0 引言

       韵律在言语识别和理解上发挥重要作用。在言语康复治疗和外语教学研究中证实了韵律在语言处理中不可或缺，能够使口语表达更加自然流畅，准确传达语音信息，以便听者处理口语信息^[1]。然而，对汉语韵律和语言信号处理的神经影像学研究还不够深入。GUBERINA等^{[2, 3]}利用低通过滤的方法剔除掉听觉语言信号中用于辨识字词的高频语音信号，最终获得听觉语言韵律信号，涵盖重音、节奏、语调等超音段信息。学者将其应用到了听障患者言语康复和二语学习中，取得了积极的康复和学习效果。随后的一段时间里，越来越多的研究者证实语调听觉法可以为语言的感知和产生提供最佳语音输入模型，并重新构建语言学习者的语音感知模式^{[4, 5, 6]}。因此，韵律信号被认为能够帮助语言学习者更好地理解语言信号，并促进语言学习。笔者的前期研究采用了双耳320 Hz低通过滤的汉语韵律信号和双耳未低通过滤的语言信号，结果显示两组信号所激活的脑区虽部分存在重叠，但仍具有差异性脑区；偏侧化结果发现，额中回和额下回表现出了明显的右侧化趋势^[7]。这一结果与传统的语言加工脑模型Wernicke-Lichtheim-Geschwind存在差异。但是，汉语韵律信号处理背后的神经机制还不明确，尤其是韵律和语言处理与大脑双侧半球优势之间的关系还有待进一步研究。

       双耳分听实验是一种常用于大脑半球偏侧化研究的非侵入式行为测试方法，两种不同的听觉刺激信号，通过耳机被同时呈现给被试的双侧耳朵^[8]。目前多数研究认为^[9]，语言韵律信号的感知和处理在大脑右半球进行。然而，前期对于低通过滤的韵律信号研究多以实证研究为主，缺乏相关的神经影像学证据。值得注意的是，2020年LIAN等^[10]结合了低通过滤和双耳分听实验，利用事件相关电位技术检测了一位汉语为母语的受试者在处理英语听觉语言信号和低通过滤后的英语韵律信号时脑电的变化，结果显示在左耳低通过滤右耳不过滤的情况下，大脑处理负荷相对减小。目前，国内外对于双耳分听下的汉语低通过滤的语言韵律信号研究尚少，且LIAN等的研究中被试量较少，存在抽样误差，且事件相关电位技术有空间分辨率低的缺点，因此很难对特定脑区的偏侧化特征进行比较分析。研究显示，基于血氧饱和水平依赖效应的脑功能磁共振成像（blood oxygen level dependent functional magnetic resonance imaging, BOLD-fMRI）技术可以直观地观察到大脑在进行韵律和语言信号处理时特定功能区的激活和偏侧化情况^{[11, 12]}。

       为了探讨双耳分听模式下汉语韵律和语言信号的脑区分布特征及偏侧化特点，探索韵律和语言处理与大脑双侧半球间的关系，本研究以汉语为母语的受试者作为研究对象，以听觉语言信号加工过程为主线，结合双耳分听实验方法，运用BOLD-fMRI技术，研究受试者在处理双耳分听条件下的汉语韵律和语言信号时的大脑激活特点。研究结果将为是否存在最佳听觉输入模型提供影像学依据；以此促进汉语语言和韵律加工脑模型的完善；并为言语康复治疗、语言学习者神经加工机制提供影像学资料作为参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象、仪器和方法

       本研究从2022年1月至5月在昆明医科大学第一附属医院前瞻性收集了30位志愿者的相关脑功能磁共振数据。参与的30位志愿者与前期研究^[7]相同，其中男14例，女16例，年龄24~26（25.36±0.88）岁，均为硕士研究生。纳入标准：（1）母语为汉语，并根据Oldfield利手评估标准评估为强右利手者；（2）听力正常；（3）通过全国普通话等级考试。排除标准：（1）具有磁共振扫描相关禁忌证者；（2）刺激任务未完成者。图像的采集使用了美国GE Discovery 750W 3.0 T超导型磁共振扫描仪和原装32通道头颈正交线圈。脑结构图像采集参数：采用脑容积磁共振成像序列，横断面采集，矩阵为256×256，FOV 256 mm×256 mm，TR 8.5 ms，TE 3.2 ms，层厚1 mm，层间距0 mm，共148层。BOLD-fMRI图像采集参数：采用平面回波成像（echo planar imaging, EPI）序列，横断面采集，矩阵为64×64，FOV 224 mm×224 mm，TR 2 000 ms，TE 30 ms，层厚3 mm，层间距1 mm，共36层。每组fMRI扫描共288 s，一次刺激时间2 s，共144次，最后得到144组全脑图像。

       本研究语音材料的短句包括了8种句子类型（表1）。这些短句均选自汉语水平考试四级听力材料，难度适中；两组语音材料中短句内容不一，但语调起伏变化基本一致。每个组块中的短句播放顺序进行了随机打乱，这样可以避免受试者对后续短句进行预测的可能性。所有的短句音频通过Adobe Audition软件（https://www.adobe.com/products/audition.html）进行处理，声道为立体声，从语音信号中过滤掉320 Hz以上的频率，同时保留低于320 Hz的低频信号，以此保留句子中的韵律信号。随后结合双耳分听条件得到两组音频信号：左耳低通过滤右耳不过滤（filtered in the left ear and unfiltered in the right ear, FL）（图1）；右耳低通过滤左耳不过滤（filtered in the right ear and unfiltered in the left ear, FR）（图2）。所有的听觉刺激由磁共振环境下专用的耳机呈现。本研究遵守《赫尔辛基宣言》，经昆明医科大学医学伦理委员会批准（批件号：KMMU2022MEC176），30位志愿者在试验前被告知实验情况，同意参与试验，并签署了知情同意书。

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图1  “爸爸每天开车上下班。”左耳低通过滤右耳不过滤语言刺激语谱图。
Fig. 1  Spectrogram of the filtered in the left ear and unfiltered in the right ear stimulus "Dad drives to work every day."

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图2  “他要给爷爷买一个蛋糕。”右耳低通过滤左耳不过滤语言刺激语谱图。
Fig. 2  Spectrogram of the filtered in the right ear and unfiltered in the left ear stimulus "He is going to buy a cake for grandpa."

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表1  句子语音刺激
Tab. 1  Sentences used as auditory stimuli

1.2 范式设计

       本研究数据采集采用单次激励梯度回波EPI（gradient recalled echo EPI, GRE-EPI）序列，并利用组块设计的BOLD-fMRI。整个实验过程共扫描两组EPI序列，分别按照FL、FR音频信号的播放顺序进行数据采集。实验中，两组扫描之间间隔30 s。每组fMRI扫描288 s，其中包含6个静息块和6个刺激块，每个组块持续24 s。（如图3）。

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图3  组块实验设计。
Fig. 3  Block design.

1.3 图像分析、统计学分析和偏侧化分析

       使用基于Matlab R2019a平台的SPM 12软件（www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）进行图像的预处理和统计学分析。首先使用SPM 12软件将原始数据DICOM格式转化成NIFTI格式；并使用MRIcron软件（www.nitrc.org/projects/mricron）观察图像的分辨率和体素大小等信息。随后进入6个后处理环节：（1）时间层校正；（2）空间校正，标准范围为头颅水平头动不能大于3 mm，旋转头动不能大于3°；（3）配准；（4）分割；（5）空间标准化，其中体素为3.5 mm×3.5 mm×4.0 mm；（6）高斯平滑，高斯核的半高宽设置为7 mm×7 mm×8 mm。

       预处理完成后，以经血流动力函数卷积后的刺激模型函数作为设计矩阵，采用一般线性模型对功能图像的时间序列进行参数估计。包括基于一阶分析的个体分析（P<0.05，体素团>10），基于二阶分析的组内单样本t检验（P<0.05，FDR校正，体素团>10）和组间双样本t检验（P<0.05，FDR校正，体素团>10）。

       根据组内单样本t检验的结果，使用Xjview软件（www.alivelearn.net/xjview）对数据进行可视化，以此确定两组任务下所激活的语言相关脑区位置，并定量提取激活区体素。根据本研究的组内单样本t检验的结果，使用基于脑模板制作的WFU pickatlas工具包共提取了10个感兴趣区（region of interest, ROI）；分别为左/右侧颞上回、颞中回、额下回、额中回、中央前回。左右半球相应脑区左右分别累加，以此表示左右半球激活体素数。根据2010年LEE等^[13]偏侧化指数（laterality index, LI）的计算方法，LI＝（左半球ROI体素数－右半球ROI体素数）/（左半球ROI体素数＋右半球ROI体素数）。一般认为LI>0.20为左侧偏侧化，LI<-0.20判定为右侧偏侧化；若在-0.20~0.20之间，则表示没有明显的偏侧化。

2 结果

       实验过程中30位志愿者配合良好，最终获得了30组功能图像。FL和FR两组信号激活的脑区分布具有明显共性和差异。FL和FR共同激活了双侧颞中回、颞上回、额下回，左侧中央前回和右侧额中回；FL还激活了左侧额中回（P<0.05，FDR校正）（表2，图4, 5）。双样本t检验发现，FL相较于FR未发现明显差异性脑区；FR与FL相比，右侧颞中回、颞上回具有明显差异（P<0.05，FDR校正）（表3，图6）。受试者在聆听FL和FR语音信号时，在大脑半球水平上无明显的偏侧化表现。ROI偏侧化结果显示，两组语音信号的额中回LI<-0.20，表现出明显的右侧化趋势；中央前回的LI>0.20，表现出明显的左侧化趋势。FR组顶下小叶具有左侧化趋势。其余脑区未见明显偏侧化（表4）。

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图4  左耳低通过滤右耳不过滤组单样本t检验。图标尺由红到黄代表差异性由弱到强。LH：左侧大脑半球；RH：右侧大脑半球。
Fig. 4  One-sample t-tests for the filtered in the left ear and unfiltered in the right ear. The chart scale from red to yellow represents the difference from weak to strong. LH: left hemisphere; RH: right hemisphere.

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图5  右耳低通过滤左耳不过滤组单样本t检验。图标尺由红到黄代表差异性由弱到强。LH：左侧大脑半球；RH：右侧大脑半球。
Fig. 5  One-sample t-tests for the filtered in the right ear and unfiltered in the left ear. The chart scale from red to yellow represents the difference from weak to strong. LH: left hemisphere; RH: right hemisphere.

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图6  右耳低通过滤左耳不过滤vs.左耳低通过滤右耳不过滤双样本t检验。图标尺由红到黄代表差异性由弱到强。LH：左侧大脑半球；RH：右侧大脑半球。
Fig. 6  Two-sample t-tests for the filtered in the right ear and unfiltered in the left ear vs. filtered in the left ear and unfiltered in the right ear. The chart scale from red to yellow represents the difference from weak to strong. LH: left hemisphere; RH: right hemisphere.

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表2  单样本t检验大脑激活区分布情况及强度
Tab. 2  Distribution and intensity of brain activation areas in one-sample t-tests

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表3  双样本t检验大脑激活区分布情况及强度
Tab. 3  Distribution and intensity of brain activation areas in two-sample t-tests

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表4  大脑左右半球感兴趣区的激活体素及偏侧化
Tab. 4  Activation voxels and lateralization of the ROIs in the left and right hemispheres

3 讨论

       本研究采用双耳分听条件下的汉语语言和韵律信号进一步探讨大脑语言加工的模型。结果显示，受试者在处理FL和FR信号时激活脑区彼此重叠又具有差异性。FR与FL相比激活了更多的听觉相关脑区，表现出明显的差异性。通过LI指数发现，额中回、中央前回和顶下小叶在处理两组语音信号时具有特殊的偏侧化表现。本研究发现了FL信号相较于FR信号更符合左、右两侧半球处理语言、韵律的优势，这为进一步探索韵律在言语康复和外语学习中的重要作用提供了影像学依据。

3.1 FL和FR语言信号激活脑区的共性

       如前所述，前人研究^[14]和笔者前期研究^[7]认为双侧颞上回、颞中回是听觉信号的基础加工脑区。本研究结果显示，FL和FR都明显激活了双侧的颞上回和颞中回。这一结果再次证实了双侧颞上回和颞中回是基础听觉信号的加工区域。主要的激活脑区除了颞叶相关脑区外，额叶部分脑区同样呈现不同程度的激活。左侧额下回的Broca44区（BA44）被认为是语义处理的重要脑区^[15]。本研究结果显示，左侧额下回在两组语言信号刺激下有显著的激活。笔者认为，FL、FR本身由于双耳分听设计，左耳或右耳带有高频的可以辨认词语的语音信号，因此诱发左侧额下回参与了语义加工。FL、FR组都明显激活了右侧额叶的部分脑区，主要集中于右侧额中回、额下回。前人研究^[16]发现，右侧额下回、右侧颞中回与语言运用能力有关；GANDOUR等^[9]研究发现汉语声调加工时右侧额中回激活明显，随后GANDOUR等^[17]进一步得出汉语语调加工比声调加工表现出更多的右脑区域的激活。FL、FR由于既包含了未低通过滤的汉语语言信号，也包含了低通过滤后的韵律信号（类似哼鸣的声音），分别从左耳或右耳将语言信号和韵律信号传输到了左右两侧大脑，可能对被试而言在听感上是陌生的语言信号，但是低通过滤的信号将语言的韵律特征凸显出来，因此，诱导右侧额叶参与了这一复杂语音的加工。双耳分听信号FL和FR都诱发了右侧额下回和额中回的激活，结果验证了前人对于右侧额下回和额中回在声调语言中的语言处理作用，并且表明神经网络是一个整体^{[18, 19]}，不管语音信号以怎样的双耳分听模式呈现，右侧额叶都参与处理了汉语的语言和韵律信号。中央前回属于前运动皮层和辅助运动区，具有指导感官运动和辅助肢体近端运动的功能。LIANG等^[20]的研究探讨了句子水平上的韵律信号脑处理机制，发现中央前回对于句子水平上的韵律信号整合处理具有重要地位，本研究结果显示两组语言信号都明显激活了左侧中央前回。因此，我们认为左侧中央前回参与到了句子水平上韵律信号的整合处理。

3.2 FL和FR语言信号激活脑区的差异

       值得关注的是，在本研究中，FL组出现了左侧额中回的激活，而FR组未观察到明显激活。前期研究^[7]发现,左侧额中回对于汉语的语音和语义具有协调和整合作用。结合目前听觉传导通路的研究，耳蜗神经核发出纤维大部分在脑桥内经过斜方体交叉至对侧^[21]。因此，笔者认为FR组中左侧额叶未激活可能与FR通过右耳将低通过滤信号传输到左脑，而低通过滤信号不包含可以辨认字词的高频信号，因此涉及更高级别语音加工的左侧额中回未能显著激活。这也再次证实了左侧额中回对包含高频信号的语音和语义处理的作用。

       顶下小叶由角回和缘上回构成，并与感觉运动皮层中央后回相邻。前人研究^{[22, 23]}发现，感觉运动相关皮层可以补偿受试者的言语感知，并认为感觉运动皮层在言语感知中的整合有助于听力障碍患者和老年人对语音信号的感知。本研究结果显示，双侧顶下小叶在FR组中被激活。FR将韵律信号和语言信号经右耳和左耳分别传送到左侧和右侧半球，受试者更多地招募了双侧顶下小叶参与语音信号的感知。这可能是因为FR不符合大脑左、右两侧对语言和韵律处理的半球优势，因此招募了两侧更多的感觉运动皮层来补偿言语感知。

       前人研究^{[24, 25]}发现右侧颞上回涉及到了汉语声调的加工。颞中回接受来自颞上回传递的神经信号，其主要作用是将语言中的最小的单位音素转换为语义^[26]。将FR组与FL组进行对比后，我们发现右侧颞中回、颞上回表现出了明显的差异性。和FL相比，FR组通过左耳向右半球传送了汉语听觉语言信号，而右半球并不是语言处理的优势半球，从而提高了右侧颞上回和颞中回在语音感知和语言处理时的激活范围和程度。

3.3 FL和FR语言信号激活脑区的偏侧化

       目前，多数研究者普遍认为右利手人群在进行语言处理时左侧大脑半球占主导地位，但是随着语言神经功能研究的逐步深入，越来越多的研究者发现右侧大脑半球在语言功能中同样具有重要地位^[27]。LIDZBA等^[28]对6~24岁健康受试者的言语感知与言语产生的偏侧化进行了观察，结果显示，与言语产生的左脑优势相比，言语感知呈现双侧化，且与年龄无关。这一研究说明言语感知可能没有明显的偏侧化表现，且与言语产生的偏侧化关联不强。大部分的左半球优势模型都是基于非声调语言母语者所提出的，如前所述，声调语言母语者和非声调语言母语者无论在脑区激活特点和脑区体积上都具有明显差异。因此，研究汉语语言听觉韵律信号的神经机制是十分必要的。本研究两组语言信号的大脑半球偏侧化结果显示，两组语言信号在大脑半球水平上双侧大脑半球无明显的偏侧化表现，这一结果与上述LIDZBA等的研究具有一致性，说明汉语听觉语言信号和韵律信号在大脑半球水平上同样可能没有明显的偏侧化。

       前人研究^{[17, 29, 30]}发现中国被试者在进行语调辨识任务时会出现额叶的右脑偏侧化表现。本研究通过观察五组ROI的LI发现，双侧颞上回、颞中回在两组语音信号中未出现明显的偏侧化表现，但是额中回表现出了明显的右侧化趋势。两组语音材料中额中回都表现出了右侧偏侧化，无论低通过滤信号出现在左耳或右耳，其右侧化趋势没有改变，这说明汉语使用者的右侧额中回参与了句子层面的语言韵律处理，这与GANDOUR的^[17]的研究结果一致。FR组中的顶下小叶表现出左侧化趋势，我们认为这一表现与FR的低通过滤语音信号从右耳传到左脑有关，陌生的低频韵律信号传送到左侧语言优势半球，受试者可能需要动用更多左侧更高级别语言处理脑区来处理这一韵律信号。

3.4 本研究的局限性

       本研究还存在一些局限性：（1）由于纳入的样本量较小，因此本研究仍不能反映确切的激活脑区及相应脑区偏侧化表现；（2）由于语言的脑处理机制受到多种因素的影响，因此本研究严格控制了年龄、利手和受教育程度的影响因素，导致了本研究未对这些影响因素进行回归分析。后续研究方向应该纳入更多的受试者，考虑其他因素，比如不同年龄之间、不同性别之间、不同受教育程度之间的比较等。

4 结论

       本研究通过观察双耳分听模式下低通过滤和未过滤的汉语韵律和语言信号处理的脑区分布，将韵律和语言信号的传输和大脑左右半球信号处理的优势作为研究重点，丰富了汉语听觉语言、韵律信号处理的神经机制研究。本研究结果证实了左侧额中回对包含高频信号的语音和语义处理的作用；汉语为母语者在处理FR时，除基础语音加工脑区外，相较于FL需招募更多的听觉相关脑区参与言语感知和认知控制。此外，处理汉语听觉语言和韵律信号时，在大脑半球水平上无明显偏侧化表现，但在额中回和中央前回具有右侧化趋势，这也提示大脑偏侧化的研究应建立于大脑半球和局部脑区水平上综合分析。综上所述，两组双耳分听条件下的汉语语言信号和韵律信号的神经处理机制具有一致性也具有明显的差异性；更重要的是，本研究发现FL信号符合左、右两侧半球处理语言、韵律的优势，可以降低右侧颞中回、颞上回的音韵处理负荷，并且没有诱发更高级别言语感知和认知控制的感觉运动脑区激活，相较于FR可能是一种更利于汉语母语者大脑汉语语言处理的听觉信号。