用形态测量学和白质纤维束追踪方法研究珠心算儿童左侧梭状回脑区

口心算与脑科学ＺＨＵＸＩＮＳＵＡＮＹＵＮＡＯＫＥＸＵＥ　用形态测量学和白质纤维束追踪方法研究　诛ＪＩ！Ｉ算儿童左侧梭状回脑区　质结构变化以及　关联的白质纤维束完整牲　

◆李永欣’汪运起２。胡玉正’陈飞燕　

【摘要】梭状回作为腹侧枕颞联合脑区的不可或缺　的一部分，以往的研究表明这个脑区广泛参与到面孔　识别、物体、位置和词汇等认知感知过程中。珠心算的　研究表明。这个脑区可能在珠心算过程中作为算珠视　觉表象的关键脑区。本研究使用形态测量学（ＶＢＭ）和　弥散张量成像（ＤＴＩ）相结合的方法来探究长期的珠心　算训练．是否会引起儿童的左侧梭状回灰质结构发生　变化．以及与这个脑区相连的白质纤维束分布发生改　变。我们的研究发现，与控制组相比，珠心算组儿童左　侧梭状回的灰质体积显著减小，概率追踪分析显示珠　心算组左侧钳部白质纤维柬与左侧梭状回有显著连　接．而对照组则没有发现该连接。进一步的分析发现，　珠心算的左侧钳部的平均各项异性系数值（ＦＡ）明显大　于对照组。左侧梭状回的灰质体积与左侧钳部白质平　均ＦＡ值之间在珠心算组存在显著的负相关。而在对照　组则存在正相关。本研究发现了灰质体积、白质各项异　性系数和纤维束在珠心算儿童和对照组儿童之间的差　异．并首次发现左侧梭状回灰质体积与左侧白质钳部　微观属性间存在一定的关联。本研究从灰质和白质两　个方面展示了经过珠心算训练后的儿童在左侧梭状回　结构的变化．为珠心算训练引起结构可塑性的研究提　供了证据。　【关键词】珠心算训练　梭状回　基于体素分析　纤维追踪翻转效应　儿童　前言　梭状回作为腹侧枕颞联合脑区的不可或缺的一部　分，以往的研究表明这个脑区广泛参与到面孔识别、物　体、位置和词汇等认知感知过程中（Ｋａｎｗｉｓｈｅｒ　ｅｔ　ａ１．，　１９９７；Ｃｏｈｅｎ　ａｎｄ　Ｄｅｈａｅｎｅ，２００４；Ｒｏｔｈ　ｅｔ　ａ１．，２００６；Ｍｅｉ　ｅｔ　ａ１．，２０１０；Ｗｏｏｄｈｅａｄ　ｅｔ　ａ１．，２０１１）。左右脑的梭状回在视　觉过程中扮演的角色是存在差异ｆＷｏｏｄｈｅａｄ　ｅｔ　ａ１．，　２０１１）。以往的研究表明右侧梭状回在面孑Ｌ感知和识别　认知过程中起重要作用（Ｋａｎｗｉｓｈｅｒ　ｅｔ　ａ１．，１９９７；Ｂｉｌａ１ｉ６ｅｔ　ａ１．，２０１１），而左侧梭状回后部被看做是视觉词汇形成的　关键脑区ｆＣｏｈｅｎ　ａｎｄ　Ｄｅｈａｅｎｅ，２００４）。通过强化练习可　提高左侧梭状回的激活程度从而增强被试的记忆（Ｘｕｅ　ｅｔ　ａ１．，２０１０）。从上面介绍的研究结果可以明确地看出　以往的研究主要关注两侧梭状回认知功能的差异，但　最近的研究逐渐发现梭状回也参与到珠心算认知过程　中。　珠算是一种中国和其他的一些东亚国家使用的传　统的计算技能。珠心算主要是用算珠代替数字使用珠　算口诀来进行计算。珠心算专家可以快速准确地进行　多位数的计算任务。这些专家不仅能使用算盘高效的　完成多位数计算任务，而且能脱离算盘用珠算式心算　

兰　簋…２０…１５．～３四乏参　心算与脑科学ＺＨＵＸＩＮＳＵＡＮＹＵＮＡＯＫＥＸＵＥ　完成任务，即珠心算（Ｓｔｉｇｌｅｒ，１９８４；Ｈａｔｔａ　ａｎｄ　Ｍｉｙａｚａｋｉ，　１９８９；Ｆｒａｎｋ　ａｎｄ　Ｂａｒｎｅｒ，２０１２１。珠心算过程中包含多个　高级认知功能如数字认知、算术检索、结果存储和心理　表征的操纵等（Ｈａｎａｋａｗａ　ｅｔ　ａ１．，２００３；Ｃｈｅｎ　ｅｔ　ａ１．，２００６）。　以往的影像学研究表明珠心算被试更多的依赖额顶网　络进行计算（Ｈａｎａｋａｗａ　ｅｔ　ａ１．，２００３；Ｃｈｅｎ　ｅｔ　ａ１．，２００６；　Ｔａｎａｋａ　ｅｔ　ａ１．。２ｏ１２）。另外一项重要的结果是珠心算专　家的左侧梭状回在心算过程中显著激活（Ｈａｎａｋａｗａ　ｅｔ　ａ１．，２００３；Ｃｈｅｎ　ｅｔ　ａ１．，２００６１。Ｈａｎａｋａｗａ等人的研究还发　现随着计算任务难度增大左侧梭状回的激活程度逐渐　增大（Ｈａｎａｋａｗａ　ｅｔ　ａ１．，２００３１。本课题组最近的一项关于　珠心算训练对儿童大脑结构影响的研究表明，经过长　期珠心算训练的儿童左侧枕颞联合脑区的白质ＦＡ显　著提高（Ｈｕ　ｅｔ　ａ１．，２０１　１１，这个脑区被看做是连接腹侧视　觉通路（舌回、梭状回和海马前回）和背侧视觉通路（顶　下小叶和顶上小叶）的关键连接点（Ｒｙｋｈｌｅｖｓｋａｉａ　ｅｔ　ａ１．，　２００９）。虽然左侧梭状回在珠心算过程中发现显著激活，　但长期的珠心算训练对儿童大脑在这个脑区结构可塑　性的影响却不清楚。　最近二十年间，许多研究已表明经验和技能的习　得可能引起大脑功能和结构的改变（Ｋｅｌｌｙ　ａｎｄ　Ｇａｒａｖａｎ，　２００５；Ｊｏｈａｎｓｅｎ—Ｂｅｒｇ，２００７；Ｍａｙ，２０１　１；Ａｎｓａｒｉ，２０１２）。本　研究主要关注焦点为左侧梭状回。基于以往的研究结　果（Ｈａｎａｋａｗａ　ｅｔ　ａ１．，２００３；Ｃｈｅｎ　ｅｔ　ａ１．，２００６），我们假设　长期的珠心算训练可引起左侧梭状回灰质体积发生改　变，并且与这些灰质相连的白质纤维束完整性可能发　生改变（Ｈｕ　ｅｔ　ａ１．，２０１　１）。　为了验证假设我们采用形态测量学和概率追踪相　结合的分析方法。首先，用最优化的基于体素的形态测　量学的方法来分析是否长期的珠心算训练引起儿童左　侧梭状回灰质结构发生改变（Ａｓｈｂｕｍｅｒ　ａｎｄ　Ｆｒｉｓｔｏｎ，　２０００；Ｇｏｏｄ　ｅｔ　ａ１．，２００１）。接着，我们用概率追踪的方法　分析与左侧梭状回相连的白质纤维束的微观属性是否　改变（Ｌｅ　Ｂｉｈａｎ，２００３１。　材料和方法　被试信息　本研究中共有３８名健康受试者参与：１９名珠心算　儿童（９名男生，平均年龄１０．３７＋０．５０岁）和１９名对照　组儿童（９名男生，平均年龄１０．１４￣０．５１岁）。在本研究　开展之初，所有的儿童随机分配成实验组（珠心算组）　和对照组，分组完成后没有儿童申请变换组别。两组儿　珠算与珠心算２０１５．３　童除了实验组有珠心算训练外其他课程都一样。所有　儿童都来自城市家庭且没有任何身体和精神方面疾　病。珠心算组儿童每周训练３—４小时且连续训练了三　年以上，对照组儿童没有珠心算训练的经验。　数据采集　实验数据使用Ｔ１加权成像方法在一台飞利浦３Ｔ　的核磁共振机器上采集得到，采集参数为：ＴＲ／ＴＥ＝　３０／５毫秒，视野大小＝２３０×２３０毫米。，矩阵大小＝　５６０×５６０毫米，体素大小０．４１ｘ０．４１ｘｌ　ｍｍ　，矢状位扫　描１６８层，层间距＝０毫米。弥散张量成像数据扫描参　数如下：Ｔ　Ｅ：５５０Ｏ，７８毫秒，视野大小＝２４０×２４０　毫米，矩阵大小＝２８８，（２８８毫米，５０层，层厚＝３毫　米，层间距＝０毫米，１５个梯度方向，１帧ｂ０图像，ｂ　值＝８００　ｓ／ｍｍ２。弥散张量成像数据采集过程中有２名　被试的数据没有成功获得。本研究使用的弥散张量成　像数据和２０１１年发表的文章使用了同一批次数据（Ｈｕ　ｅｔ　ａ１．，２０１１１。　

数据处理　基于体素的形态测量学分析　本研究使用基于Ｍａｔｌａｂ的ＳＰＭ８软件包中的ＶＢＭ８　工具箱（ｈｔｔｐ：／／ｄｂｍ．ｎｅｕｒｏ．ｕｎｉ－ｊｅｎａ．ｄｅ／ｖｂｍ．ｈｔｍ１）对数据　进行预处理．在处理中我们将ＶＢＭ８和ＤＡＲＴＥＬ结合　的最优化处理方法（Ａｓｈｂｕｍｅｒ，２００７）具体操作步骤为：　首先进行空间标准化——通过１２参数的仿射变换（包　括了平移、转动、缩放和剪切各三个参数）将扫描获得　的Ｔ１图像变换到标准的ＭＮＩ空间中，仿射变换过程　中对图像采用最近邻三角插值法进行重新采样；接着　进行分割——将标准化后的脑图像分割成灰质、白质、　脑脊液，利用ＤＡＲＴＥＬ对分割后的图像配准（Ａｓｈｂｕｒｎｅｒ　ａｎｄ　Ｆｒｉｓｔｏｎ，２００５；Ａｓｈｂｕｒｎｅｒ，２００９），获得最优化模板，　然后把原始结构数据经分割后产生的图像进行非线性　变换，向上面得到的最佳模板进行配准，并把配准的数　据向ＭＮＩ空间标准化：接下来进行校正容积——为了　保持每个被试大脑灰质的真实数量，需要进行容积校　正．即将标准化后的图像乘以相关体素容积，通过变换　后的组织图像除以变换过程中估计的雅可比矩阵处理　过程，原始数据的信息得到保留；最后通过各向同性高　斯峰卷积处理．进行平滑（平滑核８　ｒａｍ）使得平滑后的　每个体素都包含了周围体素的信息，从而降低了图像　的噪声　ｌ墨心算与脑科学ＺＨＵＸＩＮＳＵＡＮＹＵＮＡＯＫＥＸＵＥ　进一步分析发现左侧梭状回灰质体积与概率追踪　结果组间差异脑区白质ＦＡ之间在珠心算组存在显著　的负相关ｒ＝一０．６４，Ｐ＝０．００６），而在对照组存在正相　关（ｒ＝０．５３，Ｐ＝０．０１９）￣１］图４。　

Ｌ　Ｆｕｓｉｆｏｒｍ　ＧＭ　ｖｏｌｕｍｏ（ｍｍ￣）　图４　白质ＦＡ和灰质体积两者之间的相关性。珠心算组（红色，ｒ＝一０．６４，Ｐ：０．００６）对照组（蓝色，ｒ＝０．５３，Ｐ＝０．０１９）。　

讨论　本研究中我们展示了长期的珠心算训练可引起儿　童大脑结构发生变化，主要表现在以下几个方面：首　先，基于体素的形态测量学研究分析，发现珠心算儿童　左侧梭状回灰质体积显著减小；其次，概率追踪结果表　明珠心算组左侧梭状回与扣带回钳部白质纤维束存在　连接．而对照组则没有，且珠心算组这部分白质纤维束　的平均ＦＡ值显著高于对照组；最后，左侧梭状回的灰　质体积与左侧扣带回钳部平均ＦＡ值在珠心算组存在　显著的负相关．而在对照组存在正相关。　我们的发现表明长期的珠心算训练可引起左侧梭　状回灰质体积显著减小以及与之相连的扣带回钳部白　质ＦＡ显著增大。珠心算组中灰质体积和白质ＦＡ之间　的显著负相关可用翻转效应理论来解释ｆＧｏｌｅｓｔａｎｉ　ｅｔ　ａ１．，２００２；Ｄｒａｇａｎｓｋｉ　ｅｔ　ａ１．，２００６；Ｍａｙ，２０１　１）。我们的发现　展示了左侧灰质体积减少和白质ＦＡ显著增大可能是　长期珠心算训练引起的。　灰质体积　大量神经可塑性的研究工作已经表明技能的习得　和经验都可能导致大脑功能和结构的变化（Ｃｈｅｎ　ｅｔ　ａ１．，　２００６；Ｂｅｚｚｏｌａ　ｅｔ　ａ１．，２０１　１；Ｍａｙ，２０１　１；Ａｎｓａｒｉ，２０１２）。经过　珠心算训练的被试可以通过操纵大脑中虚拟的算珠快　速准确的进行多位数的计算任务（Ｆｒａｎｋ　ａｎｄ　Ｂａｍｅｒ，　２０１　２１，可见虚拟算珠的成功运用在珠心算过程中的重　要角色。本研究中发现珠心算组儿童左侧梭状回灰质　体积显著减小，可能与珠心算训练过程中视空间加工　过程的频繁运用有关。长期的珠心算训练可能使受训　者把视觉刺激转换成想象的算珠。在大脑中使用珠算　规则进行操作。以往的研究表明顶叶与腹侧视觉通路　的梭状回之间存在着功能连接（Ｂａｃｈ￣ｌ　ｅｔ　ａ１．，１９９９）。视　觉信息可能通过左侧梭状回转换成虚拟的算珠，然后　把信息传输到额顶网络进行计算任务。Ｈａｎａｋａｗａ等在　２００３年的研究为本文的研究结果提供了功能影像方面　的证据（Ｈａｎａｋａｗａ　ｅｔ　ａ１．。２００３）。　以往的研究表明训练引起大脑皮层灰质体积变化　的原因包括细胞大小的变化、神经元或神经胶质的生　长或萎缩等ｆＤｕｅｒｄｅｎ　ａｎｄ　Ｌａｖｅｒｄｕｒｅ—Ｄｕｐｏｎｔ，２００８；Ａｎ．　ｄｅｒｓｏｎ，２０１１）。新的纤维束连接的形成可能是树突的生　长或者已有连接的增强导致（Ｈｏｈｍａａｔ　ｅｔ　ａ１．，２００６）。虽