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默认网络:最新的解剖、生理研究及其研究发展过程中的新观点
发布者:admin 发布时间:2019/10/5

导读:   

默认网络是近年来静息态研究中最典型的研究发现,但该网络最初的发现却是来源于任务态研究。可以说,默认网络在连接静息态研究和任务态研究成果方面起到了至关重要的作用。因此,在脑科学研究中具有举足轻重地位的研究者对该网络都给予了很高的关注力度。例如,思影科技公众号在之前为大家带来的Marcus E. Raichle教授关于默认网络所写文章,直接点击即可阅览:

 DMN:大脑的默认网络

   

近日,来自哈佛大学心理学部的Randy L. Buckner教授在《Nature Reviews Neuroscience》杂志上发文,系统地讨论了默认网络的研究路径(即发展历程)最新的研究发现分布式网络的网络连接特征猴脑及啮齿类动物模型中的默认网络同系物带来的研究启示、默认网络的解剖证据默认网络可能的发展路径以及可能的控制环路。在这一整套完整的系统化的思维表述的背后,是Buckner教授对近年来围绕默认网络所做的相关工作所发现的结果和证据之间的微妙的相互关系的仔细观察。正是这种仔细的观察以及对各方面信息及证据的整合才构建起了这样一座造型宏大、内部结构精细的精美“建筑”。在读这篇文章的时候,一定要将自己的学术视野放大,将各个方面(如神经影像学、生理学、医学解剖、数学统计、图像处理、人工智能等等)的知识都调动起来,不要受到“路径依赖”思维的影响,才能从这篇内容丰富但逻辑缜密的文章中吸取到“独特”的养分,这份“独特”的养分一定会给你带来超出于paper之外的灵感!     

在过去20年的研究中,我们发现这样一个现象。在需要外界注意的任务中,分布在整个联合皮层(通常被称为默认网络)的部分区域会受到抑制(在早期,这甚至被认为是因研究方法而带来的一种观察误差),而在记忆、想象未来和做出社会推断时,这些区域处于活跃状态。正是这个意外的但是频繁出现的难以解释的问题引发了研究人员的极大兴趣,从而产生了我们今天所称的“默认网络”     

这篇文章描述了对处于这些关联区域网络中的脑区的组织和功能方面的研究进展。对单个个体进行详细的高分辨率分析表明,默认网络并不像以往研究中描述的那样是一个单一的网络,而是由多个相互交织的网络组成(其实如果大家做静息态的ICA时就会发现,默认网络可能会被分为两个网络或三个网络,这并不是偶然)。     

我们观察到的这种多个网络共享一个共同的组织模式(即默认网络,值得注意的是,这种特征在狨猴和猕猴解剖回路中也很明显),可能依赖于其内部构造形成的一般处理功能而不是由外部约束表示。     

每个独立的交织在一起的网络可能都专门用于一个不同的处理领域(即默认网络可能存在多个子网络,作者在文中主要认为分为两个)。同时,人类和猴子的直接神经记录揭示了内部(默认网络)和外部导向网络(其他高级功能网络,如注意网络)之间竞争关系的证据。     

而对啮齿类动物研究的结果则表明,丘脑可能对控制通过特定的丘脑网状神经元(包括拮抗亚群)参与的网络至关重要。作者认为,这些联系网络(可能还有丘脑皮层回路)在人类大脑中不断扩展,同时,可能特别容易受到与精神疾病有关的失调的影响。在最后,作者讨论了默认网络研究中仍旧存在的缺陷,并对未来的发展方向进行了一些讨论。       

 

默认网络的发现是认知神经科学的研究人员的一个意外发现,他们在使用fMRI来研究人类大脑功能时,发现当参与者执行需要积极注意力的任务时,相对于他们在被动条件下的活动水平,联合皮层的大片区域表现出活动减少(即负激活)的现象。这部分区域包括额叶、后中线和顶叶下叶的广泛部分,被称为大脑的默认网络(或默认模式网络)。具体来说,是由离散的、双侧的和对称的皮层区域组成,位于人类、非人灵长类动物、猫和啮齿动物大脑的内侧和外侧顶叶、内侧前额叶、内侧和外侧颞叶皮质。     

该研究最初是用正电子发射断层扫描(positron emission tomography)进行的。在正电子发射断层扫描中,研究者将各种新奇的、需要注意力的、非自我参照的任务,与闭上眼睛安静休息或简单的视觉固定相比较。与这些放松的非任务状态下的活动相比,默认模式网络始终会减少其活动。此外,构成默认网络的分布区域内的自发活动波动(从静息态数据观察所得)相互关联,说明它们形成了一个相互作用的网络。     

并且,一些依赖于内部表示的任务(包括记忆、展望未来和做出社会推断等)在默认网络区域的活动增加,超过了被动条件(即注视点条件时)下观察到的激活状况。这些功能性的观察提出了一种可能性,即默认网络在人类思维的高级阶段(这里指一些高级认知功能)是活跃的。     

尽管有这些可重复的观察结果,关于默认网络的许多发现仍难以整合。这个过程中出现的一个主要困难是对默认网络的经验观察反映的现象并不是单一的,甚至反映的不是单个网络的行为。但一个统一的理论解释是必要的,即明确默认网络的功能与其相关的行为反应之间的一个系统的科学假设。然而,一个关键的新发现是,默认网络可能由多个并立的独立网络组成,而不是像最初设想的那样是一个单一的整体网络。     

另一个挑战则与过度依赖人类神经影像学研究的相关发现有关,因为这些研究本身就模棱两可(这是由于目前所使用的技术手段所带来的,例如fMRI中大量噪声的存在以及仍然有限的分辨率问题,还有技术处理等等问题的存在)。     

在本文中,作者提出了在默认网络中存在多个网络的证据,并探讨了这些新发现的含义。作者关注了在神经影像学研究中观察到的不同现象,以及从人类神经生理记录和在猴子和啮齿类动物模型中的探索中得到的趋同发现。同时,作者还推荐感兴趣的读者阅读补充评论,讨论默认网络对自发认知形式和定向任务的处理贡献(但这不是本综述的重点,因此只在补充评论中详细讨论,这篇文章中作者并未提及)。 

 

1.  默认网络相关研究的发展历程     

在探索关于大脑默认网络的新观点之前,作者首先调查了四类以往的研究发现,每一类都是基于不同时期对默认网络概念演变的不同经验观察(例图一)。分别是:任务抑制、内在功能连接、负相关(anticorrelations)和内在任务的正向调节(即激活)。     

在这个部分,作者重点介绍了用于进行不同观测(即上一段提出的四种不同观察方法)的实验方法,并强调了它们在解释时的模糊性。同时还讨论了这些不同的观察是如何相互关联的,以及如何通过在解剖学和神经生理学相关发现的背景下解释它们,从而来阐明它们的起源。

1)任务抑制(任务态)     

 现在被称为“默认网络”的大脑区域最初是在独立的PET研究中发现的,后来在两篇评论文章中强调了这两个区域。正电子发射断层扫描(PET)数据显示,在积极的外部任务(例如单词判断或视觉对象分类)相对于控制条件(比如被动地看东西或者盯着交叉的十字注视点)下的活动时(即任务condition>控制condition),这些区域始终处于稳定的“负激活(deactive)”状态。     

为了解释这些影响,研究者提出了两类假设:这种情况的出现,要么是在被动条件下被试对任务加工进行的过程激活了这些区域,要么是大脑参与主动任务时通过直接的抑制,抑制了这些区域(文中的被动条件指的是类似于注视点这样的条件,这些条件往往会被用来作为控制条件,但从当前看来,这种做法可能是错误的。控制条件的设置对于任务态激活的结果解释来说,至关重要!)。     

由于PET对大脑活动的测量是相对的(因为他们比较的是一种任务状态和另一种任务状态下的血液灌注模式)。因此,他们的发现对于神经刺激或突触活动(即兴奋性或抑制性)其真实情况下对观察到的结果的影响能力在解释方面必然是模棱两可的。     

因此,不可能从相对差的初始观测中确定这种效应是否对称(这里效应对称的意思是说,想要判断这些“负激活”区域是否是由那些主要由被动任务所涉及的流程驱动的任务导致的需要形成一个逻辑上的对称关系,因为我们认为这些任务应当引起的相关加工脑区的激活,而这些负激活的脑区是不符合我们的逻辑假设的,如果要证明这些区域的负激活时由被动任务所涉及的相关任务导致的,那就需要明确这些任务引起的“激活区域”和这里的“负激活”区域之间的“对称关系”),或者判断出现激活的任务是否通过激活机制(即任务态的理论基础)引起大规模脑网络的广泛抑制。也有研究者认为是其他原因导致的,例如血液供应的重新分配(偷血,blood stealing),但这种假设是不符合生理原理的,因为它们与血管储备的已知特性不一致。同时,这个网络可以通过依赖于葡萄糖代谢而不是血液灌注的成像方法来识别也说明了这种假设的不可能性。   

对被动任务中大脑认知可能出现的过程的探索提供了一种见解,该见解为该领域未来的大量工作提供了指导:在神经成像研究中实施被动任务时,被试的思维方式会趋向于一种固定的刻板状态(这并不难以理解,因为实验任务中出现的控制条件往往一种模式的,例如rest、盯着十字看或者盯着无意义的图看等)。     

然后,在一项早期研究中,该研究专门探讨了默认网络在自发思维中的作用,即对任务的瞬时行为的测量,这一观察结果在其他研究中得到了证实。通过集中观察默认网络与控制(或休息)条件之间的关系,一个强调网络在自发认知事件中的活动的方向出现了。此类事件是与默认网络区域中的活动相关的几个功能之一。     

定向记忆、展望未来以及某些形式的社会推理也激活了与默认网络重叠的区域。这些观察清楚地表明,默认网络参与的范围比无定向认知的范围更广。

图一 不同方式下观察到的默认网络的活动a为被动任务激活状态下观察到的被抑制的默认网络(即负激活),b为静息态数据中观察到的功能连接,c为内在任务下(如推断他人的想法和信仰)激活的默认网络激活模式

 

2)内在功能连接(静息态)     

自发的大脑活动在默认网络的所有分布区域都有很强的选择性关联。研究者发现,当默认网络中的一个区域的活动水平(通过fMRI间接测量)增加时,其他区域的活动水平也会增加。虽然这通常是在被动休息时进行测量的,但这些自发的关联(即功能连接)在所有的任务状态中都是普遍存在的,也包括那些需要外界注意的任务状态中。这一观察表明,支撑这些相关性的机制与最初用于通过任务抑制发现默认网络的机制是不同的(即这种自发的波动并不是由外在注意任务所引起的抑制而特异引发的)。     

通过分析任务抑制和功能连接所提供的观察结果,可以发现在组平均数据中这两种方式发现的默认网络收敛于类似的解剖模式(1)默认网络的多个分布区域之间存在着很强的相关性,这一发现表明,这组区域可能是一个网络或大脑系统,该系统与其他具有解剖连接和共享功能依赖关系的分布式系统(例如听觉系统等)非常相似。    

3)负相关   

关于默认网络的第三个主要观察来自于对其功能连接性的研究。除了网络内部各区域之间表现出很强的正相关关系外,它们还表现出与外部注意加工的相关区域之间的负相关关系。最初揭示这一发现的两项研究都使用了相同的一般方法:从静止的fMRI信号中提取后中线脑区的fMRI信号的时间序列,然后它们的研究发现,大脑中与所选区域正相关的区域再现了默认网络。     

而与同一脑区负相关的区域显示出完全不同的模式,该模式包括沿顶叶沟的区域、靠近额部及框额皮质的区域以及靠近颞中区域的视外侧皮质。该文章对这些与后中线脑区存在负相关的区域进行检测时,形成了一个强正相关的区域网络。该通常被称为背侧注意网络,在面向外部、需要注意力的任务中发挥功能。     

这些研究结果表明,默认网络与另一个主要网络是对立的,后者通过对外部感官环境的积极关注而参与内部形式的心理状态和自发认知。同样重要的是,这种对立可以通过分析独立于外部任务需求的任何变化的内在活动的信号波动来揭示,这提出了大脑当中可能存在支持网络之间竞争关系的稳定机制的可能性(这种可能性为“中央瓶颈理论”提供了可能的生理基础,这对研究心理与认知机制来说至关重要)     

然而,从人类功能连接数据推断出这种“竞争机制”是一个挑战。因为,在最初的研究和随后的许多研究中,都是在对局部fMRI信号时间过程进行归一化后估计相关性,其中包括对全局信号波动的回归。这个处理步骤迫使大脑所有区域的相关性分布以零为中心,这意味着一半的相关性将被赋值为正,一半被赋值为负。如果不进行这样的标准化,整个大脑的信号就会存在一种低水平的正相关,这种正相关被认为是影响fMRI测量的神经元信号和非神经元噪声信号的结合导致的。随之而来的便是一场关于如何解释负相关关系的广泛辩论,随后提出了新的标准化方法和新的研究焦点。     

从发现负相关关系和随后的辩论中我们可以吸取两个教训。首先,观察到的网络之间的差异是鲁棒的。无论是否从机械的角度来解释这些“负相关”关系,与大脑中的其他网络相比,与外部注意相关的网络与默认网络的关联性更小,这一点仍然是正确的。   

其次,在解释这种相对的相关值时是有很大的模糊性的。尽管鲁棒的“负相关”关系的存在提出了网络之间存在“竞争关系”的重要可能性,但需要功能连接性研究之外的数据源来确认这些关系并深入了解它们的机制(这一点是极为重要的,这对于我们确认这种负相关关系的神经基础而言是决定性的!)。 

 

4)正向任务调节(任务态)     

尽管我们将其命名为“默认网络”,但是,默认网络的相应区域在特定形式的定向任务期间确实增加了活动(即任务态的正激活)。   

抑制默认网络活动的任务往往是面向外部的(前文已经描述过),也就是说,他们要求被试要有选择地关注和回应环境中的刺激。相反,增加默认网络活动的任务往往依赖于基于内部构造的信息,也就是说,心理表征是由记忆和图式灵活构建的,该任务远远超出了直接的感官环境。在早期的研究中出现了这类任务的两个突出例子,一个是自传体记忆,另一个是需要某种形式的社会或自我参照推理的任务。在这两类任务中,默认网络被发现出现了广泛激活。     

自传体记忆任务要求个体回忆过去事件的细节。当以组平均数据进行分析时,自传体记忆任务会激活与默认网络非常相似的分布式区域。自传体记忆任务的几个有趣的特性提供了对这个网络功能的深入了解。首先,它们依赖陈述性记忆(即内侧颞叶依赖),其次,从任务-需求的观点来看,它们落在外部-内部导向统一体的极端内部末端(即基本不需要外部导向)。虽然外部提示常常在任务指导过程中提供指导,但参与者很快就进入了一种内部心理状态,在这种状态下,记忆的进展只需要来自外部世界的最小输入。这项工作的扩展指出,当个人想象未来的假想场景时,默认网络的类似区域也参与其中(这是因为当人们的注意力从当前的外部环境转移到丰富的真实或想象事件的内部表现上时,他们的注意力就会转向内部)。     

涉及社会推理的任务也会增加默认网络区域的活动。社会推理任务有多种形式,不太可能涉及单一的心理结构。其中一类经过充分研究的任务探究了人类表征他人心理状态的能力,这种能力通常被称为心智理论(theory of mind)。心智理论任务需要一个基本一致的大脑区域网络,这些区域与默认网络重叠。这些任务需要理解一个中间人的信念,而不是由直接环境中的线索提供的现实刺激。在这类任务中,被试必须暂停他们自己的观点(也称为解耦)来考虑另一个人无法观察到的想法、信仰或感受。     

涉及社会认知和自我认知的其他方面的任务也揭示了与默认网络区域重叠的解剖结构。了解一个人的内心或了解另一个人的内心是类似的认知任务,因为它们都需要灵活地采用不同于当前经验世界的观点。     

这些集体观察提高了一种可能性,即默认网络广泛地参与依赖于内部心理状态的高级思维和推理形式。一个有待解决的问题是,这些不同的内部心理状态任务在多大程度上依赖于真正共享的(而不是相关的,甚至是可分离的)过程。   

在下一节,作者调查了过去十年的观察结果,发现不同观察形式之间发现的默认网络活动的特定解剖区域存在一定差异,这对它们的功能专门化提出了一些新的问题。   

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2. 功能异质性   

对激活默认网络的任务的研究最开始强调了它们发现中的共性。这些探索使用了群体平均数据和研究之间的粗略比较来证明,范围广泛的内部心理状态任务(包括记忆、展望未来和推断他人的信念)激活了一组类似的分布区域。   

这种原始的观察集中在广泛的皮层区域,以及这些区域共享的性质和功能,并以不同于典型的感觉运动网络的方式运作。然而,这些粗略的描述并没有详细探讨网络中不同区域的嵌入式系统、不同区域的功能和网络的体系结构。   

当在同一实验中操作内部心理状态任务的形式时,不同的任务类别会激活不同的并列区域。尽管这些研究的结果仍然受到群体平均导致的空间模糊的限制,但当涉及记忆的任务与需要对他人的想法和信念(心智理论)进行推断的任务进行对比时,一个特别明显的区别就显现了出来。利用自传体记忆的任务优先涉及海马旁皮质和后中线的腹侧部分,靠近后压部皮质。在顶叶下部,涉及记忆的任务也更多地涉及后部区域(即尾侧),而思维理论任务则优先涉及前部区域(即吻侧),后者还延伸至颞顶叶交界处。    

操纵记忆回溯任务的两项研究揭示了典型(即组定义方式)的默认网络内子区域功能分离的明显例子。在这两项研究中,都对人与地点进行了判断,而最具说服力的专业化证据是通过分析个体参与者的空间细节得出的。在第一项研究中,受试者被要求使用高场强(7T)、高分辨率fMRI扫描,任务是判断两个已知的地点(附近的城市)中哪一个在空间上离他们更近,或者两个已知的人中哪一个离他们更近。尽管这两个任务都在典型的默认网络中广泛激活,但它们在空间上明显分离,包括在后中线附近。面向人的判断激活后扣带皮层的一个中心区域,而面向空间的判断则优先激活腹侧后扣带皮层、后压部皮质和背侧区域的多个周围区域。这些响应的交错提供了证据,证明在默认网络的紧密并列区域之间存在差异的专门化。同样,在另一项研究中,受试者在回忆名人VS熟人(汤姆汉克斯,他们的朋友)与知名地点VS他们熟知的地点(时代广场,他们的工作场所)时,当参与者回忆来自这两个领域的信息时,典型默认网络的多个区域处于活跃状态,但在涉及人和地点的任务之间的后中线脑区内再次出现了明显的分隔,该研究复制了2015年研究中发现的相邻区域的功能专门化。

记忆回溯任务中空间记忆与任务记忆的默认网络内部的功能分离,b7T研究中发现的差异,蓝色为该研究区分出的默认网络中的A网络,黄色为B网络,c为后续研究中的组水平结果

 

   这些研究说明,当使用高分辨率的个性化方法来探索默认网络组织的细节时,确实可以将不同的网络分离开来 

 

3.  最新的结构基础相关研究   

目前,能够说明默认网络存在多个分布式关联网络的证据已经不断出现。虽然最初设想默认网络是一个单一的网络,但它很可能是由多个彼此相邻的不同网络组成的(图2a)。在这一节里,作者系统的讨论了新近发现的关于默认网络的结构基础的研究,同时,还大篇幅地讨论了在灵长类动物和非灵长类动物研究中观察到的现象。这些结果给人脑的研究带来了很多启发。     

当对个体内部的内在功能连通性进行充分研究时,这些网络的详细组织就会显露出来,从而使精细的空间细节得到观察,而不会与群体的平均水平相混淆。从这些研究中出现的证据表明,默认网络至少包括两个独立的网络,在大脑的后中线和前中线脑区上有明显的空间差异,这两个区域通常被认为是中心节点。     

这些多个分布式网络具有组织特性,可以洞察它们的功能和发展起源。第一个显著特征是组件网络包括分布式并行节点。除了少数例外,一个网络的节点与另一个网络的节点并列。一种可能性是,这种分布式和并行的组织可能是在早期发展阶段出现的细分和专门化的结果;因此,一个单一的、差别较小的原组织在功能开发的过程中通过依赖于特定活动的过程变得专门化(作者举了一个面部视觉区在人类和猴子的视觉皮层出现并发展的例子,在成年人类和猴子中,多个外纹皮质区域(在猴脑中被称为斑块区域)优先对面部刺激做出反应。而这些具有面部选择性的皮质区域并不是先天形成的,这些区域在早期只具有视网膜的组织特性,在面部刺激(典型刺激)的反复活动下,这个区域的原型组织进行了细分和专门化。最终,颞叶皮层中靠近中央视觉表征的某些区域成为人脸的特化区域)。     

第二个关键特征是,尽管这两个网络在许多关联区域并立,但它们与内侧颞叶内的后海马旁皮质的耦合关系显示出分离。文献中一个流行的主题是,默认网络参与了一系列广泛的任务,包括记忆和推断他人的想法和信仰,从而引出了关于这些任务可能共享同一核心流程的想法。     

外纹视觉皮层的特化对于理解多个并置关联网络的特化具有重要的借鉴意义。虽然不同的外纹视觉区域的处理模式是共享的,而且所有区域都包含从视网膜开始的平行前馈解剖投射,但不同的特定区域对不同类别的刺激(包括面孔和风景)做出反应(即功能特异)。默认网络中的多个分布式网络也可能具有相同的处理模式,这种处理模式依赖于内部构造(即内部信息加工)的表示,而不是外部约束(即外部刺激表征)的表示,并包括专门用于不同处理域(即功能不同)的独立并置网络。     

个体中明显的精细空间细节(2a)也需要重新评估关于默认网络的组织假设。具体地说,默认网络的某些区域被估计为网络中心的“集线器”——即对默认网络的多个子网之间的信息流起信息交换的中心作用的节点。新近受到重视的默认网络的精细组织研究表明,用于确定这种强中心性区域的建模方法将需要重新评估,因为多个网络上的组平均方式是模糊的,这种模糊可能扭曲了对中心性节点的估计。沿着类似的思路,一个突出的假设是,默认网络由位于中线的一组集线器所连接的子网络组成。这种中枢与特定的子网络相互作用的可能性需要加以修正,因为假定的中心性节点,包括内侧前额叶皮质内的节点,现在已被证明参与了多个不同的、空间并列的网络。 默认网络的分布式关联网络由解剖连接支持     

作者认为,以往研究中,传统上所定义体系结构区域(文中的体系结构区域指的是包括传统的初级运动网络、颞听觉网络、枕视觉网络等)与默认网络的解剖连接的估计之间似乎不存在简单的对应关系。在神经科学研究中,个经常持有的假设是,功能专门化的网络将与架构性定义的大脑区域(即由结构连接所定义的框架)有可定义的相互关系。     

对人类和猴子骨髓结构和细胞结构的比较研究表明,默认网络由多个广泛分布的区域集群组成,包括从额极延伸的区域(其中包括9区、10区可能还有11区,这里作者所说的是布鲁德曼分区)、中线从后压部皮质延伸到楔前页的腹侧区域、后顶叶皮层接近枕叶的一部分区域、颞联合皮层的广泛区域和背外侧前额皮质内的其他区域。默认网络跨越多个相邻区域的范围表明,这些区域与传统上所定义的体系结构区域的边界经常重叠,因此,默认网络和底层体系结构区域之间不太可能像迄今为止定义的那样对应。     

解剖连接的研究为我们提供了一个不同的观点。通过对示踪剂注射产生的投射模式的研究,人类神经成像对大范围默认网络模式的估计与猴子解剖之间出现了明显的同源性。图3a显示的是对恒河猴脑中与人类默认网络同类网络的一个综合估计。这些解剖投影的几个特征与典型的人类默认网络平行。     

首先,白质投射的区域在空间上分布上与定义人类默认网络的多个分布式区域重合。其次,这种投射模式是通过使用分布在大脑多个区域的注射位点进行的白质纤维束追踪研究来概括的。例如,海马旁注射确定了分布网络的大部分,这一观察结果在随后的研究中得到了重复,另一项研究中包括的后扣带回注射也证实了这一点。在额极的注射也概括了网络上的许多区域。最后,一个区域内的投射区域(最明显的是顶叶联合皮层)在解剖学上是特定的。顶叶联合皮层接收和发送投射到海马旁皮层的区域Opt(顶下小叶的尾部)。在靠近Opt的顶叶皮质内注射有时出现一种与更大区域相连接的印象,尤其是考虑到局部投射几乎总是在注射部位附近发现。相比之下,通过注射在海马旁皮质和后扣带回三角部中识别出的中心节点,其特异性得到了提高,这一区域可能是默认网络的中心区域。     

在对狨猴的大脑示踪剂的研究中发现了令人惊喜的结果。狨猴拥有一个解剖学上连接的网络,其中包括在人类默认网络中发现的所有分布区域。例如,逆行示踪剂注入额极皮层区10和与其相邻的额极皮层区域911可以通过示踪剂显示预测的区域包括:海马旁皮层,前扣带,顶叶腹侧、后扣带,或广泛的前颞联合皮质一值延伸到颞极(3 b)   

人类与新大陆猴(包括狨)最近的共同祖先生活在距今约4500万年前,这一事实提出了一种有趣的可能性,即支持人类默认网络的基本解剖结构可能在数千万年前就已经在灵长类祖先身上得到了很好的体现。这个网络的一个关键特征是它与前额皮质的前顶端的连接,这是由来自三个不同的新大陆和旧大陆的猴子的共同解剖数据所支持的(新大陆猴在几个方面与旧大陆猴略有不同。最突出的表型区别是鼻子,这是最常用于区分两组的特征。新大陆猴阔鼻亚目的分支意味着“扁鼻子”。新大陆猴(除了吼猴属的吼猴)也通常缺乏旧大陆猴的三色视觉。)。     

一个尚未解决的重要问题是,动物模型是否能为在人类身上发现的多个紧密并列的网络提供解剖学基础(从系统发育的角度看,这一点可能是难以解决的重要议题)同时,这也对猴子解剖研究的解释提出了挑战,就像对群体平均人类神经成像研究的解释一样。虽然个别猴子的投射模式可以高精度地分辨出来,但注射本身往往很大,而且在个别猴子之间并不精确对齐。因此,图3b所示的红色网络可能是多个相邻网络的模糊组合。     

作者假设,在人类身上发现的相互交织的平行网络反映了多个灵长类物种共享的解剖学连接的潜在组织。同时,作者认为,即使一个默认网络结构被广泛地证实存在于猴子中,它在所有或某些灵长类物种中的差异可能要比在人类中要小。通过比较灵长类动物的额皮质区10,我们可以了解这一点。这一区域在狨猴身上比在猕猴身上更同质,而猕猴的皮质又比人类在这一区域更同质。现有的数据表明,猴子确实拥有与人类默认网络相同的基因,但其分化程度仍未确定。如果分布式关联网络(即默认网络)的进化与现存灵长类动物的额皮质区10的扩张和分化相平行,将这一现象从进化的角度来看,对构成人类默认网络的多个网络的研究将会非常有趣,因为它们同样具有相对的扩展和分化。

猴脑中发现的默认网络的解剖结果,a为恒河猴,b为狨猴

注解:a中,蓝色区域标记默认网络的主要区域,蓝线表示已知的解剖投射。AS:弓状束;CF,距状裂; CingS:扣带回; CS:中央沟; IOS:枕下沟; IPS:顶区内沟; LF:外侧(外侧);LS,颞枕交界;OTS:枕颞沟;PHC:海马旁皮质;POS 顶枕沟;PS,额下沟; RhF:嗅裂;STS,颞上沟。

    b中,红色部分为通过示踪剂对狨猴的默认网络的结构连接的追踪,额叶的白色圆圈部分代表的是不同区域的注射点。黑色轮廓划定了体系结构区域界定的脑区,其中枕叶视觉皮质(V1)、中颞叶(MT)区、颞联合皮质(TE3)、初级运动皮质(Mot)PHC(海马旁皮质)等均作了标记以供参考。

 

4. 将默认网络嵌入到一个宏观的脑网络组织中     

在这一节中,作者指出了构成人类联系皮层的多个相互交织的网络的一个显著特征是,它们在广泛的网络组织方面是极为相似的。这种组织主题不仅适用于分解默认网络的两个主要网络(如图2所示),还适用于其他几个相邻的分布式关联网络,包括那些支持外部感官注意和认知控制方面的网络。因此,将默认网络与其他高级认知网络放在一个宏观的脑网络组织结构中去讨论是必要的。     

尽管存在一些例外,但每个分布式关联网络往往在大脑皮层的每个主要关联区域都有一个较为独立的组织成分。此外,当所有的网络被放在一起观察时,它们的分布揭示了皮质表面的有序空间分布。在狨猴解剖连接研究(4)中,以及在狨猴和猕猴的功能网络研究中,也发现了相同的主题和多个关联网络之间的空间关系。这些组织形式包括两个特征:第一,跨网络的组织形式;第二,不同网络在空间上有序展开。这两个特征为从进化和发展的约束中提出宏观组织的出现提供了一定的可能性。     

同时,这些多个分布的关联区域在空间上都远离感觉区。这些关联区域包含多个关联网络,包括那些定义默认网络的关联网络,这些关联区域被认为是用来填充感觉网络与高级网络之间的空白的。从空间上可以观察到,与外部感官注意相联系的联想网络最接近初级感官区域,接着是多个更高阶的网络,一个接一个。就初级感觉皮层向外的空间进展而言,默认网络是最远的。有趣的是,人类小脑皮层网络表征的有序空间排列也遵循同样的顺序:小脑前叶包含主要的躯体运动模块,在此之后,小脑的后续区域代表了与皮质序列所反映的相同的联系网络。大脑联合皮层中网络的顺序在小脑中反映了两次。在小脑序列中,默认网络再次被指定为离感觉皮层最远的顶点关联网络。默认网络(或者更具体地说,由多个并列的网络组成的默认网络)位于跨模式网络的顶点,这一发现具有有趣的含义。首先,这一观察为理解神经成像早期出现的无数经验发现提供了一个背景,神经成像主要针对感知任务和刺激控制决策。集中于需要外部注意的任务的研究,会集中强调与处理当前环境信息有关的网络的贡献。只有被动任务才会意外地放松对外部注意力的要求,从而充分揭示顶点跨模态网络中的活动,这可能是因为这些网络专门用于不同的面向内部的处理模式。     

其次,沿着多个并行网络在宏观梯度上彼此相邻的概念可以发现一些重要的问题,例如,多个独立网络的存在是否为探索网络之间的竞争提供了可能。特别值得注意的是,内在功能连通性研究揭示了跨模态顶点网络与接近感觉皮质的早期网络之间的负相关关系(可能是一种对抗关系)。除了表明这些网络的功能专门化之外,这些观察结果还可能反映出在全脑范围内广泛网络集团之间竞争的稳定机制(作者对这一话题在后文中进行了进一步探讨)。

人类大脑不同网络的梯度组织形式和狨猴解剖连接中发现的不同网络的梯度组织形式

 

5. 神经生理学   

在这一节,作者通过更精确的神经生理学证据讨论了默认网络的生理基础,对于我们理解fMRI成像结果有着很重要的借鉴意义。   

人类颅内记录显示,在积极的外部指导任务期间,默认网络会受到抑制。在一项关于高频宽带(HFB)信号的研究中,当个体从事活动任务时,位于后扣带皮层和内侧前额叶皮层的电极都检测到信号明显减少(可理解为负激活)。这些反应在解剖学上是选择性的,放置在辅助运动区和初级视觉皮层的电极会检测到相反的效果(即出现信号的明显增强,可以理解为激活,图5a)。对任务传导抑制HFB信号的在空间表征的结果进行观察,可以发现,这些影响跨越了默认网络的多个分布式节点。此外,HFB监测中,默认网络受到任务抑制的程度和持续时间与任务难度呈正相关,这与人类神经影像学发现的另一个特征相一致。这些发现表明,默认网络的原始定义特征是通过外部定向和被动任务状态来调节其活动水平的,这在直接记录的神经元活动中表现得很明显。     

在猴子中,与任务抑制的单单位和多单位活动相关的区域在后扣带回部。相对于刺激前的基线,当猴子将目光转向暂时存在的视觉目标时,这一区域的神经活动受到了强烈的抑制,这是一项需要外界注意的任务。当收到活动任务将被延迟的提示时,这些动物的后扣带皮层的单单位活动增加,与在人类颅内记录中观察到的默认网络活动增加的现象相似。这种抑制作用对猴子和人类都具有解剖学选择性;在类似的条件下,与外部感官注意相关的侧顶叶内区域表现出增强而非抑制的活动。

 5a 人类大脑颅内电极记录发现的结果,淡蓝色为简单注视点时电极记录,深紫色为刺激目标出现时的电极记录,很清楚地可以观察到感觉运动区节点的反应与默认网络节点的反应之间是负相关的

5 b.c  b为人脑HFB电极记录的频谱图,可以看到暗示休息时和进行数学计算时,大脑后内侧皮质的能量波动随着时间变化的状态是相反的。    c为一只受过训练的猴子在大脑中单个位置及多个位置上记录的脑电变化状况,可以发现在需要外界注意的任务执行过程中,猴脑中无论是单个区域还是多个区域(默认网络中的区域)都出现了明显的活动下降

 

     新出现的技术能够从猴子广泛的皮层区域进行长期记录,为深入探索任务抑制的电生理相关提供了一种方法。这些强大的方法,同时在许多不同的网络中调查了神经元的反应特性,揭示了任务相关的增强和抑制作用在整个大脑中是广泛的。例如,在一项要求很高的外部任务中,明显的抑制作用与猴子大脑中假定的默认网络(我们还不确定猴脑中与人类默认网络极为相似的网络是否为默认网络)很接近,比如位于或接近Opt的顶叶联合皮层。这些有趣的方法将揭示一些关于默认网络任务抑制的生理学问题,并以一种与对人类观察相关的方式来揭示这些问题。     

人类的直接神经元记录(提供了慢血流动力学测量无法获得的见解)表明,HFB信号抑制在启动外部定向任务后不久就开始了(250 ~ 600毫秒内),而且一旦提示休息开始,HFB活动就会迅速增加(400毫秒内)。在猴子中,后扣带皮层活动的抑制也发生得很快(~ 300-400毫秒)。这种抑制的紧张性特征与对其他各种任务相关事件(包括目标陈述和奖励传递)的短暂反应形成对比,这可能是其机制起源的重要线索。     

人类的直接神经记录也显示,在人们普遍认为依赖于内部心理状态的各种任务中,HFB信号的水平往往高于基线水平。在一项关于与注意相关的HFB信号增加的详细研究中,位于后扣带附件的颅内电极在注意力集中的数学任务中表现出HFB抑制(图5b),当在被问及个体确认的自传体记忆问题时,HFB信号则表示出增强(即抑制下降)。这种反应的层次结构(HFB的抑制在积极的外部任务中最高,在休息时居中,在需要集中内在关注的任务中最低)与神经成像的结果是一致的。     

尽管如此,任务调节的活动增加到目前为止并未显示出一个简单的组织模式。异质性在多个维度上是明显的,包括邻近部位反应幅度的差异,反应潜伏期沿解剖梯度的变化和对内部心理领域内不同任务的反应的可变性。一个令人困惑的观察结果是,在那些显示自传体记忆和抑制效应的电极位置之间的重叠,要比自传体记忆和暗示休息活动时信号增加之间的重叠更多,作者认为,这些复杂的模式可能反映了一种组合,即对精细组织知之甚少,同时也反映了噪音和标准化的技术来源。因此,未来研究的一个重要途径是将个人大脑网络详细组织的新知识与广泛植入颅内记录电极的患者的定向探索相结合。 

 

6.  对默认网络的控制     

在这一节,作者讨论了默认网络的控制机制问题。     

默认网络在对任务抑制的最早研究中偶然出现,随后发现的负相关现象可能反映了网络之间广泛的稳定的竞争—抑制作用。一种可能性是外部和内部处理模式使用不兼容的(甚至可能是对立的)功能设定。关键的是,支持外部和内部处理模式的每个网络和区域本身并不是单一的,例如,视觉皮层拥有一系列特殊的处理区域和嵌入在平行通路中的部分组织;这些途径与更广泛的分布式网络相互作用,用于从外部世界提取和处理信息。     

正如这篇文章所讨论的一样,我们可以知道最初描述的默认网络也具有多个专门区域和分布式网络(2),这些区域和网络提供了与内部状态相关的功能多样性。然而,控制这些竞争和相互作用的网络的机制仍有待确定。 

 

1)可能的解释理论之一:丘脑皮层和基底前脑机制     

丘脑皮层回路是控制分布皮层网络内部和网络之间信息流交换的候选回路。灵长类动物的某些丘脑核投射到大脑皮层的分布相关区域,而内侧髓核(也可能是内侧背核的一部分)与大脑皮层的前后区域也有着广泛的连接。这些区域可能是组成人类默认网络的关联网络的同系物。这些丘脑联合核由周围的丘脑网状核(TRN)直接调控。TRN必须通过抑制丘脑投射神经元的氨基丁酸能(GABAergic)来施加这种控制,因为TRN没有直接投射到皮质。由于丘脑投射神经元支配TRN,这种结构可能与抑制有关,也可以通过在丘脑从而实现对前额叶输入信息的前馈抑制。因此,在解剖学上,丘脑皮层回路处于良好的位置,能够在皮质网络内部和网络之间发挥广泛的影响,并充当调节中枢。     

对啮齿类动物的基于丘脑回路的观察说明了TRN丘脑网状核)神经元不同亚群的相反效应,这可能表明了默认网络的控制机制。在小鼠中,长期放置在TRN神经元附近的电极显示,在睡眠和清醒的探索行为阶段,TRN神经元的不同亚群与两种唤醒状态相关(或正或负)。利用光遗传学方法去探索这种差异,发现了不同的感觉投射和边缘投射TRN神经元的分离,以及它们生理特性的分离。与静息呈正相关的TRN神经元是感觉投射,而与静息负相关的是边缘投射。并且,在这两个TRN神经元亚群中观察到了不同的行为模式,超越了睡眠-觉醒状态的差异,这种差异延伸到在要求注意力的视觉任务中更细微的差异方面。尽管还没有证据表明啮齿动物的调节作用与人类的调节作用是相似的,但值得注意的是,不同的感觉相关和边缘相关的TRN神经元可以表现出相反的效果,让我们可以联想到在人类任务抑制和负相关现象中观察到的大规模的网络变化。

6  a丘脑联合核及丘脑网状核的结构连接解剖示意,b为绒猴体内的候选默认网络回路

     他候选回路也可能有助于调控默认网络。例如,对老鼠的研究表明,当老鼠从家里的笼子被转移到一个鼓励深入探索的新场所时,基底前脑的伽马波gamma)的能量会降低,而基底前脑是大脑皮层胆碱能传递的主要物质。与主动探索相比,在梳理毛发和安静清醒期间(包括在新环境里),基底前脑的伽马波(gamma)的能量会相对增加。这些调节作用在基础前脑平行特征的默认网络任务抑制中,因此,为探索性研究提供了一个额外的目标,可以提高我们对默认网络调节机制的理解。

      在讨论对默认网络的控制时,将我们对局部回路特性的强调与更广泛的关于前额皮质网络的文献联系起来是很重要的,前额皮质网络一直是人类和猴子研究的共同焦点。相当多的证据表明,前额叶区域参与自上而下的控制和调节整个大脑的信息处理网络。但是,对实施这种控制的具体机制的关注仍然有限。

     在重点研究皮层和基底前脑回路调节不同任务状态下的放电特性时,作者强调我们要关注可能支持皮层网络对其他网络施加控制的局部回路特性。有趣的是,啮齿类动物和灵长类动物的许多回路特性是守恒的。这种守恒现象为利用现代分子遗传工具研究非人类灵长类动物的控制机制和功能障碍的人性化模型提供了一个机会。此外,这种守恒意味着,这种回路的古老特征可能是在人类神经成像研究中观察到的竞争性网络交互的构建基础。

 

2)分层网络控制

     我们对默认网络控制的一个方面知之甚少,即是否只有一个或有多个机制在不同规模的组织中运行。第一个是控制范围问题,这个问题涉及到当个体执行外部集中的任务时出现的广泛的任务抑制。第二个是控制尺度问题,这个问题与在不同形式的内部心理状态(如记忆与社会推理)中局部网络的选择性增强有关。一种可能是有一种共同的机制在起作用:由任务驱动的特定网络的活动可能在其他可能的网络上得到增强,这样,广泛任务抑制的出现仅仅是对内部和外部信息通道的定向注意状态之间的极端对比的副产品当对比任务以更微妙的方式不同时,可能会出现局部调制。

     另一个有趣的替代方案是,可能存在多种机制在不同的尺度上对网络选择进行分层控制,并具有广泛的竞争机制,这个机制能够实现抑制默认网络或其他外部注意重要网络之间的皮层大片区域。但在大脑皮层的这些广阔区域内,不同的机制也可能支持根据当前进行的任务的需要来选择狭窄的皮层区域和网络。也就是说,当注意力指向外部世界时,多个网络可能会被联合抑制,但当需要在特定任务环境中进行主动信息处理时,则会选择性地增强该区域。

 

3)默认网络控制的机制可能提供对精神疾病的相应洞察

     在具有精神病特征的精神分裂症和双相I型障碍患者(双相情感障碍)中,参与认知控制的默认网络和相关的大型网络出现失调现象。同时,精神分裂症和双相情感障碍也是最容易遗传的精神疾病。因此,可以去考虑分子遗传变异是否会导致默认网络的失调,从而增加精神疾病的风险。特别是对精神分裂症的研究,这种研究为功能障碍的产生提供了有趣的线索。

     对精神分裂症患者基因变异的有力研究已经确定了一个与T型钙通道相关的候选风险位点,该通道在TRN丘脑网状核)中显著表达。这些观察结果为心理健康和认知网络失调之间提供了一种可能的联系,尽管这只是众多因素中的一种潜在作用机制。考虑到精神分裂症患者观察到的神经振荡的活动模的不规则性依赖于TRN回路,一种可能性是,被破坏的丘脑皮质回路可能导致默认的网络失调。同时,改变丘脑皮质回路功能的基因变异反过来可能导致临床相关的网络选择和相互作用的干扰。

 

7. 总结

     联合皮层的大型分布区域由多个网络组成,这些网络在不同形式的内部思维活动中活跃。这些网络通常统称为大脑的默认网络,当注意力集中在外部世界时,这些网络就会受到抑制。因此,默认网络的偶然发现为大脑处理网络的基本专门化提供了一个窗口,这些网络参与从外部世界提取信息,而那些构建表征的网络,会部分地或完全地脱离当前外部环境。最近的研究结果表明,默认网络不是一个单一的实体,而是由多个并行交叉的网络组成,这些网络显示出跨区域的专门化,类似于那些在经过充分研究的感觉系统中发现的网络的组织形式。

     对构成默认网络的多个网络的抑制和参与的现象观察结果是鲁棒的,这些结果可以通过人类和非人灵长类动物的直接神经元记录来测量,同时与啮齿动物的网络调节类似。因此,未来研究的一个关键主题是如何控制构成默认网络的网络,包括支持在外部注意期间广泛抑制默认网络的机制。这些研究表明,由不同的独立网络组所支持的广泛的信息处理模式之间可能存在着重大的竞争关系。了解这些网络是如何被调节来控制信息流的,可以让我们深入了解认知控制的一般机制以及它们在精神疾病中受到的干扰。迄今为止,对默认网络的研究表明,一些有趣的现象可能会让我们深入了解其他对人类高级思维非常重要的网络。

     过去几十年的另一个收获是,人类的神经成像观测很难单独解释。可重复的发现本身无法克服用于获得它们的相关方法中所固有的模糊性。来自于对同一主题进行限制的多种方法(包括神经生理学研究和适于电路解剖的动物模型)越来越多地可用来帮助解释对人类大脑网络的发现。例如,在猕猴和狨猴中存在着强大的默认网络的候选同源解剖网络。要深入了解大脑的默认网络,需要结合这些可获得的灵长类动物模型的洞见、来自人类临床人群的电生理和回路调节研究的发现,以及提供基本观察的神经成像方法。

 

      写在最后:

总体来说,这篇文章的证据丰富程度是很少见到的,而作者在面对这么多方面的证据时,高度系统的研究思路为不同方面证据的梳理提供了良好的路径。在面对默认网络这样一个“庞然大物”时,任何方面的努力看起来都是“单薄”的,但是当不同方面的证据都浮现在我们眼前时,我们要做的就是找到它们之间的关系,并且沿着新的思路将这个科学问题继续深挖下去。这篇文章中引用到的一些关键文章,作者在参考文献部分进行了备注,希望感兴趣的朋友能够继续去阅读。也希望我们的解读给您带来更多的启发!



原文:

The brain's default network: updated anatomy, physiology and evolving insights

RL Buckner, LM DiNicola - Nature Reviews Neuroscience, 2019 - nature.com

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