不同难度数字计算的脑区——脑功能磁共振成像研究
正常[34]。我们以前的 fMRI 研究表明，左侧纹状体 边缘区与前额叶一起参与了听觉数字工作记忆的过
509
1365-1375. 10 Thorsten F, Chris C, Manfred H. Auditory task presentation
程，可能是数字工作记忆的一个皮层下中枢[35] 。我
reveals predominantly right hemispheric fMRI activation
们最近的 fMRI 实验也表明，数字短时记忆和工作 记忆任务中，双侧尾状核、部分壳核有不同程度的 激活(待发表资料)。本实验结果提示，纹状体及纹
patterns during mental calculation. Neurosci Lett 2008; 431:
状体边缘区具有数字工作记忆的功能，可能是计算 过程的中间结果储存的部位，并有偏侧化效应(优 势半球侧)。这可解释边缘区损伤的病人口算能力 降低而笔算能力正常的原因，即笔算比口算较少需 要计算中间结果的储存。 综上所述，数字计算是人脑的一种复杂认知活 动，需要大脑皮质及皮层下的多个代表不同认知成 分的脑功能区的协同作用，优势半球的纹状体边缘 区参与了数字工作记忆，可能是进行数字计算神经 环路的一个重要组成部位，需要采用更加精确的实 验来进一步的研究。
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