科研进展
  • 科研进展
  • 儿童和成人在阅读任务中大尺度脑功能网络的差异
     
            2017年11月10日,北京师范大学心理学部认知神经科学与学习国家重点实验室刘丽课题组在国际著名神经影像学杂志《Human Brain Mapping》发表了题为“Differences Between Child and Adult Large-Scale Functional Brain Networks for Reading Tasks”的论文。他们的研究考查了儿童与成人阅读任务中的大尺度脑功能网络的差异。

            阅读是人脑重要的高级功能之一,需要多个脑区之间的协调配合。揭示儿童(初级阅读者)与成人(熟练阅读者)在阅读任务中脑功能网络的差异有助于我们了解在阅读能力发展的过程中,全脑功能网络连接模式发生了怎样的变化。已有的用以了解阅读发展背后的神经连接机制的一种传统的方法是基于事先选好的种子点所做的功能连接分析。这种传统分析仅仅揭示了脑功能连接的一小部分,并不能从整体上反映脑功能连接随年龄发展的模式。并且,近年来很多研究也发现了阅读的神经机制并不仅仅局限于这些经典的和阅读相关的脑区,还涉及到皮层下区域和边缘系统、基本的视觉加工区以及高级的执行控制区域。因此,大尺度的脑功能连接将是研究阅读发展的一种更为有效和全面的研究方法。

            近年来随着图论在神经科学领域的广泛应用使得从全脑范围研究功能网络成为可能,从而有助于揭示阅读发展过程中全脑网络特征的改变。目前基于图论的脑网络的分析方法更多地被用于静息态的功能网络分析当中,而任务条件下的研究还比较少。但是,脑网络的组织模式是会随着任务的变化瞬息万变的,所以基于任务的脑网络分析方法对于人们研究在特定阅读任务下网络模式和网络属性的发展较静息态而言更加具有针对性。

            因此,刘丽教授及其团队运用了以图论为基础的脑网络的分析方法,研究了在阅读任务中,儿童和成人在全脑功能网络模式上所表现出的差异。该研究收集了17名成人(19-28岁)和16名儿童(11-13岁)在阅读任务中(押韵判断任务和语义判断任务)的功能磁共振成像数据,并利用基于图论的网络分析方法,研究大尺度脑功能网络模式在两种阅读任务下的发展性差异。研究发现:(1)成人在枕叶区域具有较强的功能连接和节点度,而儿童在颞叶区具有较强的功能连接和节点度,表明成人的阅读更多地依赖视觉正字法加工,而儿童更多依赖于听觉语音加工,这一趋势可能是一个特异于阅读的发展趋势(图一和图二)。(2)儿童在皮层下区域的功能连接强度和节点度均显著高于成人,而成人中,较强的功能连接和较高的度的节点则更多的分布在皮层区域。以往的静息态研究也发现了这一趋势,提示着这是一个更为一般性的发展趋势(图一和图二)。(3)只有成人在全脑功能连接和节点度上存在着任务间差异,而儿童没有这种差异(图三和图四),表明成人阅读网络的拓扑组织更为专门化。该结果为交互特异化理论(Interactive Specialization Theory)提供了支持,即一项新的认知能力的出现是以脑区之间特定交互模式的建立为基础的,且随着该认知能力的发展,脑区之间的交互模式会随着任务的需要变得更加特异化。总而言之,他们的研究表明,阅读发展得益于脑功能网络属性的变化,其中一些变化可能是一般性的,而另一些变化可能是特定于阅读领域的。

    图一: 在押韵判断任务中(RT),成人在枕叶区域之间,顶叶和额下区域的功能连接强度显著高于儿童;而儿童在颞叶和皮层下区域具有较强的功能连接。语义判断任务(MT)表现出类似的成人和儿童的差异模式。

    图二: 在押韵判断任务中(RT),成人在枕叶区域、顶上回和额上回的节点度显著大于儿童;在语义判断任务(MT)中,成人的楔叶、海马和颞中回的节点度显著大于儿童;而儿童在这两个任务中,皮层下区域的节点度显著大于成人。


    图三: 只有成人组在脑区间功能连接模式上表现出了押韵判断(RT)和语义判断(MT)的任务间差异。在押韵判断任务当中,依赖的是一个更为偏左侧化的网络;而在语义判断任务中,则更依赖一个偏右侧化的网络。

    图四: 只有成人组在节点度上表现出了押韵判断(RT)和语义判断(MT)的任务间差异。枕下回、额上回在押韵判断任务当中有较高的节点度;而在语义判断任务中,海马旁回表现出较高的节点度。
     
    这项研究得到科技部“973”项目、国家自然科学基金委、北京高等学校“青年英才”计划项目、北京科技计划、北师大交叉学科建设项目和中央高校专项基金的资助。
     
    论文链接:
    Liu, X., Gao, Y., Di, Q., Hu, J., Lu, C., Nan, Y., Booth, R. & Liu, L. (2017). Differences between child and adult large-scale functional brain networks for reading tasks. Human Brain Mapping.
    http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/hbm.23871/abstract;jsessionid=AD6DF56510997D9E33AA3CC251430B01.f03t01