心理所發(fā)現(xiàn)青少年及早期成年人核心腦網(wǎng)絡(luò)間的層級(jí)結(jié)構(gòu)

腦是由多個(gè)分散的大尺度網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的系統(tǒng)。默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)、背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)和突顯網(wǎng)絡(luò)是科研人員普遍關(guān)注的三個(gè)核心腦網(wǎng)絡(luò)，它們?cè)趥€(gè)體發(fā)展和老化的過(guò)程中起到維持正常心理狀態(tài)和認(rèn)知能力 (如注意、工作記憶、決策) 的關(guān)鍵作用；擾亂這些腦網(wǎng)絡(luò)間功能交互可能導(dǎo)致神經(jīng)和精神疾病（如注意缺陷和多動(dòng)障礙、精神分裂癥、癡呆等）的發(fā)生。因此，研究這些核心腦網(wǎng)絡(luò)之間的功能交互對(duì)于理解正常和異常腦功能具有重要意義。

核心默認(rèn)網(wǎng)絡(luò) (cDN)、突顯網(wǎng)絡(luò)(SN) 和背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò) (DAN) 腦區(qū)間效應(yīng)連接

這三個(gè)腦網(wǎng)絡(luò)的靜息態(tài)自發(fā)活動(dòng)具有一個(gè)顯著特征：即靜息態(tài)和內(nèi)部導(dǎo)向任務(wù)所涉及的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)，與外部導(dǎo)向任務(wù)所涉及的背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)、突顯網(wǎng)絡(luò)之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系。這種負(fù)相關(guān)關(guān)系已得到人類(lèi)和動(dòng)物生物學(xué)基礎(chǔ)研究的證據(jù)支持，提示其反映了腦功能整合的關(guān)鍵特征。然而，目前仍不清楚這種網(wǎng)絡(luò)間負(fù)相關(guān)關(guān)系是如何產(chǎn)生的。這一問(wèn)題，無(wú)法由常用的功能連接（functional connectivity）分析來(lái)回答，因?yàn)楣δ苓B接只能衡量腦網(wǎng)絡(luò)或腦區(qū)之間的相關(guān)關(guān)系，無(wú)法提供交互作用的方向信息。效應(yīng)連接（effective connectivity）分析則可以研究腦網(wǎng)絡(luò)或腦區(qū)之間的有向因果關(guān)系，并可以從前向（興奮性）和反向（抑制性）連接的角度清晰地顯示負(fù)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)之間的層級(jí)結(jié)構(gòu)。因此，中國(guó)科學(xué)院心理研究所行為科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李紓研究組的青年特聘研究員周媛，與倫敦大學(xué)學(xué)院教授 Karl Friston 團(tuán)隊(duì)（博士 Adeel Razi 和 Peter Zeidman）合作，采用動(dòng)態(tài)因果模型 (Dynamic causal modeling, DCM) 分析研究了默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)、背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)和突顯網(wǎng)絡(luò)腦區(qū)之間的效應(yīng)連接，以理解負(fù)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)是如何進(jìn)行功能交互的。

該研究基于來(lái)自心理所雙生子庫(kù)的 420 名青少年及早期成年雙生子被試（14-23 歲，女性：48.5%）的靜息態(tài) fMRI 數(shù)據(jù)，綜合采用多種分析方法研究負(fù)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)間的交互方式。該研究首先采用空間主成分分析獲得核心默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)、背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)和突顯網(wǎng)絡(luò)，并確定 19 個(gè)核心腦區(qū)作為節(jié)點(diǎn)。之后，采用適合于靜息態(tài)數(shù)據(jù)分析的頻譜 DCM(spectral DCM)構(gòu)建個(gè)體水平的動(dòng)態(tài)因果模型，采用新近提出的參數(shù)經(jīng)驗(yàn)貝葉斯 (Parametric Empirical Bayes, PEB) 和貝葉斯模型降階 (Bayesian Model Reduction， BMR) 方法進(jìn)行組水平分析，估計(jì)腦區(qū)之間的效應(yīng)連接。最后，通過(guò)比較輸出和輸入連接的相對(duì)強(qiáng)度來(lái)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)間的層級(jí)結(jié)構(gòu)。

研究發(fā)現(xiàn)：(1)采用效應(yīng)連接分析，可以識(shí)別出在功能連接分析中常見(jiàn)的負(fù)相關(guān)腦網(wǎng)絡(luò)；(2)背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)和突顯網(wǎng)絡(luò)與默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)之間的效應(yīng)連接是不對(duì)稱(chēng)的，具體表現(xiàn)為：從背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)和突顯網(wǎng)絡(luò)腦區(qū)到默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)腦區(qū)的效應(yīng)連接為負(fù)性的，提示背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)和突顯網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)抑制了默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)；但多數(shù)從默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)到背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)和突顯網(wǎng)絡(luò)的效應(yīng)連接為正性的，提示默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)和突顯網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)有興奮性影響（圖 A、B）；（3）通過(guò)比較網(wǎng)絡(luò)間傳出和傳入連接的相對(duì)強(qiáng)度，該研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)、突顯網(wǎng)絡(luò)、默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)之間存在層級(jí)結(jié)構(gòu)，突顯網(wǎng)絡(luò)處于該層級(jí)結(jié)構(gòu)的頂層，提示突顯網(wǎng)絡(luò)在調(diào)控網(wǎng)絡(luò)間的交互功能中起重要作用（圖 C）。此外，該研究從實(shí)證角度解釋了效應(yīng)連接和功能連接之間的關(guān)系。

青少年及成年早期是高級(jí)腦功能發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期，也是精神疾病的高發(fā)期。該研究的發(fā)現(xiàn)有助于從機(jī)制上理解默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)、背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)和突顯網(wǎng)絡(luò)三個(gè)核心腦網(wǎng)絡(luò)間負(fù)相關(guān)關(guān)系產(chǎn)生的神經(jīng)基礎(chǔ)，因而對(duì)腦發(fā)育、腦老化以及神經(jīng)和精神疾病研究具有重要意義。研究結(jié)果也顯示出 DCM 在發(fā)現(xiàn)腦網(wǎng)絡(luò)和理解腦網(wǎng)絡(luò)組織機(jī)制方面的應(yīng)用價(jià)值；參數(shù)經(jīng)驗(yàn)貝葉斯 (PEB) 和貝葉斯模型降階 (BMR) 分析方法在該研究中的成功應(yīng)用，為采用圖論分析研究更大數(shù)量腦區(qū)之間的效應(yīng)連接開(kāi)創(chuàng)了新途徑。

研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973 計(jì)劃）、國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863 計(jì)劃）、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、北京市科技新星計(jì)劃、國(guó)家留學(xué)基金委和倫敦大學(xué)學(xué)院教授 Karl Friston Wellcome Trust Principal Research Fellowship 基金的支持。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在 Cerebral Cortex 上。