内容
作者：秦智,刘斌,杨明,李国昭 作者单位：东南大学附属中大医院 放射科,江苏 南京
【摘要】 目的： 用功能磁共振成像（fMRI）探讨老年人减法计算时脑的活动情况。方法： 对20例老年健康受试者进行简单及复杂计算任务时的fMRI扫描,采用SPM2软件进行数据分析和脑功能区定位。结果： 简单及复杂计算主要涉及的神经网络为额前区、顶叶、扣带回、小脑及枕叶,复杂计算时涉及的部位更多,且以左侧半球为主。结论： 额前区、顶叶和扣带回的后方是老年人执行计算任务的主要部位,复杂计算时,需要更多的脑功能区参与；左侧半球为老年人计算任务时的优势半球。
【关键词】 功能磁共振成像；计算；皮层；老年人
功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI) 是20世纪90年代初逐步发展起来的一种全新的磁共振成像技术。它把神经代谢活动的检测与高分辨率磁共振成像结合起来,能够准确地对神经元活动进行定位,具有较好的无创性及可重复性等优点。fMRI在神经科学领域的应用已愈来愈广泛,特别是在人脑高级神经功能方面[17]。本实验通过对正常老年受试者执行计算任务时的fMRI进行研究分析,探讨计算情况下老年人的脑部活动情况。
1 材料与方法
1.1 病例选择
正常老年受试者20例,均为高校退休教师,身体健康,无严重的神经系统疾病史和精神病药物服用史,无心血管疾病病史,无近视。所有受试者均为大专及以上学历,均为右利手。其中,男8例,女12例；年龄60～72岁,平均66.8岁。
1.2 检查方法
采用Philips公司1.5T超导型Eclipse磁共振成像系统，头正交线圈。由磁共振机EPI序列脉冲控制PC机自动同步播放实验任务,受试者通过安装在线圈上的反光镜可以观看屏幕上的任务内容。另外有一个按钮盒作为反馈系统与计算机相连,来统计受试者执行不同任务的计算正确率和反应时间。先使用自旋回波(SE)脉冲序列获取20层横轴面T1W解剖图像,扫描参数为:TR500ms，TE12.1ms,翻转角(flip angle)90°,层厚6mm,无间隔,距阵192×256,激励次数(NEX)2。然后采用BOLD技术,应用单次激发回波平面成像梯度回波序列(gradient EPI),在T1WI同样的层面上进行功能成像。EPI扫描参数为:TR3000ms，TE40ms，翻转角(flip angle)90°,视野(FOV)24cm×24cm，距阵64×64,层厚6mm，无间距,NEX 1，简单、复杂计算间隔以静息期,简单、复杂计算激发和采集期次数各为40次,全期160次。受试者在接受检查前均接受短暂培训,以期能全力配合。
1.3 任务设置
本试验采用组块设计。任务组分为简单任务和复杂任务两个水平。简单任务为20以内不退位减法,复杂任务为二位数退位减法。减法公式呈现时间4500ms,中间间隔500ms,在这5s当中,要求被试者判断减法公式的结果是否正确,当计算任务的结果和给出的答案相符时,右手食指按1键，如不符,右手中指按2键。对照组采用无运算符号且与任务组等长字符的数字串,判断出现数字的奇偶,数字串呈现时间4500ms,中间间隔500ms,奇数时右手食指按1键，偶数时右手中指按2键。任务组与对照组交替出现,共重复4次。简单任务与复杂任务的排列顺序由随机量表决定。共获取EPI图像3200幅。
1.4 统计学处理
首先对实验中电脑记录的受试者反应正确率进行检查,将简单计算及复杂计算任务中正确率低于80%的受试者数据舍弃（如受试者在按键时有缺失,则计算正确率时该计算个数从总数中删去）。用t 检验比较简单及复杂数学计算任务的反应时间及准确率有无统计学差异,检验水准α＝0.05。
采用目前国际上流行的SPM2软件系统对fMRI实验数据作统计分析。预处理包括运动校正、空间标准化和空间平滑处理。将运动校正中检测到头部三维平移超过1mm、三维旋转超过1°的数据舍弃。后处理方式采用组分析:将志愿者的实验数据进行链接,一同进行二次统计分析,获得简单与复杂计算的平均脑激活图,叠加于Talairach 标准三维模板脑,获取简单及复杂计算中激活脑区的面积及强度。记录激活区的激活范围(用像素数表示) 及激活强度(用t检验的统计值T表示)。统计阈值概率设定为P 0.001,激活范围阈值设定为20个像素,即连续激活像素数达到20以上的区域考虑为有意义激活区。
2 结 果
20例老年受试者中,有2例头部三维平移超过1mm、三维旋转超过1°,故舍去不用。18例受试者的反应时间、正确率见表1。表1 18例受试者执行简单、复杂计算任务的反应时间及正确率
任务反应时间/ms正确率/％简单计算2 047±28995.77±4.15复杂计算2 866±52890.10±8.77P 0.05（t′=5.8,
t′α=2.1） 0.05（t′=2.5,
t′α=2.1）
18例受试者中的平均激活图（图1、2）：简单计算中,主要在左侧顶上下小叶、额下回、枕叶、右侧小脑、扣带回后方可见激活；复杂计算中,在左侧顶上下小叶、双侧额下回、双侧中央沟区及运动前区、扣带回后方、左侧枕叶、右侧小脑、左颞下回的后方可见激活。简单计算、复杂计算与控制组比较的脑功能区的激活范围及强度见表2。表2 18例老年人执行简单计算与复杂计算各脑区激活范围及激活强度比较
3 讨 论
3.1 老年人执行简单和复杂计算任务时的反应时间及准确率 由表1可知,老年人简单及复杂计算任务的反应时间分别（2047±289）、（2866±528）ms,两者之间有明显的统计学差异（P 0.05）。因此,我们认为老年人复杂计算任务时由于需要进行退位计算,运算时需要更多的时间。在进行预实验时任务设置起初为减法公式呈现时间2500ms,中间间隔500ms,在3s当中要求被试者判断减法公式的结果是否正确,但是实验中发现,老年人进行计算任务时所需反应时间较长,经常在规定的时间内无法完成运算,出现按键缺失。扫描结束后受试者也反映计算时所呈现的时间太短,无法迅速得出结果并作出按键反应。考虑到受试者均为老年人的这种特点,实验设计时增加了每幅减法算式的呈现时间至5s,以提供被试者足够的反应时间。本实验简单计算时的准确率为95.77%,复杂计算时的准确率为90.1％。本组受试者均为大专以上学历,在任务的难度增大、复杂计算时准确率稍低,与简单计算时准确率相比有统计学差异（P 0.05）。
3.2 老年人执行简单和复杂计算任务时的平均激活脑图及它们之间的差异 老年人执行简单计算任务时主要可见左侧顶上下小叶、额下回、枕叶、右侧小脑、扣带回后方激活（图1、3）；复杂计算中,左侧顶上下小叶、双侧额下回、双侧中央沟区及运动前区、扣带回后方、左侧枕叶、右侧小脑、左颞下回的后方可见激活（图2、3）。激活的主要部位及激活强度见表2。以往文献认为,执行减法任务时顶叶、额前区是主要的激活部位,本研究结果与之大致类似，但本组实验简单及复杂减法计算任务中仅可见左侧顶上下小区的少量激活,未见明显右侧顶上下小叶的激活,与以往的文献报道有所不同。Chochon等［1］认为减法任务时需要双侧顶下小叶的数量操作共同完成,认为顶下小叶是数量操作及与数量有关的语义处理中枢。Rueckert等［8］在连续减法计算时,观察到左侧顶下小叶激活,同时也经常发现右侧顶下小叶激活。这可能与实验任务、年龄及样本量偏小等有关。本组均为老年人,由于老年退行性改变,可造成激活的差异。老年人退化的程度有所差异,因此计算任务时脑激活的均一性相对较差,在进行平均激活脑图成像时可造成不能显示右侧顶叶的激活,这需要今后增大样本量进一步观察。本组被试者在简单及复杂计算时均激活左侧顶叶。在本组任务中,无论简单及复杂计算均可见额前区（主要为额下回）的激活,在复杂计算时激活区增大。这是因为额前区是工作记忆的主要部位,工作记忆是一种对信息进行暂时性加工和储存的综合能力,包括信息编码、保存和提取过程。工作记忆系统的信息加工过程包括信息储存,信息维持或复述以及执行加工。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,然后与结果进行比较,判断对错,进行按键反应。扣带回在简单及复杂计算时均可见激活,可见该部位和计算有关。本实验的任务通过观察屏幕上的数学计算实验,因此激活了与视觉相关的颞枕通路。小脑的激活可能与运动性学习有关。另外还可见运动前区的激活,说明运动前区除参与运动外,还可能与高级神经活动有关。在简单及复杂计算任务中,激活的区域均以左侧大脑半球为主,因此我们认为左侧半球为老年人执行计算任务时的优势半球。
上行为老年人简单计算任务的平均脑激活图，下行为老年人复杂计算任务的平均脑激活图
图3 老年人执行简单和复杂计算任务时的横断面脑图
【参考文献】
［1］CHOCHON F,COHEN L,van de MOORTELE P F,et al.Differential contributions of the left and right inferior parietal lobules to number processing［J］.J Cognitive Neurosci,1999,11(6):617630.
［2］RICKARD T C,ROMERO S G,BASSO G,et al.The calculating brain:an fMRI study［J］.Neuropsychologia,2000,38(3)：325335.
［3］DEHAENE S,SPELKE E,PINEL P,et al.Sources of mathematical thinking：behavioral and brainimaging evidence［J］.Science,1999,284(7)：970 974.
［4］BURBAUD P,DEGREZE P,LAFON P,et al.Lateralization of prefrontal activation during internal mental calculation:a functional magnetic resonance imaging study［J］.Neurophysiol,1995,74(5):21942200.
［5］ZAGO L，PESENTI M,MELLET E,et al.Neural correlates of simple and complex mental calculation［J］.Neuroimage,2001,13(2):314327.
［6］FULBRIGHT R K,MANSON S C,SKUDLARSKI P,et al.Quantity determination and the distance effect with letters,numbers,and shapes：a functional MR imaging study of number processing［J］.AJNR Am J Neuroradiol,2003,24(2):193200.
［7］刘斌,滕皋军,杨明,等.计算任务的fMRI研究［J］.中国医学影像技术,2006,22(1):1518.
［8］RUECKERT L,LANGE N,PARTIOTA A,et al.Visualizing cortical activation during mental calculation with function MRI［J］.Neuoimage,1996,3(2):97103.