韩在柱课题组在《Brain》发表论文揭示语义记忆的脑白质网络结构
2020年3月10日，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室韩在柱教授课题组在Brain发表了题为“White matter basis for the hub-and-spoke semantic representation: evidence from semantic dementia”的研究论文。该研究以语义性痴呆（semantic dementia, SD）病人为研究对象，探讨了语义记忆的脑白质网络结构。
语义记忆（semantic memory）是个体对物体、词汇、人物等概念形成的一般类知识（例如北极熊长有四肢、皮毛白色）。目前有关语义记忆在大脑中的存储和加工方式主要存在两种理论。其一，分布式理论（distributed theory）认为一个概念的语义记忆主要由其感觉运动型知识（如形状、颜色、运动、功能）组成。这些知识存储在大脑不同区域，形成一个分布式神经网络。其二，中心-辐射理论（hub-and-spoke theory）则认为，该网络还包含一个把这些知识聚集整合在一起的hub中心区，该区受损会引起患者对语义整体性加工障碍。韩在柱课题组曾通过对脑中风患者的语义网络进行了探索研究（如Han et al., 2013; Bi et al., 2015; Zhao et al., 2017），但在此项研究中，本研究合作团队进一步采用发病率较低的SD病人为研究对象（33名SD患者，20名健康控制组），既鉴定了hub中心区的确切位置，也揭示了该中心区与感知运动型知识区的连接模式。
在本研究中收集了每位研究对象的脑白质结构像、语义整体性加工成绩和6种感觉运动型知识（形状、颜色、运动、声音、操作和功能）加工成绩。首先，利用健康控制组的脑数据，通过确定性白质纤维追踪技术，构建出全脑90个脑区的白质网络结构图（图一）。并以该白质网络结构为模板，进一步提取了每位病人在每条白质纤维束上的4个白质完整性值[轴向弥散（axial diffusivity, AD）、内各向异性（fractional anisotropy, FA）、平均扩散系数（mean diffusivity, MD）、径向弥散（radial diffusivity, RD）]，以及每个脑区与其他脑区的连接强度值（节点度值, nodal degree value）。本研究发现，在90个脑区中，左侧梭状回的节点度值与SD患者的整体性语义加工成绩显著相关，表明左侧梭状回是一个重要的语义hub中心（图二）。在此网络结构中，左侧梭状回与9个脑区存在白质连接（左上颞极、海马、海马旁回、颞下回、颞中回、舌状回、距状裂、枕下回和枕中回）。研究还发现，左侧梭状回与左侧距状裂之间的白质连接强度值与SD患者的颜色知识加工能力显著相关（AD: r = –0.56, p = 0.002; MD: r = –0.50, p = 0.006; RD: r = –0.43, p = 0.02; FA: r = –0.14, p = 0.46），结果表明这条白质纤维束传递颜色类知识信息。而且在排除了可能的混淆影响因素后（年龄、性别、教育程度、全脑灰质体积、非语义性加工成绩），上述结果依然保持显著相关性。这一发现不仅细化了语义的网络结构研究，也为语义中心-辐射理论提供了重要的支持性证据，同时还为语义障碍类型的精准鉴别提供了实验依据。
该研究主要由韩在柱教授团队和上海交通大学第六人民医院郭起浩教授团队联合完成，也是北京师范大学陈研博士的博士学位论文的部分研究工作。本研究感谢国家重点研发计划、国家自然科学基金和北京市自然科学基金的资助支持。
图一 健康人的脑白质网络结构图
图二 语义性痴呆病人的语义hub中心区。A）左脑梭状回（lFFG，红色脑区）作为语义hub中心区，及其相连的9个脑区；B）左侧梭状回的节点度值与语义成绩相关图
原文链接：
https://academic.oup.com/brain/advance-article/doi/10.1093/brain/awaa057/5802610?guestAccessKey=6cfd4859-7ffe-4a8d-beae-edbcec40b1af
参考文献：
Han Z, Ma Y, Gong G, He Y, Caramazza A, Bi Y*. (2013). White matter structural connectivity underlying semantic processing: Evidence from brain damaged patients. Brain, 136(Pt 10):2952-2965.
Bi, Y., Han, Z.*, Zhong, S., Ma, Y., Gong, G., Huang, R., Song, L., Fang, Y., He, Y., Caramazza, A. (2015). The white matter structural network underlying human tool use and tool understanding. The Journal of Neuroscience, 35(17): 6822-6835.
Zhao Y., Song L., Ding J., Lin N., Wang Q., Du X., Sun R., Han Z*. (2017). Left anterior temporal lobe and bilateral anterior cingulate cortex are semantic hub regions: Evidence from behavior-nodal degree mapping in brain-damaged patients. The Journal of Neuroscience, 37(1):141-151.
