馬恒芬 吳云濤 趙 文 賈麗萍 周丹丹*

1(中國(guó)民航大學(xué)外國(guó)語(yǔ)學(xué)院，天津 300300)2(濰坊醫(yī)學(xué)院心理學(xué)系，山東 濰坊 261053)

引言

語(yǔ)言是人類所特有的高級(jí)功能，是人類認(rèn)知過(guò)程中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，在社會(huì)發(fā)展、人類交往、個(gè)體認(rèn)知和人格發(fā)展中都起到極其重要的作用。人類認(rèn)知的一個(gè)決定性特征是能夠在復(fù)雜行為之間快速而準(zhǔn)確地交替，該特征在雙語(yǔ)者的兩/多種語(yǔ)言之間快速切換中得到充分體現(xiàn)。當(dāng)與使用相同語(yǔ)言的人交流時(shí)，他們可以自然地采用雙/多語(yǔ)模式，并在這些語(yǔ)言之間無(wú)縫切換。在單語(yǔ)環(huán)境中，他們能夠保持兩/多種語(yǔ)言的分離，并在不受其他語(yǔ)言干擾的情況下用所需的語(yǔ)言進(jìn)行交談[1]。因此，關(guān)于雙/多語(yǔ)學(xué)習(xí)、控制和轉(zhuǎn)換過(guò)程中的大腦機(jī)制成為語(yǔ)言學(xué)、心理學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2]。腦電圖(electroencephalogray，EEG)和腦磁圖(magnetoencephalography，MEG)能以毫秒級(jí)的時(shí)間分辨率檢測(cè)腦內(nèi)的神經(jīng)電活動(dòng)信息。與EEG信號(hào)相比，MEG信號(hào)具相對(duì)較高的空間分辨率(3～5 mm)，且信號(hào)不受組織導(dǎo)電率和顱骨厚度等因素的影響，在對(duì)活動(dòng)的神經(jīng)元的定位精度和測(cè)量信號(hào)的靈敏度上有很大優(yōu)勢(shì)。MEG可以實(shí)時(shí)測(cè)量腦內(nèi)神經(jīng)電活動(dòng)在顱外產(chǎn)生的極其微弱的磁場(chǎng)信號(hào)，以完全無(wú)侵襲、無(wú)損傷的方式探測(cè)腦內(nèi)神經(jīng)活動(dòng)過(guò)程，被廣泛應(yīng)用于各種腦神經(jīng)功能/疾病的檢查[3]，以及語(yǔ)言[4-5]及其他高級(jí)認(rèn)知功能[6]的神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域。本文主要對(duì)MEG在雙語(yǔ)腦功能方面的研究進(jìn)行綜述，主要內(nèi)容包括：MEG的發(fā)展進(jìn)程；MEG的分析方法與分析軟件以及雙語(yǔ)腦功能機(jī)制的MEG研究。

1 腦磁圖的發(fā)展進(jìn)程

在單位面積(mm2)的大腦皮質(zhì)中，數(shù)千個(gè)錐體細(xì)胞幾乎同時(shí)進(jìn)行的神經(jīng)活動(dòng)，可以產(chǎn)生神經(jīng)電流并誘導(dǎo)產(chǎn)生與電流方向正切的大腦磁場(chǎng)。105個(gè)細(xì)胞同步活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度約為100 fT，神經(jīng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度通常在50～500 fT范圍內(nèi)，極易受到環(huán)境電磁噪聲干擾，探測(cè)難度較大。1968年，美國(guó)麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology，MIT)的Cohen首次利用感應(yīng)線圈以及信號(hào)疊加技術(shù)和超導(dǎo)技術(shù)在磁屏蔽環(huán)境下對(duì)MEG信號(hào)進(jìn)行了詳細(xì)記錄[7]。1969年，基于約瑟夫森(Josephson)效應(yīng)設(shè)計(jì)的極敏感低溫超導(dǎo)量子干涉儀(super conducting quantum interference devices，SQUID)問(wèn)世，SQUID利用超導(dǎo)弱連接結(jié)(Josephson結(jié))建立極靈敏的電子測(cè)量傳感器，具有極強(qiáng)的弱磁探測(cè)能力，使探測(cè)大腦磁場(chǎng)的靈敏度大為提高。最早期的MEG儀器采用的是單通道傳感裝置，在探測(cè)腦功能活動(dòng)過(guò)程中覆蓋面積較小，檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，檢測(cè)的精度較低。20世紀(jì)80年代，MEG發(fā)展到64通道多傳感器；到90年代初期，出現(xiàn)了306通道傳感器的全頭型MEG設(shè)備，可以同步測(cè)量并準(zhǔn)確反映腦磁場(chǎng)瞬時(shí)的功能變化[8]。隨著SQUID技術(shù)的不斷進(jìn)步，其靈敏度也從100 fT/Hz1/2逐步提高到1～10 fT/Hz1/2，最高可達(dá)到0.91 fT/Hz1/2。近年來(lái)，雙張弛振蕩超導(dǎo)量子干涉儀(double relaxation oscillation SQUID，DROS SQUID)進(jìn)一步提高了MEG檢測(cè)的靈敏度和臨床適用性[9]。

目前，臨床應(yīng)用的商業(yè) MEG均是基于SQUID 探測(cè)器，主要包括：1)TRIUXTMneo(Elekta Neuromag，瑞典)擁有306個(gè)獨(dú)立傳感器通道，具備極好的空間分辨率，能夠掃描先前由于磁化材料(例如植入的刺激器，牙齒填充物或牙套)而被排除在外的患者(https://www.elekta.com/)；2)DSQ 3500 Electronic System(CTF，加拿大)采用了綜合構(gòu)建高階梯度儀的方法，有效抑制腦區(qū)以外的磁噪聲。該方法不需要操作者對(duì)局部環(huán)境中的噪聲進(jìn)行特征描述，也不需要重新調(diào)整系統(tǒng)。具備極佳的穩(wěn)定性(https://www.ctf.com/)；3)Orion LifeSpaTMMEG(Compumedics Neuroscan，澳大利亞)采用了雙張弛振蕩超導(dǎo)量子干涉儀(DROS SQUID)傳感器，其信噪比高于傳統(tǒng)SQUID傳感器，可實(shí)現(xiàn)比以往更高的大腦信號(hào)敏感性和更低的干擾噪聲(https://www.orionmeg.com/)。但是，SQUID傳感器需液氦冷卻，導(dǎo)致多通道MEG儀器體積較為龐大笨重。同時(shí)，SQUID-MEG 價(jià)格極高，一定程度上也限制了MEG在臨床檢測(cè)及腦科學(xué)領(lǐng)域的研究應(yīng)用。

原子磁力計(jì)是利用原子鐘的衍生技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種新型的微弱磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)，可用于對(duì)腦部磁場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)。其原理是通過(guò)光泵的方法極化堿金屬原子, 然后利用探測(cè)光來(lái)檢測(cè)其在磁場(chǎng)中的進(jìn)動(dòng)。由于進(jìn)動(dòng)頻率與磁場(chǎng)大小成比例, 從而實(shí)現(xiàn)了探測(cè)微弱磁場(chǎng)的目的[10]。在生物磁場(chǎng)的測(cè)量研究領(lǐng)域, 目前比較常用的超靈敏原子磁力計(jì)有：光泵磁力計(jì)(optically pumped magnetometer，OPM)、非線性磁光旋轉(zhuǎn)(nonlinear magneto-optical rotation, NMOR)磁力計(jì)和無(wú)自旋交換弛豫(spin exchange relaxation free，SERF)磁力計(jì)等。其中，SERF原子磁力儀的靈敏度從1973年的30 fT/Hz1/2，2002年達(dá)到單通道靈敏度7 fT/Hz1/2，并在目前達(dá)到了0.16 fT/Hz1/2，被認(rèn)為是目前存在的靈敏度最高的磁場(chǎng)探測(cè)技術(shù)[11]。2006年，Xia等[12]首次使用SERF磁力計(jì)進(jìn)行了腦磁場(chǎng)研究。2016年，Colombo等[13]研發(fā)了4通道的光泵磁力計(jì)(optically pumped magnetometer，OPM)，進(jìn)一步提高了MEG信號(hào)的探測(cè)質(zhì)量。2018年，Boto等[14]基于OPM研制出世界上第一臺(tái)可穿戴的腦磁圖儀，并實(shí)現(xiàn)了在自然狀態(tài)下對(duì)部分腦區(qū)的MEG信號(hào)探測(cè)。基于原子磁力計(jì)的新型MEG已經(jīng)成為新一代的腦磁圖儀[15]。

作為目前先進(jìn)的磁源成像(magnetic source imaging, MSI)技術(shù)，MEG和EEG可以與磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)的結(jié)構(gòu)影像學(xué)信息疊加整合，將生理功能和解剖結(jié)構(gòu)融合在一起，形成具有功能信息的解剖學(xué)定位圖像。MSI不但可以反映腦功能變化的即時(shí)信息，而且能夠進(jìn)行重要腦功能區(qū)的定位[16]。與MRI、EEG、計(jì)算機(jī)斷層掃描(computed tomography，CT)、正電子發(fā)射斷層掃描(positron emission tomography，PET)等其他的腦結(jié)構(gòu)與腦功能測(cè)量技術(shù)相比，腦磁場(chǎng)很少受到腦組織和顱骨之間傳導(dǎo)組織的干擾。MEG設(shè)備在信號(hào)的檢測(cè)過(guò)程中，測(cè)量系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生機(jī)器噪聲，不會(huì)發(fā)出任何有害射線或過(guò)強(qiáng)的能量，可以全方位探測(cè)腦內(nèi)產(chǎn)生的極其微弱的磁場(chǎng)信號(hào)，具有極高的靈敏度。此外，MEG 僅探測(cè)與顱骨正切的神經(jīng)元的活動(dòng)，定位的準(zhǔn)確性較高。

2 腦磁圖的分析方法與分析軟件

2.1 MEG分析方法

MEG信號(hào)分析中最主要的算法是腦磁源成像的正問(wèn)題和逆問(wèn)題算法。從腦內(nèi)已知的神經(jīng)活動(dòng)分布推算出腦外各處的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布為腦磁正問(wèn)題。而從已知腦外各處的 MEG 信號(hào)推算腦內(nèi)神經(jīng)元活動(dòng)，則稱為逆問(wèn)題。MEG逆問(wèn)題因不同的源的分布分成了兩種類型：等效電流偶極子(equivalent current dipole，ECD)腦磁源定位法與合成孔徑磁場(chǎng)測(cè)定法(synthetic aperture magnetometry，SAM)。

ECD分析是通過(guò)顱外SQUID來(lái)探測(cè)顱內(nèi)神經(jīng)活動(dòng)在顱外產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布，然后從給出的頭表記錄數(shù)據(jù)推導(dǎo)出腦內(nèi)偶極子源，并將其中最優(yōu)值等效作為真實(shí)源[17]。但是，ECD分析的解并不是唯一的，在顱內(nèi)興奮源數(shù)量未知的情況下，其定位的精確性也比較差。SAM分析是利用空間濾波器方法來(lái)測(cè)定大腦的電磁活動(dòng)，可以較好地解決全腦磁圖傳感器矩陣中有用和無(wú)用的腦信號(hào)的線性疊加問(wèn)題[18]。同時(shí)，將產(chǎn)生的MEG信號(hào)源圖形化，極大地降低了MEG數(shù)據(jù)分析處理的時(shí)間，進(jìn)一步提高了臨床診斷的效果。

隨著MEG技術(shù)的發(fā)展，ECD和SAM兩種腦磁的逆問(wèn)題研究從靜態(tài)發(fā)展為動(dòng)態(tài)逆問(wèn)題求解，而動(dòng)態(tài) MEG 逆問(wèn)題更符合腦神經(jīng)活動(dòng)動(dòng)態(tài)演變的性質(zhì)。對(duì)MEG的動(dòng)態(tài)逆問(wèn)題研究，其中一種解決方法是采用靜態(tài)逆問(wèn)題方法求解后再組合成動(dòng)態(tài)信息，降低了腦磁的空間分辨率。高空間分辨率的動(dòng)態(tài) MEG逆問(wèn)題研究有狀態(tài)空間的空-時(shí)卡爾曼濾波、雙正則化技術(shù)以及通過(guò)構(gòu)造源信號(hào)的近似時(shí)域子空間，重建出L1范數(shù)解的動(dòng)態(tài)源信號(hào)等方法[19-21]。

2.2 MEG開(kāi)源分析軟件

MEG數(shù)據(jù)的處理分析較為復(fù)雜，包括數(shù)據(jù)輸入/輸出、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)可視化、源估計(jì)、時(shí)頻統(tǒng)計(jì)分析、功能連通性分析和溯源分析等步驟。近年來(lái)，多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)基于MATLAB，C++等開(kāi)發(fā)了多款開(kāi)源的MEG數(shù)據(jù)處理軟件(http://megcommunity.org/analysis/open-source-toolboxes)，使醫(yī)生和學(xué)者使用MEG進(jìn)行臨床診治和科學(xué)研究更為便捷，下面介紹幾種目前常用的MEG數(shù)據(jù)開(kāi)源分析軟件。

2.2.1BESA

BESA(http://www.besa.de)由德國(guó)海德堡大學(xué)和康斯坦茨大學(xué)共同開(kāi)發(fā)，是EEG、MEG、誘發(fā)電位(evoked potentials)和事件相關(guān)電位(event-related potentials，ERP)研究中應(yīng)用最廣泛的源分析和偶極子定位軟件。作為一個(gè)完整的源成像一體化工具，BESA提供了自動(dòng)源定位、快速建模和簡(jiǎn)單的交互式假設(shè)檢驗(yàn)。BESA可以對(duì)連續(xù)獲取的EEG和MEG數(shù)據(jù)進(jìn)行離線處理并自動(dòng)映射到預(yù)定義的范例中，以提供快速的平均數(shù)組合選擇，并且可以從EEG、MEG和ERP數(shù)據(jù)中進(jìn)行實(shí)時(shí)的偽影校正。BESA具有良好的交互性，可以直接與功能MRI軟件BrainVoyager進(jìn)行交互，將功能MRI中的激活區(qū)直接定義為偶極源的種子點(diǎn)進(jìn)行分析[22]。

2.2.2BrainStorm

BrainStorm(http://neuroimage.usc.edu/brainstorm/)由美國(guó)南加州大學(xué)BIG Lab實(shí)驗(yàn)室、麥吉爾大學(xué)MEG研究中心與克利夫蘭醫(yī)學(xué)中心等基于Matlab聯(lián)合開(kāi)發(fā)。BrainStorm可對(duì)MEG、EEG和MRI數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和記錄，計(jì)算基于邊界元法(boundary element methods，BEM)和球面的頭部模型，還包括了時(shí)頻分析功能以及統(tǒng)計(jì)分析工具[23]。

2.2.3FieldTrip

FieldTrip(http://www.ru.nl/neuroimaging/ fieldtrip)是由荷蘭和德國(guó)的科研人員基于Matlab共同開(kāi)發(fā)。該軟件可以對(duì)25種文件格式的MEG、EEG和MRI數(shù)據(jù)讀取，支持動(dòng)物電生理數(shù)據(jù)分析。主要功能包括數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)預(yù)處理、事件相關(guān)的字段/響應(yīng)分析、參數(shù)和非參數(shù)光譜分析、前向和反向源建模、數(shù)據(jù)的連接性分析、數(shù)據(jù)分類、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)推斷。同時(shí)，F(xiàn)ieldTrip還設(shè)計(jì)了一個(gè)模塊，允許用戶進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的分布式計(jì)算[24]。

2.2.4SPM

SPM(statistical parametric mapping， https://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/)是腦功能成像領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的軟件之一，可處理fMRI、PET、SPECT、 EEG 和MEG等多種形式的腦功能數(shù)據(jù)。該軟件基于Matlab開(kāi)發(fā)，操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)可為來(lái)自不同隊(duì)列的圖像系列，也可為來(lái)自同一受試者的時(shí)間序列[25]。

2.2.5OpenMEEG

OpenMEEG(http://openmeeg.github.io/)是由法國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)基于C++開(kāi)發(fā)的MEG/EEG分析工具，利用Python語(yǔ)言為用戶提供使用方便的操作界面，可與FieldTrip和BrainStorm軟件進(jìn)行便捷交互。OpenMEEG可以對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)行各向異性分析，并且采用有限元法(finite element method，F(xiàn)EM)進(jìn)行建模，在規(guī)定的精度水平上數(shù)據(jù)處理更快[26]。

2.2.6NUTMEG

NUTMEG(neurodynamic utility toolbox for magneto encephalo and electroencephalography， http://nutmeg.berkeley.edu)是由美國(guó)、英國(guó)和丹麥的科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的MEG/EEG分析工具。NUTMEG可以實(shí)現(xiàn)MEG/EEG數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)預(yù)處理、源重構(gòu)和功能連接計(jì)算。具有使用便捷的組分析工具和交互式的五維數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)。NUTMEG提供了所有的源重建算法的Matlab函數(shù)腳本，允許高級(jí)的用戶對(duì)軟件包進(jìn)行調(diào)整和編寫腳本，以實(shí)現(xiàn)與其他軟件工具箱的互操作性[27]。

3 雙語(yǔ)腦功能機(jī)制的腦磁圖研究

雙語(yǔ)者管理兩種語(yǔ)言的能力對(duì)認(rèn)知功能產(chǎn)生的影響，以及使用雙語(yǔ)使大腦結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生的變化，一直是語(yǔ)言學(xué)、心理學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的研究熱點(diǎn)[28-29]。大量研究表明，MEG技術(shù)用于語(yǔ)言功能區(qū)定側(cè)定位是可行和可信的，且具有重復(fù)性[30]。

3.1 腦發(fā)育過(guò)程中的雙語(yǔ)優(yōu)勢(shì)

了解單/雙語(yǔ)嬰兒的大腦網(wǎng)絡(luò)如何發(fā)展的，對(duì)于更好地理解成人雙語(yǔ)所引發(fā)的神經(jīng)效應(yīng)的起源至關(guān)重要。之前的研究支持成年期語(yǔ)言處理的復(fù)雜語(yǔ)言網(wǎng)絡(luò)是大腦成熟和語(yǔ)言接觸之間長(zhǎng)期交互作用的結(jié)果[31]。語(yǔ)言網(wǎng)絡(luò)的正常發(fā)展過(guò)程一直被認(rèn)為越來(lái)越多的功能性左側(cè)化和越來(lái)越多的額葉結(jié)構(gòu)參與這些網(wǎng)絡(luò)。然而，最近的神經(jīng)科學(xué)研究表明，功能性左側(cè)化和額葉結(jié)構(gòu)的介入，可能在嬰兒出生時(shí)就已經(jīng)開(kāi)始起作用[32]。

語(yǔ)言經(jīng)驗(yàn)塑造了嬰兒處理語(yǔ)音的能力，語(yǔ)音辨別能力在兒童一歲半后開(kāi)始逐漸減弱。隨著嬰兒的大腦對(duì)母語(yǔ)的選擇性更加敏感，其神經(jīng)辨別能力也發(fā)生了相應(yīng)的變化。美國(guó)華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)使用無(wú)創(chuàng)MEG，研究了11個(gè)月大的英語(yǔ)-西班牙雙語(yǔ)和英語(yǔ)單語(yǔ)嬰兒對(duì)西班牙語(yǔ)和英語(yǔ)音節(jié)的大腦反應(yīng)，探索嬰兒時(shí)期的雙語(yǔ)體驗(yàn)是否以及如何改變母語(yǔ)特定語(yǔ)音的辨別[33]。研究結(jié)果表明，單語(yǔ)(英語(yǔ))家庭的嬰兒只能處理英語(yǔ)的語(yǔ)音，而不會(huì)處理陌生語(yǔ)種(西班牙語(yǔ))的語(yǔ)音。而雙語(yǔ)家庭的嬰兒則能處理西班牙語(yǔ)和英語(yǔ)這兩種語(yǔ)言的語(yǔ)音。并且，雙語(yǔ)嬰兒的大腦對(duì)英語(yǔ)語(yǔ)音的反應(yīng)和單語(yǔ)嬰兒同樣強(qiáng)烈。這表明，雙語(yǔ)嬰兒處理英語(yǔ)語(yǔ)音的速度和單語(yǔ)嬰兒一樣快。與單語(yǔ)嬰兒相比，雙語(yǔ)嬰兒從聲學(xué)分析到語(yǔ)音分析的轉(zhuǎn)變更慢，這是語(yǔ)言輸入變異性增加所產(chǎn)生的適應(yīng)性大腦反應(yīng)延遲。MEG結(jié)果顯示，雙語(yǔ)神經(jīng)反應(yīng)延伸至前額葉和眶額皮層，這可能與雙語(yǔ)嬰兒在執(zhí)行功能技能方面的雙語(yǔ)優(yōu)勢(shì)有關(guān)。早期習(xí)得和經(jīng)常使用兩種語(yǔ)言已被證明可以提高兒童在各種任務(wù)中進(jìn)行認(rèn)知控制的能力，并且改變了大腦的結(jié)構(gòu)和功能[34]。粵語(yǔ)-英語(yǔ)雙語(yǔ)、法語(yǔ)-英語(yǔ)雙語(yǔ)和英語(yǔ)單語(yǔ)被試者，分別在MEG中完成了一項(xiàng)西蒙任務(wù)以研究沖突任務(wù)中雙語(yǔ)優(yōu)勢(shì)的神經(jīng)相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，粵語(yǔ)-英語(yǔ)雙語(yǔ)組的反應(yīng)速度明顯快于其他兩組。MEG激活區(qū)域與反應(yīng)時(shí)間之間的相關(guān)性顯示，兩雙語(yǔ)組在左側(cè)顳上回、顳中回、扣帶回、額上回以及額下回的活動(dòng)更活躍。單語(yǔ)組的激活則主要在額中回。對(duì)兩種語(yǔ)言系統(tǒng)控制和切換可能導(dǎo)致了雙語(yǔ)者額葉執(zhí)行功能的系統(tǒng)性變化。但是對(duì)于雙語(yǔ)優(yōu)勢(shì)假說(shuō)，Blanco-Elorrieta認(rèn)為語(yǔ)言控制在不同語(yǔ)言領(lǐng)域，語(yǔ)言的產(chǎn)生和語(yǔ)言的理解過(guò)程中是不一致的[35]。精通阿拉伯語(yǔ)-英語(yǔ)的雙語(yǔ)者參與語(yǔ)言的產(chǎn)生和理解并行的語(yǔ)言切換任務(wù)，在這些任務(wù)中，被理解/產(chǎn)生的單詞的語(yǔ)義類別發(fā)生變化。研究結(jié)果表明，語(yǔ)言控制機(jī)制在語(yǔ)言的產(chǎn)生和語(yǔ)義的理解之間存在著明顯的分離。語(yǔ)言生成過(guò)程中的語(yǔ)言轉(zhuǎn)換激活了雙側(cè)背外側(cè)前額葉區(qū)域，這些區(qū)域同樣被語(yǔ)義類別轉(zhuǎn)換激活。相反，語(yǔ)言轉(zhuǎn)換對(duì)語(yǔ)言理解的影響是在前扣帶皮層觀察到的，而在語(yǔ)義類別轉(zhuǎn)換中則沒(méi)有出現(xiàn)類似的激活。因此，研究者認(rèn)為雙語(yǔ)優(yōu)勢(shì)假說(shuō)的關(guān)鍵假設(shè)-語(yǔ)言控制與一般認(rèn)知控制之間存在密切關(guān)系似乎只適用于語(yǔ)言的產(chǎn)生過(guò)程。

3.2 雙語(yǔ)切換的腦機(jī)制研究

雙語(yǔ)者習(xí)得和運(yùn)用第二語(yǔ)言增加了對(duì)其語(yǔ)言控制的要求，包括將兩種語(yǔ)言分開(kāi)以避免干擾，以及在給定會(huì)話上下文中選擇一種或另一種語(yǔ)言的能力。這個(gè)復(fù)雜的語(yǔ)言控制系統(tǒng)的架構(gòu)包括大腦皮層和皮層下結(jié)構(gòu)的腦網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)腦皮層和皮層下結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)不同的認(rèn)知過(guò)程，如目標(biāo)維持、沖突監(jiān)控、干擾抑制和選擇性反應(yīng)抑制[36]。

雙語(yǔ)者在兩種語(yǔ)言的詞匯處理過(guò)程中存在重疊和交互，每種語(yǔ)言的熟練程度都會(huì)影響語(yǔ)言的文字存取和反應(yīng)速度。研究表明，雙語(yǔ)者掌握的語(yǔ)言一般都處于激活狀態(tài)，在執(zhí)行一種語(yǔ)言任務(wù)時(shí)會(huì)激活目標(biāo)語(yǔ)言，抑制非目標(biāo)語(yǔ)言。大腦需要去控制不同語(yǔ)言的激活水平，以防止語(yǔ)言處理過(guò)程中無(wú)關(guān)語(yǔ)言的干擾。利用MEG，Pellikka等[37]研究了語(yǔ)境對(duì)芬蘭-英語(yǔ)雙語(yǔ)者的語(yǔ)言激活水平的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在顳葉皮層的300～500 ms時(shí)間內(nèi)(N400反應(yīng))第一語(yǔ)言(language 1，L1)單詞(芬蘭語(yǔ))的識(shí)別速度比第二語(yǔ)言(language 2，L2)單詞(英語(yǔ))更快，并且出現(xiàn)了不對(duì)稱的語(yǔ)言轉(zhuǎn)換效應(yīng)，N400反應(yīng)在L2到L1的轉(zhuǎn)換比L1到L2的轉(zhuǎn)換過(guò)程中更強(qiáng)，這表明在L2環(huán)境中，更強(qiáng)的語(yǔ)言被抑制。在一項(xiàng)最新的雙語(yǔ)轉(zhuǎn)換的MEG研究中，普通話-英語(yǔ)雙語(yǔ)者進(jìn)行了語(yǔ)言轉(zhuǎn)換的數(shù)字命名測(cè)試[38]。研究發(fā)現(xiàn)，語(yǔ)言提示出現(xiàn)后，在左側(cè)額下回觀察到一種不對(duì)稱的開(kāi)關(guān)效應(yīng)，在切換到L2時(shí)，腦激活程度更強(qiáng)。在命名目標(biāo)呈現(xiàn)后，當(dāng)L2需要命名時(shí)，與L1相比，在右側(cè)額下回誘發(fā)的腦活動(dòng)更強(qiáng)。這表明在語(yǔ)言轉(zhuǎn)換過(guò)程中，控制過(guò)程發(fā)生在兩個(gè)階段，左邊額下回在提示后解決干擾，而右邊額下回在目標(biāo)提示后抑制競(jìng)爭(zhēng)。Blanco-Elorrietad等[39]進(jìn)行一項(xiàng)手語(yǔ)-英語(yǔ)雙語(yǔ)者語(yǔ)言切換機(jī)制的MEG研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，關(guān)閉一種語(yǔ)言(從同時(shí)產(chǎn)生語(yǔ)言切換到單一語(yǔ)言產(chǎn)生)會(huì)增加前扣帶皮層和背外側(cè)前額葉皮層的活動(dòng)強(qiáng)度，而打開(kāi)一種語(yǔ)言(同時(shí)從一種語(yǔ)言切換到兩種語(yǔ)言)則不會(huì)。格蘭杰因果關(guān)系分析顯示與開(kāi)啟語(yǔ)言相比，關(guān)閉語(yǔ)言需要左、右背外側(cè)前額葉皮層之間更強(qiáng)的連接。上述結(jié)果表明，語(yǔ)言轉(zhuǎn)換的負(fù)擔(dān)在于脫離之前的語(yǔ)言，而不是啟動(dòng)新的語(yǔ)言。

當(dāng)雙語(yǔ)者對(duì)所有語(yǔ)言的熟練程度都很高時(shí)，大腦對(duì)不同年齡學(xué)習(xí)的語(yǔ)言的處理和控制方式同樣具有較大差異。早期習(xí)得的強(qiáng)語(yǔ)言可能比后來(lái)習(xí)得的弱語(yǔ)言具有更高的基線激活水平。在一項(xiàng)基于MEG的聽(tīng)覺(jué)知覺(jué)過(guò)程中語(yǔ)言轉(zhuǎn)換的研究中，對(duì)童年后英語(yǔ)掌握程度較高的芬蘭-瑞典雙母語(yǔ)者進(jìn)行了一項(xiàng)基于這3種語(yǔ)言的的語(yǔ)義分類任務(wù)[40]。研究結(jié)果顯示，在英語(yǔ)切換到任何一種母語(yǔ)的400～600 ms(N400反應(yīng))，受試者顳上回的神經(jīng)激活增加，而從母語(yǔ)切換到英語(yǔ)或在兩種母語(yǔ)之間切換時(shí)，沒(méi)有檢測(cè)到這種現(xiàn)象。而在英語(yǔ)非轉(zhuǎn)換時(shí)間段內(nèi)，受試者額下回的激活水平更高，這表明在使用英語(yǔ)的過(guò)程中，母語(yǔ)受到了持續(xù)的抑制。這些不對(duì)稱的轉(zhuǎn)換方式表明，母語(yǔ)在使用非母語(yǔ)時(shí)受到抑制，并且這些影響主要是由語(yǔ)言習(xí)得的年齡或接觸語(yǔ)言的程度決定的，而不是熟練程度。兩種母語(yǔ)之間的控制機(jī)制也不同于后來(lái)學(xué)習(xí)的語(yǔ)言，因?yàn)樵谠缙陔p語(yǔ)環(huán)境中可能形成了專門針對(duì)母語(yǔ)的語(yǔ)言控制方式。

MEG的研究還發(fā)現(xiàn)，在完成不同語(yǔ)言任務(wù)時(shí)，雙語(yǔ)者在L1和L2狀態(tài)下激活的腦區(qū)是不同的。研究人員在西班牙-英語(yǔ)雙語(yǔ)者參與的文字處理任務(wù)研究中發(fā)現(xiàn)，從詞匯加工的早期階段開(kāi)始，L2詞匯在雙側(cè)后視區(qū)激活更強(qiáng)，而母語(yǔ)詞匯的活動(dòng)主要局限于經(jīng)典的左半球額顳區(qū)[41]。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，在母語(yǔ)占據(jù)主導(dǎo)地位時(shí)，L2的文字處理需要右半球和后視覺(jué)區(qū)域的激活來(lái)支持，而L2一旦達(dá)到一定的流暢性，則相應(yīng)的激活則會(huì)減少[42]。Wang等[43]發(fā)現(xiàn)，漢語(yǔ)-英語(yǔ)雙語(yǔ)者與英語(yǔ)單語(yǔ)者在處理母語(yǔ)(英語(yǔ))時(shí)的腦區(qū)激活沒(méi)有顯著性差異，但是雙語(yǔ)者在處理漢語(yǔ)時(shí)，右側(cè)緣上回和右側(cè)角回的激活程度存在顯著的差異。在一項(xiàng)雙語(yǔ)成年人在L1和L2中完成圖片動(dòng)詞生成任務(wù)的腦磁圖研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)，L1與L2在語(yǔ)言生成過(guò)程中的腦區(qū)動(dòng)態(tài)激活過(guò)程相似，但是L2的激活過(guò)程相對(duì)較慢，與L1處理主要激活左側(cè)腦半球相比，L2處理需要激活更多的雙側(cè)腦區(qū)來(lái)完成任務(wù)[44]。

Blanco-Elorrieta等[45]在多種語(yǔ)境下的語(yǔ)言切換研究中發(fā)現(xiàn)，雙語(yǔ)研究的實(shí)驗(yàn)范式同樣重要。在語(yǔ)言產(chǎn)生過(guò)程中，自發(fā)的語(yǔ)言切換并不會(huì)激活雙語(yǔ)者的前額葉皮層。在語(yǔ)言理解過(guò)程中，任務(wù)實(shí)驗(yàn)激活了大腦的執(zhí)行控制區(qū)域，而在雙語(yǔ)者的自然對(duì)話中則只激活了聽(tīng)覺(jué)皮質(zhì)。

3.3 雙語(yǔ)與數(shù)學(xué)計(jì)算

雙語(yǔ)體驗(yàn)改變了大腦的結(jié)構(gòu)和功能，也會(huì)影響數(shù)學(xué)處理的過(guò)程。Lin等[46]利用MEG技術(shù)研究了雙語(yǔ)成年人數(shù)學(xué)計(jì)算過(guò)程中的腦時(shí)空動(dòng)態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，雙語(yǔ)者使用不同語(yǔ)言計(jì)算數(shù)學(xué)問(wèn)題時(shí)， L2在兩位數(shù)加法的準(zhǔn)確率低于L1。MEG結(jié)果顯示，在計(jì)算前L2在雙側(cè)額下回和雙側(cè)頂葉區(qū)呈現(xiàn)出比L1更強(qiáng)烈的反應(yīng)，特別是當(dāng)涉及兩位數(shù)的數(shù)字計(jì)算時(shí)。此外，大腦活動(dòng)與計(jì)算準(zhǔn)確率具有顯著的相關(guān)性。這說(shuō)明在數(shù)學(xué)計(jì)算之前，語(yǔ)言之間的差異就已經(jīng)出現(xiàn)了，雙語(yǔ)者在L2中進(jìn)行計(jì)算時(shí)，較低的準(zhǔn)確率表現(xiàn)與計(jì)算發(fā)生之前的認(rèn)知過(guò)程有關(guān)。

3.4 可穿戴式腦磁圖儀及其應(yīng)用

MEG測(cè)量流經(jīng)神經(jīng)元群的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，需要高靈敏度的探測(cè)器。傳統(tǒng)腦磁圖儀的探測(cè)器是超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)。SQUID必須在超低溫(-269℃)下運(yùn)行，以大量液氦維持其超導(dǎo)狀態(tài)，需要將探測(cè)器固定地布置在巨大的液氦杜瓦中。因此，傳統(tǒng)腦磁圖儀的兩個(gè)難以解決的問(wèn)題：一是需要限制受試者頭部活動(dòng)即只能在靜止?fàn)顟B(tài)下工作，且無(wú)法有效適配不同大小的頭部，尤其是兒童和青少年的使用受到很大限制；二是SQUID腦磁圖低溫超導(dǎo)需要消耗大量的液氦，成本極高，而我國(guó)主要依賴進(jìn)口。

為了突破傳統(tǒng)腦磁圖的局限性，2018年，英國(guó)諾丁漢大學(xué)Boto等基于光泵磁力計(jì)(optically pumped magnetometer，OPM)研制出世界上第一臺(tái)可穿戴式腦磁圖儀(OPM-MEG)[14]。該系統(tǒng)不僅靈敏度高，而且不需要低溫，常溫下也可以保持良好的傳導(dǎo)性。通過(guò)解析和計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的方法對(duì)頭部傳感器進(jìn)行精確布置，使光泵磁力計(jì)陣列對(duì)大腦磁場(chǎng)進(jìn)行采樣；然后使用先進(jìn)的3D打印技術(shù)將光泵磁力計(jì)傳感器陣列固定在頭部，通過(guò)電子控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量；同時(shí)使用數(shù)學(xué)建模軟件包對(duì)大腦進(jìn)行成像。該可穿戴式腦磁圖儀的探測(cè)器接近室溫狀態(tài)工作，無(wú)需液氦等低溫超導(dǎo)耗材，相比傳統(tǒng)腦磁圖每年數(shù)百萬(wàn)元的成本，其消耗幾乎為零；更靠近頭皮表面，信噪比更高；柔性可穿戴適用于從嬰兒到成年人的全部人群，并在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下可進(jìn)行記錄；設(shè)備體積更小，生產(chǎn)成本更低，可在更小的磁屏蔽環(huán)境中使用，利于應(yīng)用普及。

目前在可穿戴式腦磁圖儀及其應(yīng)用研究方面文獻(xiàn)主要集中在OPM-MEG的研發(fā)者與其合作單位的共同研究。如OPM-MEG線圈陣列設(shè)計(jì)[47]、針對(duì)不同年齡人群的頭部大小尺寸不同和年輕受試者頭部運(yùn)動(dòng)要求的探測(cè)器制備[48]以及應(yīng)用OPM-MEG和275通道最先進(jìn)的低溫MEG設(shè)備，測(cè)量靜息狀態(tài)和視覺(jué)運(yùn)動(dòng)任務(wù)中的腦功能連接。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩者具有高度的相似性，提示未來(lái)OPM-MEG可以完全替代低溫MEG[49]。

關(guān)于OPM-MEG儀器的研制，我國(guó)近年來(lái)有相關(guān)研究工作陸續(xù)發(fā)表。如中國(guó)科學(xué)院蘇州生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究所應(yīng)用雙通道光磁探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)可穿戴的全皮層3D 打印頭盔，在磁屏蔽環(huán)境下可以檢測(cè)到阿爾法節(jié)律[50]。北京大學(xué)建立了基于光泵原子磁力計(jì)非屏蔽磁場(chǎng)系統(tǒng)，在非屏蔽地球磁場(chǎng)中成功地觀測(cè)到了與閉眼有關(guān)的阿爾法節(jié)律信號(hào)和清晰的聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)場(chǎng)信號(hào)[51]。

在語(yǔ)言研究領(lǐng)域，可穿戴式OPM-MEG應(yīng)用研究?jī)H有幾篇文獻(xiàn)初步涉及。Tierney等[52]應(yīng)用可穿戴式腦磁圖系統(tǒng)，通過(guò)臨床驗(yàn)證的語(yǔ)言側(cè)化范式(隱性動(dòng)詞產(chǎn)生: 120個(gè)測(cè)試，～10 min總持續(xù)時(shí)間)對(duì)健康成年受試者功能皮層進(jìn)行功能成像，研究發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)可以檢測(cè)腦語(yǔ)言功能的單側(cè)化和區(qū)域定位。該研究是第一次應(yīng)用OPM-MEG對(duì)人類認(rèn)知進(jìn)行研究。de Lange等[53]評(píng)估了可穿戴式腦磁圖系統(tǒng)測(cè)量語(yǔ)音皮質(zhì)跟蹤(cortical tracking of speech，CTS)的適用性。研究結(jié)果顯示，CTS的主要來(lái)源定位于雙側(cè)聽(tīng)皮層。Dash等[54]應(yīng)用OPM-MEG，通過(guò)想象和說(shuō)出短語(yǔ)的范式來(lái)確定一組最佳的MEG通道來(lái)解碼。研究表明，9個(gè)最佳位置的MEG通道的解碼精度最高，左右半球的傳感器都參與了語(yǔ)音解碼，位于Broca區(qū)附近的傳感器被發(fā)現(xiàn)在所有受試者的高級(jí)傳感器中通常起作用。

4 結(jié)論與展望

目前常用腦功能成像技術(shù)包括EEG、MEG以及血氧合水平依賴功能性磁共振成像(blood oxygen level dependent, BOLD-fMRI)等，不同技術(shù)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。明確不同技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與缺陷可以更好地用于語(yǔ)言學(xué)領(lǐng)域研究。EEG的突出優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間分辨率很高，可記錄毫秒級(jí)水平的信號(hào)(時(shí)間分辨率≤1 ms)；但是缺點(diǎn)也突出，空間分辨率很低，基本上為數(shù)厘米至數(shù)十厘米，究其原因主要是由于頭皮、顱骨、腦脊液等的影響致導(dǎo)電性能較差，頭皮電位強(qiáng)度減弱并使其分布模糊，而這種空間模糊效應(yīng)不能通過(guò)增加電極來(lái)改善。

BOLD-fMRI分辨率是由于受到延遲的血液響應(yīng)函數(shù)限制，一般在反應(yīng)開(kāi)始2～3 s內(nèi)才能檢測(cè)到信號(hào)，5～6 s出現(xiàn)高峰，因此BOLD-fMRI時(shí)間分辨率較差。但其空間分辨率明顯高于EEG，一般在1 mm至數(shù)十厘米。隨著高磁場(chǎng)強(qiáng)度的MRI設(shè)備的研制和快速采樣及信息解碼方法的進(jìn)步，相信BOLD-fMRI時(shí)間和空間分辨率將會(huì)有進(jìn)一步的提高[55]。

MEG同EEG一樣，具有較高的時(shí)間分辨率(≤1 ms)，但同時(shí)具有較高的空間分辨率(2～5 mm)。這是由于腦磁信號(hào)在傳導(dǎo)過(guò)程中受到頭皮、顱骨、腦脊液等介質(zhì)的影響較小，信號(hào)沒(méi)有模糊扭曲，所以空間分辨率高。因此，MEG可以在全腦范圍內(nèi)無(wú)創(chuàng)、高準(zhǔn)確率記錄到通常只有有創(chuàng)方法(如皮層腦電等)才能記錄到的腦內(nèi)神經(jīng)電活動(dòng)信息，可提供無(wú)創(chuàng)腦成像技術(shù)中最大的理論傳輸帶寬，成為腦機(jī)接口和人工智能研究領(lǐng)域最有潛力的技術(shù)手段。但如前所述常規(guī)MEG的缺陷，包括超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)消耗大量的液氦使其運(yùn)行成本居高不下，且其靈敏度受制于微加工工藝水平、杜瓦瓶本底噪聲以及液氦沸騰導(dǎo)致的熱噪音等物理因素影響，難以提升；固定式的SQUID-MEG僅僅可以適配于某一特定大小和形狀的頭部外形如成年人頭形，而嬰兒、兒童和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的腦磁圖則需要購(gòu)置不同直徑的探測(cè)器陣列腦磁圖設(shè)備，導(dǎo)致成本高和使用效率低下。近年來(lái)出現(xiàn)的可穿戴式OPM-MEG可以很好地解決上述問(wèn)題，該儀器既不需要低溫超導(dǎo)，常溫下即可正常工作；也不會(huì)受到頭形尺寸大小的影響，而且不限制受試者的活動(dòng)，可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)的實(shí)驗(yàn)刺激，如不再限于詞匯和短語(yǔ)刺激，亦可進(jìn)行整句或段落實(shí)驗(yàn)，特別適合于語(yǔ)言學(xué)研究。

在雙語(yǔ)研究領(lǐng)域，目前的研究并不能認(rèn)為雙語(yǔ)者比單語(yǔ)者有更好的認(rèn)知控制能力，也不能確認(rèn)學(xué)習(xí)第二語(yǔ)言可以提高認(rèn)知控制能力。但是，對(duì)雙語(yǔ)者語(yǔ)言功能的研究可以讓我們深入了解語(yǔ)言習(xí)得的年齡以及語(yǔ)言使用或能力與認(rèn)知功能的關(guān)系。與應(yīng)用EEG進(jìn)行的雙語(yǔ)研究相比，MEG的空間分辨率更高，精細(xì)功能腦區(qū)定位優(yōu)勢(shì)更加明顯。由于MEG具有獨(dú)特的檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，尤其是隨著高靈敏度和高適應(yīng)性可穿戴式MEG系統(tǒng)研制的不斷進(jìn)展，有望提高M(jìn)EG設(shè)備的普及率并在雙語(yǔ)腦功能的機(jī)制研究中發(fā)揮更大作用。