Processing demands modulate the activities and functional connectivity patterns of the posterior (VWFA-1) and anterior (VWFA-2) VWFA
作者：Aqian Li, Chuangsheng Chen, Xiaoyan Wu, Yuan Feng, Jingyu Yang, Xiaoxue Feng, Rui Hu, Leilei Mei
期刊：NeuroImage（2024）
视觉词形区（Visual Word Form Area, VWFA）位于大脑左半球腹侧枕颞皮层的中部，是加工书面文字的核心区域。视觉词形区的后部（VWFA-1）主要负责感知文字的视觉特征，比如笔画、形状，前部（VWFA-2）则负责处理文字的语言属性，比如读音、含义。以往研究发现，VWFA是一个重要的信息沟通中心，同时连接着语言和注意网络。研究者对这三者的活动同步性和信息传递方向十分好奇，尤其是信息传递方向，因为它反映了VWFA在认知加工过程中的作用。它究竟是一个向更高级认知区传达信息的输入者，还是一个受高级认知调节的接收者？又或者兼而有之？在整体VWFA之下，研究者还进一步探究了VWFA子区域与其他脑区的活动联系。因为这两个子区域本身存在功能特异性，所以我们不由得好奇它们与其他脑区的连接模式与交流方向是否也存在特异性？
为了探究上述问题，本研究使用fMRI，采用组块设计记录被试在执行非语言和语言任务时的神经活动。然后使用激活分析、广义生理与心理交互法（generalized Psychophysiological Interaction, gPPI）和动态因果模型（Dynamic Causal Modeling, DCM），逐步探究了认知加工需求对VWFA活动强度、和其他脑区间的功能连接模式以及信息交流方向的影响。
为在个体水平上定义VWFA-1和VWFA-2的位置，本研究包含一项定位任务。在定位任务中，被试将看到汉字、面孔、假字和乱码图像4种刺激。每个刺激每次只呈现0.8s，随后跟随一个0.2s的空屏，再呈现下一个刺激。当刺激出现时，被试需认真观看，如果刺激被黑色边框包围，则立刻按键反应（图1A）。
图 1 fMRI实验任务流程图。A.定位任务流程图，真字为笔画在5-13笔之间，平均8.33±0.31笔的高频汉字，乱码图像由同一批真字经过分割、排列后形成，不存在任何语言信息；B.语言任务流程图，知觉判断任务中的假字由语义、语义判断任务中的真字打乱笔画后构成，两者具有相似的视觉特征，但假字并不存在任何语言信息；C.非语言任务流程图。
本研究的核心任务为一项语言任务和非语言任务。
语言任务包含3种判断条件：知觉、语音和语义判断。在知觉判断中，被试需判断同一试次中，前后出现的两个假字是否一致；在语音条件下，判断前后两个字是否具有相同的韵母，比如“谷”和“库”是同韵母字；在语义条件下，判断前后两个字的含义是否相关，比如“花”和“叶”存在语义联系，而“沙”和“肚”则无关（图1B）。
非语言任务为一项空间记忆任务，任务包含低、高两种认知负荷条件。在低负荷条件下，记忆空间位置的4秒内，每秒点亮1个空间位置，被试共需记忆4个空间位置；在高负荷条件下，每秒点亮2个空间位置，被试共需记忆8个空间位置。最后，同时在屏幕左右两侧分别呈现一个4×3的网格矩阵，请被试判断哪一个网格矩阵中包含了前4s被点亮的所有单元格位置（图1C）。
图 2 对非语言和语言任务的激活分析。A. 不同条件对比下的脑区激活图，颜色越浅，代表激活程度越高；B. 条形图展示了不同基线下，VWFA子区域在不同任务间的神经强度信号变化百分比，信号变化百分比=（任务时的信号强度-基线信号强度）/基线信号强度×100%；右侧脑图为VWFA-1和VWFA-2某个代表性被试左脑的位置。
首先，研究者分析了两种任务对比条件下的全脑激活程度。结果发现，空间记忆任务中，激活脑区主要分布在背侧注意和视觉空间加工网络，其中顶内沟（IPS）的激活强度最高；语言任务中，激活脑区集中分布于腹侧通路的语言网络，其中眶额皮层（OFC）的激活强度最高（图2A）。
接着，研究者发现在不同任务中，VWFA子区域的激活程度存在差异。当以注视休息时的神经信号强度作为基线时，VWFA子区域的神经活动程度与任务类型存在交互作用。然而，当假字条件被作为基线，即排除低水平视觉刺激的差异后，VWFA-1在语言任务和空间记忆任务上的信号强度差异消失，只有VWFA-2依然在语言任务上表现出更高的活动程度（图2B）。这验证了VWFA子区域的功能特异性，VWFA-2侧重于高级语言加工，VWFA-1侧重于低水平视觉特征处理。
图 3 对非语言和语言任务的gPPI分析结果。A.以VWFA-1和VWFA-2作为种子点的PPI全脑分析图；B.任务对比条件下，以VWFA-1和VWFA-2作为种子点的gPPI全脑分析图，蓝色区域代表非语言任务中连接更强的脑区，红色代表语言任务中连接更强的脑区；C.VWFA子区域分别IPS和OFC的功能连接强度值。***p < 0.001。
接着，研究者分别以VWFA-1和VWFA-2作为种子点，在全脑范围内进行gPPI分析。结果发现，在全脑范围内，VWFA-1与VWFA-2表现出相似的功能连接模式，但其连接的空间范围存在差异（图3A）。进一步对比任务条件，结果显示，在空间记忆任务中，VWFA子区域和背侧通路中负责空间定位与注意的脑区连接更强；在语言任务中，VWFA和腹侧通路负责语音与语义的区域连接更强（图3B）。
而后，研究者聚焦于VWFA与注意、语言网络中的两个关键脑区，IPS与OFC，之间的功能连接强度。结果发现，VWFA子区域和IPS与OFC的功能连接强度会受到任务需求的调节。在空间记忆任务中，子区域与IPS间的功能连接更强；而在语言任务中，子区域和OFC之间的功能连接更强。
图 4 在非语言和语言任务中，VWFA子区域分别与IPS和OFC的有效连接。箭头代表信息传递方向，实线代表连接强度增强，虚线代表连接强度下降。***p < 0.001。
最后，研究者进行了动态因果模型分析，发现VWFA子区域表现出相似的有效连接模式，即大脑会增强与任务相关脑区的连接，同时抑制与任务无关脑区的连接。在空间记忆任务中，大脑优先将视觉信息从VWFA传递至负责空间注意和记忆的IPS，同时抑制VWFA与语言中枢OFC的交流；在语言任务中，大脑则先将视觉词形信息则从VWFA传递至OFC，同时抑制VWFA与IPS的交流。
综上，本研究发现VWFA能根据任务需求切换合作网络，是一个角色灵活的信息枢纽。当执行语言任务时，VWFA会选择性增强与语言网络的连接；当执行非语言的视觉空间任务时，它则加强与背侧注意网络的沟通。VWFA-1和VWFA-2虽然各有分工，激活强度因任务而异，但两者分工不分家，根据任务需求协同合作，同步调整与高级脑区的功能连接及信息流向。这说明VWFA是一个多功能的集成平台，功能高度依赖于即时的认知需求，展现了人脑在处理信息的高度灵活性。
本文介绍的研究
Li, A., Chen, C., Wu, X., Feng, Y., Yang, J., Feng, X., Hu, R., & Mei, L. (2024). Processing demands modulate the activities and functional connectivity patterns of the posterior (VWFA-1) and anterior (VWFA-2) VWFA. NeuroImage, 303, 120923. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2024.120923
作者介绍
李阿倩（第一作者）
2021-2025年在华南师范大学心理学院获得博士学位
研究领域：Cognitive Neuroscience, Neuroimaging, Brain Imaging
梅磊磊（通讯作者）
华南师范大学心理学院教授
研究领域：Language Learning, Recognition Memory, Cognitive Neuroscience
文章来源：https://url.scnu.edu.cn/record/view/index.html?key=6ee9910b9a49371d7eb3b39895b150e8