一般流体智力的脑成像研究述评-]

心理科学进展2009,Vol.17,No.2,349–355AdvancesinPsychologicalScience349一般流体智力的脑成像研究述评张小将1刘昌1刘迎杰2（1南京师范大学教育科学学院暨认知神经科学实验室，南京210097）（2江西师范大学教育学院，南昌，330022）摘要对一般流体智力的脑成像研究有助于探明智力的脑机制。从结构成像与功能成像两个方面阐述了相关的研究。已有研究表明，一般流体智力与总的脑体积、额叶或其他多个脑区的灰质体积中等正相关。一般智力（g）因素负荷高的任务比负荷低的任务引发特定脑区更大的激活。较早的研究发现一般智力水平个体差异与脑区的激活呈负相关，但此后的一些研究却得到相反的结论。未来的研究应加强对个体差异的研究，将脑成像技术与EEG或ERP技术结合起来，整合多水平（心理测量、遗传学等）的研究结果，进一步阐明一般流体智力的脑机制。关键词一般流体智力；脑成像；磁共振成像；功能磁共振成像；正电子发射断层扫描分类号B845一般智力（或者g）的概念是Spearman于1904年首次提出的，通常是指对一组智力测验进行因素分析时第一个未旋转的主成分。不同的智力测验可以根据其对一般智力的预测能力而区分为不同的g因素负荷。Spearman的一般智力与Cattell的流体智力（fluidintelligence）在心理测量的内容上较为相似。因素分析的研究表明，流体智力的g因素负荷甚至高达1.0（Keith&Wolfle,1995）。由于二者之间的相似程度较高，研究者通常将二者统合起来，称之为一般流体智力（generalfluidintelligencegF）。虽然一般智力因素可以从多个测验分数中提取，但是却没有纯粹测量一般智力的测验，每个测验都或多或少地包含除一般智力之外的特定能力。因此，对于一般流体智力的评估主要是以较高g因素负荷的测验或任务为指标。总体上来看，已有的研究中对一般流体智力的评估主要有三种方式：（1）以某些公认的一般流体智力测验的成绩作为指标，如瑞文推理测验（Raven’sProgressiveMatrices）、卡特文化公平智力测验（Cattell’sCultureFairIntelligencetest）及修改版的韦克斯勒成人智力测验中的全量表分测验（WAIS-R中的FSIQ分测验，g因素负荷约为0.9）。（2）以某些较高g因素负荷的任务（如抽象的图形推理任务）的成绩作为指标。（3）也有部分的研究将包含多个子测验的IQ分数作为一般智力指标。从实践来看，一般智力和IQ的收稿日期：2008-05-26通讯作者：刘昌，E-mail:[e-mail]差异不大，甚至可以在概念上互换；但是从统计上来看，它们还是存在一定的差别。一般智力（g）是通过因素分析从多个IQ子测验中提取的共同因素，而IQ则是所有子测验分数简单相加的总和。因此，本文所讨论的研究主要是以前两种方式为一般智力指标的研究。早期关于智力的研究主要集中于智力理论、智力结构及其认知基础等方面。近年来，随着认知神经科学的兴起，更多的研究者试图借助新兴的技术手段来探索智力的神经机制。其中，脑成像技术凭借其较高的空间分辨率及无损伤性的特点而受到人们的青睐。总体上看，对一般流体智力的脑成像研究主要从两个方面来探讨智力的脑机制：一种是结构性成像，主要是以磁共振成像（MRI）技术探讨一般流体智力与脑结构（主要是脑体积）的关系；另一种是功能性脑成像，以功能磁共振成像（fMRI）和正电子发射断层扫描（PET）技术来研究一般流体智力与脑活动的关系。本文将围绕这两方面对一般流体智力的脑成像研究进行梳理，并提出一些自己的观点。1一般流体智力与脑结构早在100多年前，研究者们就试图将智力与脑的大小联系起来以探讨其生理基础，虽然这一领域的研究曾饱受批评，但大量的行为研究证实了智力与人脑的大小存在较小的正相关（约为0.1~0.3）（Wickett,Vernon,&Lee,1994）。由于这些研究主要以外部测量的头围作为脑大小的指标，容易受无关-350-心理科学进展2009年变量如头的形状、头发、颅骨的厚度等因素的影响，误差较大。现代的脑成像研究则借助先进的技术手段直接测量活动状态下的脑体积，大大提高了测量的准确性，因而受到人们更多的关注。考察脑体积与一般流体智力关系，可以通过计算总的脑体积或者特定脑区体积与一般流体智力的相关来实现。较早开展的研究由于受图像分析技术的限制，主要集中于探讨总的脑体积与一般流体智力的相关。这方面的研究结论比较一致。多数研究发现一般流体智力与总的脑体积中等正相关，高于晶体智力与总的脑体积的相关（Penningtonetal.,2000;Raz,Torres,Spencer,Millman,Baertschi,&Sarpe,1993;Wickett,Vernon,&Lee,2000）。McDaniel（2005）对考察总的脑体积与一般智力关系的脑成像研究进行元分析的结果表明，总的脑体积与一般智力的相关为约为0.33，且存在一定的年龄和性别差异，即成人（女r=0.41，男r=0.38）高于儿童（女r=0.37，男r=0.22），女性高于男性。但是，对于特定脑区与一般流体智力的相关，研究的结论并不一致。这些研究多数采用了基于图像体素的形态测量法（voxel-basedmorphometry简称VBM），这种方法能够测量不连续的脑区皮层和皮层下神经元——突触群，并自动将标准图像分割为不同组织部分（如灰质、白质等），空间分辨率达到毫米水平（Ashbumer&Friston,2000）。与临床研究发现额叶的损伤导致一般流体智力成绩下降的结论相一致（Duncan,Burgess,&Emslie,1995），少数的研究发现一般流体智力主要与额区的灰质体积相关。Thompson等人（2001）的研究结果表明一般智力（g）与额区灰质体积相关显著。在控制全脑体积进行偏相关分析后，额区的灰质体积能够较好地预测一般智力。Gong等人（2005）以55名20至80岁的健康成年人为被试，以基于图像体素的形态测量法及立体逻辑的脑体积评估法（stereologicalbrainvolumeestimation）证实了流体智力与背内侧前额皮层区（dorsomedialprefrontalcortex）的灰质体积相关显著，而与晶体智力不相关。即使控制年龄因素后，结果仍是如此。但是更多的研究发现除额叶体积外，其他脑区体积（如颞叶和顶叶皮层等）也与一般流体智力有关（Flashman,Andreasen,Flaum&Berman,1997）。以WAIS－R中的FSIQ分测验为一般智力任务的多项研究均表明一般智力与多个脑区的体积或灰质体积相关（Andreasenetal.,1993;Frangou,Chitins,&Williams,2004;Wilke,Sohn,&Byars,2003）。这些脑区包括：颞区，额区（BA9、10、11、47），顶区（BA5、7、31），前扣带回（BA32）等。Haier等使用基于图像体素的形态测量法评估了47名不同年龄成人（18-84岁）的一般智力与不同脑区灰质与白质体积的关系。结果证实了一般智力与多个脑区的灰质体积相关。这些脑区包括：额区（BA9、46、10），颞区（BA21、37、22、42），顶区（BA43、3），枕区（BA19）。仅有BA39区的白质体积与一般智力相关显著。研究还发现，脑区的灰质体积随年龄的增加而下降（主要是顶区）（Haier,Jung,Yeo,Head&Alkire,2004）。此后，Haier等人进一步考察了一般智力与脑区体积相关是否存在性别差异。结果表明，男性的一般智力成绩与双侧额叶（BA8、9）、左侧顶叶及Wernicke区（BA39、40）的灰质体积相关显著；女性的一般智力成绩与右侧额叶（BA10）及Broca区（左侧BA44、45）相关显著。虽然一般智力与脑区的白质体积的相关小于与灰质的相关，但女性脑区白质体积的相关高于男性（Haier,Jung,Yeo,Head,&Alkire,2005）。为了进一步探讨一般智力与脑结构的关系，Colom,Jung,Haier（2006a）使用相关矢量法对上述04年的研究进行了再分析。相关矢量法（methodofcorrelatedvector简称MCV）是由Jensen（1998）提出的，它的主要目的是确定一般智力因素是否与某些生理变量（如局部脑体积或皮层激活）相关。其分析逻辑是，如果某一生理变量与g因素有关，则它与测验成绩的相关应随测验的g因素负荷的增加而提高。再分析的结果显示，测验的g因素负荷越大，与特定脑区灰质体积的相关也越高，但是与g因素相关的脑区数量比原来的研究减少。这些脑区包括：额区（BA47、9、10、11），颞区（BA36），枕区（BA13、18）。其另外一项相关矢量法的研究也得到类似的结果，即测验的g因素负荷的增加与整个大脑灰质体积的增加有关。被试的g因素测验结果与额区、顶区、颞区、枕区的灰质体积相关显著（Colom,Jung,&Haier,2006b）。从以上研究可以看出，虽然研究表明了总的脑体积与一般流体智力正相关，但对于特定脑区体积与一般流体智力的相关仍存在一些争议，这些不一致的结果可能与实验中使用的被试样本差异、图像分析的技术不同及测量的误差等因素有关。研究更第17卷第2期一般流体智力的脑成像研究述评-351-倾向于支持包括额区在内的多个脑区体积均与一般流体智力有关的结论。虽然以双生子为对象的研究表明脑区灰质体积与一般流体智力的相关可能是受到遗传基因的影响（Posthuma,De-Geus,Barre,Hilleke,Kahn,&Boomsma,2002）。但是也有研究表明，训练活动也会导致脑区灰质体积的增加（Draganski,Gaser,Busch,Schuierer&Bogdahn,2004），说明了脑区灰质体积具有一定的可塑性。但对于脑的体积与一般流体智力相关的具体原因，目前还无法提供明确的解释。研究者对此提出了一些可能的假设，认为脑体积更大者有着更复杂的神经回路、更多的突触、更厚的髓磷脂，或者脑的代谢活动更有效、神经传递速度更快、脑的储存能力更强等（Deary&Caryl,1997）。2一般流体智力与脑功能探讨一般流体智力与脑功能的关系有两种途径：一种是比较不同任务的激活脑区，将被试执行一般流体智力测验或其他高g因素负荷任务与控制任务件下的脑活动进行比较，从而揭示某些可能支持一般流体智力活动的共同脑区或脑区网络；另一种是比较不同智力水平个体执行特定任务时的脑区活动差异，从个体差异的角度来探讨一般流体智力的脑机制。2.1不同g因素负荷任务与脑活动与上述发现一般流体智力成绩与额区的体积相关的研究一致，Duncan等人（2000）的研究发现高g因素负荷的任务主要激活外侧前额皮层区（lateralprefrontalcortex）。他以13名正常成人为被试，实验任务包括空间的、词语的及圆形的比较。对空间和词语任务分别进行高g因素与低g因素任务匹配。以PET技术对被试执行三种任务时的大脑活动进行扫描。结果发现，高g因素负荷任务比低g因素负荷任务出现更大激活的共同区域是外侧前额皮层区。其他更多的研究则表明除额区外的多个皮层区也可能与一般流体智力活动有关。对威斯康星卡片分类测验（Wisconsincardsortingtest）及瑞文推理测验的PET研究表明，被试在执行两项任务时以下脑区出现相似的双侧激活：背外侧前额（BA9、46），顶下部（BA39、40），前扣带回（BA32），颞区（BA21、37）和枕区皮层（BA18、19）（Esposito,Kirkby,Van,Ellmore,&Berman,1999）。Prabhakaran等人对瑞文推理测验的研究也得到相似的结论（Prabhakaran,Jennifer,John,Glover,&Gabrieli,1997）。他从瑞文推理测验中选择一些问题设计了三种任务：分析推理、图