研究背景： 大量的脑功能成像和神经行为学研究都证实大脑皮层在数字认知方面的重要作用，并已有了初步的数字认知成分的功能定位。也有研究发现数字任务能引起小脑、丘脑、基底神经节等结构的激活，但是没有引起重视，也未能做出很好的解释。纹状体边缘区是1988年舒斯云在研究大鼠的脑纹状体时发现在新纹状体尾侧，围绕苍白球外侧，有一条密集排列的梭形细胞带组成的新月形区域，根据其位置命名为纹状体边缘区(简称边缘区)。经过近二十年的研究，发现边缘区的功能主要与学习记忆有关。最近的视觉／听觉数字工作记忆fMRI研究发现，在进行这些数字任务时，也有边缘区的激活。临床病例也显示，如基底节、脑干神经核和小脑的病理损害伴随着认知改变，包括智力迟钝、人格改变，以及后天获得知识(如计算)的损害。那么，基底神经核、小脑等结构是否和大脑皮层一样参与了数字处理过程?边缘区在数字加工和数字计算过程中的作用如何，边缘区与其他已知计算相关的脑功能区的关系如何?我们计划在前面研究的基础上，用fMRI结合神经心理学和神经行为学的方法来探讨其中某些问题。 实验分为两个部分。 第一章：三种数字记忆模式的脑功能磁共振研究 目的： 用功能磁共振成像结合实验心理学的方法来研究健康人三种不同数字记忆，即数字短时记忆、数字工作记忆和长时数字记忆过程的脑区激活情况，探索大脑皮层各区域和皮层下结构在数字记忆过程中的作用。 方法： 让22名被试者完成实验刺激任务，同时进行fMRI扫描。任务设计参照国内外有关数字记忆的心理学实验范式，采取组块设计即基线-任务方法。实验任务分为数字记忆广度、数字工作记忆和数字长时记忆，分别设不同的对照任务。功能磁共振扫描采用Siemenssonata1.5T超导型磁共振仪，梯度场40mT／m，切换率200mT／m／ms，在受试者进行记忆任务及对照任务时采集其血氧水平依赖性(BOLD)信号。完成任务正确率在75％以上的被试者的数据纳入研究，采用统计参数图(statisticsparametermapping99，SPM99)软件对纳入的被试者的fMRI数据进行分析，得到不同任务下的相关激活脑区。对三种任务分别进行组分析，并将数字工作记忆与数字短时记忆的激活脑区进行比较。 结果： 数字短时记忆任务时，被试者激活的脑功能区有双侧额叶、顶叶、枕叶、颞下回、扣带回、壳核、尾状核以及小脑，其中左侧枕叶的激活最为显著，激活脑区无明显的半球优势。如按布鲁德曼脑功能分区(BrodmannArea，BA)则激活脑区有额叶的BA6／8／9／47，顶叶的BA7／40，枕叶的BA18／19。数字工作记忆任务，被试者额叶的左额叶BA6／8／9／47，右额叶BA46，顶叶的BA7／40，双侧海马、扣带回、丘脑、尾状核以及小脑均有不同程度的激活。左尾状核的激活最为显著，额叶和项叶的激活范围(总像素值)都表现为左侧半球优势。被试者在数字长时记忆任务中激活的脑区有：双侧额叶(BA6／9／46／47)、双侧顶叶(BA7／40)、双侧枕叶(BA18／19)、双侧颞叶(BA37)、左扣带回(BA32)、双侧纹状体、双侧丘脑，其中左额叶、左枕叶激活高于其他区域，且激活范围和强度表现为左侧半球优势。 结论： 数字记忆广度测试时，枕叶的激活强度和像素值明显高于其他脑区。其中左侧枕叶的激活强度最大，右枕叶激活体积最大，其他有两侧额叶、顶叶和尾状核，激活脑区无明显的半球优势。双侧枕叶的激活最显著，说明短时数字记忆信息的初步处理和短期储存主要是发生在次级视觉皮层，数字短时记忆的信息编码主要是以视觉阿拉伯数字形式，枕叶在此过程中起着很重要的作用。而额叶的激活与判断过程中信息的提取有关。数字工作记忆实验最强激活点在左侧尾状核，其中左额叶、左顶叶和左尾状核的平均激活强度和总激活像素值明显高于其他脑区，激活脑区有明显的半球优势。额叶、项叶与纹状体各亚区之间有重要纤维联系，我们推测存在一条左侧额叶-项叶-尾状核构成神经环路，是参与数字工作记忆的主要结构，尾状核起着连接额叶和顶叶的中间枢纽作用。左侧额叶在人脑数字工作记忆中也起重要作用，其他皮层脑区及双侧尾状核、部分壳核、丘脑以及小脑也参与共同完成数字工作记忆的信息处理过程。在进行数字长时记忆时，其中左侧额叶、顶叶、枕叶的平均激活强度和总激活像素值高于其他区域，额叶、顶叶和枕叶的激活表现为左侧半球优势。提示左侧额叶在数字长时记忆的提取过程中发挥着主要作用，长时数字记忆的储存和提取由语音编码，并且含有视觉空间信息。三种数字记忆任务时所激活的脑区各不相同，说明三种数字记忆模式的神经回路和心理过程是有差别的；有些脑区如左侧额叶背外侧面(额上回及额中回的BA8／9／46)、双侧顶叶在三种数字记忆任务中都有明显激活，是完成不同的数字记忆和数字加工过程的共同的重要结构；除了大脑皮层结构，纹状体以及小脑在三种数字记忆任务均有不同程度激活，说明这些结构也是完成数字记忆的神经环路的重要组成部分。 第二章：不同难度数字加减计算的脑功能磁共振研究 目的： 用功能磁共振成像结合实验心理学的方法来研究健康人脑进行不同难度数字加减计算时的脑区激活情况，探索大脑皮层和皮层下结构在数字计算的作用。 方法： 利用Siemens1.5TMR机对16名右利手健康志愿者进行简单及复杂数字加减任务的fMRI扫描。实验采用组块设计，刺激任务分为简单加减计算任务、复杂加减计算任务和基线任务。数据采SPM99软件进行数据分析和脑功能区定位。分别比较同一任务各个脑区平均激活强度和同一脑区在两种任务中的的平均激活强度。 结果： 简单及复杂加减计算激活的被试者的脑区基本相同。简单加减计算可见左运动区、左额叶前部、左额下回、右中央沟、左缘上回、左顶上小叶、左右枕叶、左右扣带回、左丘脑及左右小脑的激活。复杂加减计算中左额下回后部、左运动区、右额下回后部、左缘上回、左角回、右顶上小叶、右缘上回、左右枕叶、左右扣带回、左右丘脑及左右小脑的激活。简单及复杂加减计算还出现两侧尾状核、左苍白球和纹状体边缘区等纹状体结构的激活。简单计算中，各个脑区间激活强度的差异无显著性意义。复杂计算中，各个脑区间激活强度的差异无显著性意义。简单计算与复杂计算比较：在右顶叶，复杂任务出现激活，简单任务未出现激活；在左侧纹状体，复杂任务的激活强度大于简单任务；其余各区，简单任务与复杂任务的激活强度均无显著性差异。 结论： 完成数字加减计算任务的脑区主要有额叶、顶叶、枕叶皮质区，大脑皮层下结构一纹状体、纹状体边缘区，也是参与数字计算的重要结构。皮质下结构纹状体和优势半球的纹状体边缘区参与了数字工作记忆，是进行数字计算神经环路的重要组成部位。数字加减计算需要大脑皮层各区和皮层下结构的协同作用才能完成。左额-顶叶的激活强度和像素值在简单和复杂计算任务中一直保持在较高水平，是心算过程中工作记忆和数字操作的基础。右顶叶(缘上回)只在复杂任务出现激活，该区可能是视空间记忆和加工的重要部位。右枕叶的激活范围(总像素值)在复杂计算中明显高于简单计算可能是由于，与简单计算相比，复杂计算在同样时间内需要处理更多数字短时记忆信息和工作记忆信息，这都需要枕叶的参与。纹状体在简单计算和复杂计算中都起重要作用都有明显激活，激活强度与皮质脑区相似，激活体积却发生变化，在简单计算中总像素值高于其他脑区，在复杂计算中明显下降，原因可能是，纹状体是储存程序性记忆的结构，简单计算中，大多依靠提取算术事件即可完成，纹状体发挥主要作用，复杂计算时，多数字操作和大量的中间结果需要更多短时记忆、工作记忆资源，提取算术事件的作用退居次要。