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默认模式网络下的自动化信息处理

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近日,来自剑桥大学的Deniz等人在PNAS上发文,主要讲述了DMN网络对个体自动信息处理的控制。个体在一系列复杂的心理过程中,会有一系列的自动化决策和行动控制,从而为个体提供对环境的高效适应性响应。利用认知灵活性任务,研究发现DMN的大脑区域在这种 “自动模式”的行为中起着至关重要的作用。其能够使得个体在可预见的环境下,快速地进行恰当的回应。研究发现,在应用学习规则时,DMN网络显示出更大的活动和连接性。此外,研究发现这个网络与海马区以及初级视觉皮层之间的功能连接强度与反应时间相关。这些发现表明了人脑DMN的基于记忆的“自动模式”,这项研究可能对我们目前对健康和适应性大脑处理的理解有重要意义。

尽管有越来越多的证据表明DMN的结构和功能连接和各种神经精神疾病和神经退行性疾病有相关性,但是DMN在人类认知中的确切作用仍然是未知的。因此,该项研究的主要目的是为DMN对认知灵活性的外部导向、注意力要求、目标导向、非自我参照的任务的表现提供证据,并概述一个通用框架,在此框架内,它可以为适应性认知做出贡献。总的来说,这些发现暗示了DMN参与了个体的自动信息处理过程。

实验数据和方法

被试由28名健康的右利手成年人组成(22-34岁,平均=26.8,SD=2.8,女性与男性比率13/15),平均全国成人阅读测试(NART)得分为121.22(SD=3.17)),实验数据利用Siemens MAGNETOM 3T扫描获得,EPI序列由WCST获得。

在实验中,研究调整了一种常用的认知灵活性任务——威斯卡分类任务(WCST),用以创建不同需求的实验环境,从而获取在自动决策中使用的学习信息。总共有28名健康的参与者被出示了4张参考卡,以及一张从60张卡片中抽出来的交替目标卡。该任务的目标是使用一组规则和反馈来表示选择的准确性(图1A),从而将目标卡排序到一个参考卡片上。当任务的排序维度包括颜色、形状和数字时,利用标识作为控制条件的规则;即目标卡与其中一种参考卡片是相同的。每条规则都被重复进行4次,总共有16条规则的10个试次。在每10次试验之后,他们没有被告知新的排序维度。因此,在规则改变后的最初几次试验中,参与者必须依靠反馈来推断环境,并进行适当的选择。一旦规则建立起来,参与者就可以依靠记忆中的学习反应来选择合适的卡片,这里被称为“应用”阶段。在完成了一半的试验后,我们将任务分成两个阶段,分别生成单独的子集:1-5试次和6-10试次 ,分别为“获取”和“应用”。基于DMN的自动控制功能,我们假设:(1)DMN区域在应用阶段相对于规则获取阶段更活跃;(2)在认知灵活性任务的规则应用阶段,DMN的连通性将被改变,来反映该网络的差异贡献;(3)DMN区域的更大的功能交互可以预测更快更准确的决策,特别是在应用阶段。

图1. 实验设计、行为和大脑活动结果图。(A)在一次试验中,除了4张永久的参考卡片外,参与者还被出示了一张从60张卡片中选出的目标卡片。在“Sort”提示符之后,给定的排序维度(颜色、形状、数字或身份)的10个测试。在每一项试验中,参与者都得到了表示选择的准确性的反馈。(B)与控制条件相比,在任务条件下,正确响应的百分比较低,响应延迟较长。进一步划分这些结果,与任务和控制条件(SI附录,表S2)的应用阶段相比,参与者在获取阶段中表现得更差(表示P小于0.0001,错误条代表SE)。(C)任务组块的对比显示,活动集中在一个广泛的大脑区域系统,包括与额顶叶、背侧、脑叶、视觉和视觉网络(SI附录,表S3)相关的区域。

结论

根据我们对任务行为分类的预期,参与者在获取阶段的准确性不高,平均水平为91.92%,而在应用阶段,平均为98.94%。(图1b)这些结果表明,在新的环境要求下,参与者在寻找正确答案的过程中既不精确又缓慢,而一旦获得了规则,他们的反应就会更快更准确,显示出针对具体的环境建立相应的学习的决策。在演示了行为表现的预期差异之后,下一步是研究认知灵活性任务的获取和应用阶段之间的大脑活动的相对差异。类似于在认知任务中观察到的大脑区域(图1c),研究发现,与任务的应用阶段相比,在获取阶段,高度对称的双侧前额叶、岛叶、皮层和小脑等一系列脑区活动更为活跃(图2a);与获取阶段相比,在应用阶段,研究也发现了一系列区域的显著变化(图2b)。

图2. 在认知灵活性任务的获取和应用阶段,不同的大脑区域的不同任务诱发活动剖面。 (A)获取>应用显示了前额叶与背部视觉区的联系,(B)获取<应用显示更大的活动区域,通常与默认模式有联系(如后扣带皮层(CC);腹内侧前额叶皮层(vmPFC)]和somatomotor网络)(SI附录表S4和S5)。

为了验证不同网络在不同任务下与全脑的交互,研究构建了这两个网络的FC,研究首先测试了DAN网络在获取和应用下的WCST, 与应用阶段相比,DAN在获取阶段中,与中/颞上、下/上/上顶叶的连接发生了改变(图3A)。接下来,使用DMN中心左后扣带皮层/楔前叶区域的种子点。对DMN在任务的两个阶段的连接进行了研究,观察到双岛环路和右前辅助运动区域的连接减少以及与DAN的区域连接的增加(图3b).

图3. 在认知灵活性任务的获取和应用阶段,背注意力和默认模式网络的功能连接模式发生了改变。两个网络的连接映射在两个阶段的任务。而(A)DAN包括额叶和下顶叶沟,(B)DMN包含后扣带,内侧前额叶皮层,双边角脑回、额上回、内侧颞叶结构。(A)与应用阶段相比,在获取阶段,DAN在左中间/颞顶叶脑回(SI附录、表S6-S8)的连接降低。(B)获取阶段相比,在应用阶段的DMN显示后扣带皮层/楔前叶,腹内侧前额叶皮层,和左角回脑脊髓更强的连接。

对于WCST的两个阶段,为了研究DAN和DMN区域发生的改变,研究对这两个网络在各自的阶段的连接是否与行为表现有相关进行了验证。研究结果表明,在获取阶段,FEF与somatomotor区域之间更强的连接与更快的反应时间具有极强的相关(图4a)。但是这个联系没有在应用阶段被发现(图4b),DMN也在获取阶段发现了性能和时间的相关性(图4c),以及在应用阶段的相关性不足(图4d)。

图4. 在认知灵活性任务的获取和应用阶段,大脑和行为相关的双重分离。(A)在获取阶段,DAN表现出极好的相关关系(P < 0.0001)。(B)在应用阶段,没有在任何脑区发现相关关系。(D)DMN在获取阶段具有很好的相关性(P < 0.0001)。(C)然而,在应用阶段没有发现这种相关性。

讨论

基于研究结果,研究认为DMN可能有助于产生一种“自动模式”,这种模式利用基于记忆的预测来帮助进行决策;而控制网络则涉及到一种“手动模式”,当DMN无法可靠地预测环境时,它将覆盖自动系统。这种前瞻性的大脑功能提供了一个重要的框架,来支持社会互动(如心理理论、直觉、和刻板印象)、自我感、创造力、以及各种各样的其他需要利用所学信息来预测周遭世界的认知领域。因此,未来的研究可进一步评估DMN在决策过程中可能扮演的潜在角色,以及它在成瘾、强迫症或抑郁症等障碍中的潜在作用。

参考文献:Vatansever D, Menon D K,Stamatakis E A. Default mode contributions to automated informationprocessing[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2017:201710521.

本文分享自微信公众号 - 思影科技(siyingkeji),作者:杨晓飞

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原始发表时间:2017-11-27

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