HBM︱北京师范大学刘丽课题组揭示阅读中字母-语音整合对颞上回神经再利用机制

学术 2024-11-11 00:01 江苏

【神经科学前沿技术培训系列】详见文末

撰文︱刘丽课题组

责编︱王思珍

相比于人类漫长的进化历程，文字出现的时间非常短暂。阅读作为一种新兴的文化技能，还不足以促使人类在自然选择的压力下发展出一个“先天”识字的脑。脑是如何在没有“准备好”的情况下建立视觉字符与听觉语音的联系（letter-sound integration），从而顺利习得阅读的呢？研究者提出了“神经再利用”（neural reuse）的概念（Anderson, 2010）来解释这一现象，认为新认知能力是通过对先天已有的、功能相似的神经网络进行再次利用获得的。但不同的理论对再利用的发生方式仍存在分歧。神经循环假设（neural recycling hypothesis）（Dehaene & Cohen, 2007)认为新能力将以亚区（sub-region）的形式“插入”（invading）原有的神经网络，表现为参与新能力的脑区与参与原有能力的脑区在大脑激活区域上的分离。而同化-顺应假设（assimilation-accommodation hypothesis）（erfetti et al., 2007）认为新能力可以直接“调用”（recruiting）原有的神经网络（同化），并根据新的认知任务需求增加相应脑区（顺应），表现为参与新能力的脑区与参与原有能力的脑区在大脑激活区域上的重合。目前字母-语音整合是否再利用了先天已有的、功能相似的视听整合（audio-visual integration，AV）脑区尚不清楚。如果神经再利用的关系存在，遵循神经循环还是同化-顺应假设依然未知。

近日，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室刘丽课题组在Human Brain Mapping上发表了题为“A meta‐analysis of letter–sound integration: Assimilation and accommodation in the superior temporal gyrus”的元分析文章。首次从神经再利用的角度，比较了阅读中的字母-语音整合（letter-sound）与先天已有的其他两类视听整合，即客体识别中的客体-自然音整合（object-sound）与口语识别中的唇形运动-语音整合（speech-sound）在大脑激活模式上的异同，揭示了字母-语音整合在颞上回（STG）的神经再利用机制符合同化-顺应的假设。

研究首先关注三类AV整合各自的激活网络（图1，overall map）。object-sound整合（A蓝色）稳定激活的脑区是双侧的颞中回后部（pSTG），左侧的颞中回中部（mSTG），以及双侧的脑岛（insula）；speech-sound整合（B绿色）稳定激活的脑区是左侧的pSTG，双侧的mSTG，以及双侧的额中回（MFG）；letter-sound整合（C红色）稳定激活的脑区是左侧的pSTG，以及双侧的mSTG。

此外，研究者将AV整合进一步细分为AV整合成功的有效组与AV整合失败的冲突组。结果发现了有效整合与冲突整合在大脑激活的双分离。表现为三类AV的有效整合都收敛于颞叶的STG（validating map）。而冲突整合收敛于额叶（conflicting map），其中object-sound整合激活insula，speech-sound整合激活MFG，letter-sound的冲突整合由于研究数量不足无法得到有效结果。

图1 三类AV整合的独立激活网络

以上述三类AV的有效整合为基础，研究者进一步成对比较了三者之间激活脑区的异同（图2），重点关注不同AV整合激活的STG脑区之间表现出分离（神经循环）还是重合（同化-顺应）。（1）结果发现三类AV都激活了左侧的pSTG（红色圆圈）；（2）speech-sound比object-sound多激活双侧的mSTG（第一行绿色脑区）；letter-sound同样比object-sound多激活双侧的mSTG（第三行红色脑区）；（3）speech-sound与letter-sound共同激活了左侧的pSTG与双侧的mSTG，两者之间没有显著差异（第一行黄色脑区）。

图2 三类AV整合激活脑区的异同

最后，本研究将三类AV整合按照个体发展以及进化先后的时间顺序排列（图3），从神经再利用的视角重新梳理了上述成对比较的结果。object-sound激活了左侧的pSTG；speech-sound在调用左侧pSTG的基础上（同化），额外激活了双侧的mSTG（顺应）；letter-sound则直接调用了speech-sound的所有AV脑区（同化）。

图3 三类AV整合的神经再利用示意图

文章结论与讨论，启发与展望

以往研究中，object-sound，speech-sound，letter-sound被认为是三类独立的AV整合过程，本研究以神经再利用为切入点，将三者按照个体发展以及进化先后的时间顺序组织起来。通过直接比较它们之间激活模式的异同，发现了letter-sound整合对STG的神经再利用证据，支持了同化-顺应假设。研究对于理解人类学习新文化的脑机制、理解语言的进化提供了新的视角。考虑到目前研究数量有限以及磁共振扫描空间分辨率不足的问题，未来使用被试内设计、快速适应范式可以使结果更加精确。研究者也期待通过儿童识字前后的纵向追踪研究以及对其他文字（中文、日文）、其他群体（文盲、手语或盲文使用者）的研究，共同为同化-顺应假设提供更为直接的证据。

原文链接：https://doi.org/10.1002/hbm.26713

通讯作者课题组简介：刘丽课题组以语言发展、阅读学习为主要研究方向，探索儿童及成人的读写认知过程及其神经机制，关注读写困难的评估、预警与干预。并通过公众号《京师语言能力评估与康复》长期参与推动脑与阅读的相关科普工作。

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参考文献

1.Anderson, M. L. (2010). Neural reuse: A fundamental organizational principle of the brain. The Behavioral and Brain Sciences, 33, 245–266. https://doi.org/10.1017/S0140525X10000853

2.Dehaene, S., & Cohen, L. (2007). Cultural recycling of cortical maps. Neuron, 56, 384–398. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2007.10.004

3.Perfetti, C. A., Liu, Y., Fiez, J., Nelson, J., Bolger, D. J., & Tan, L.-H. (2007). Reading in two writing systems: Accommodation and assimilation of the brain's reading network. Bilingualism: Language and Cognition, 10,131–146. https://doi.org/10.1017/S1366728907002891

编辑︱王思珍

本文完

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