默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)機制、功能假設(shè)及臨床應(yīng)用

李雨　舒華

摘要：認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的迅速發(fā)展使得研究者對大腦的功能有了深刻的認(rèn)識。近些年來，研究者對大腦在進(jìn)行外在注意任務(wù)時產(chǎn)生的負(fù)激活有了更多的了解，默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)（Default Mode Network）的概念被提出，并引起了很多神經(jīng)科學(xué)家的關(guān)注，關(guān)于默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)理論也已提出。當(dāng)前綜述對默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的研究歷史，概念理論，個體和種系發(fā)展，及其與疾病的關(guān)系以及臨床應(yīng)用等方面進(jìn)行了概括總結(jié)。未來研究可從默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的個體發(fā)展，種系差異，與其他大腦網(wǎng)絡(luò)（如注意網(wǎng)絡(luò)，視覺網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)）的關(guān)系以及與具體疾病的關(guān)系等角度入手進(jìn)行研究，共同來探討默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)機制。

關(guān)鍵詞：默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)；負(fù)激活；功能連接；臨床應(yīng)用

分類號：B842

1、引言

近些年，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)發(fā)展迅速，取得了豐碩的成果。功能磁共振成像（fMRI）關(guān)注腦區(qū)激活（activation），即大腦活動增加。然而，有一些腦區(qū)包括內(nèi)側(cè)前額葉（medial prefrontal cortex，MPFC），后扣帶回/前楔葉（PCC/Precuneus），角回（angulargyrus，AG）在很多認(rèn)知任務(wù)實驗條件下幾乎不激活。Shulman等人（1997）綜述了相關(guān)正電子發(fā)射斷層掃描（PET）的研究，發(fā)現(xiàn)這些腦區(qū)的大部分在安靜條件下的活動比主動任務(wù)條件下高，被試在進(jìn)行認(rèn)知任務(wù)時，這些腦區(qū)總是表現(xiàn)出負(fù)激活（deactivation）。隨后，Raichle（2001）提出大腦功能“默認(rèn)模式（Default mode）”的概念，以指當(dāng)大腦不加工外在任務(wù)時回歸到基線狀態(tài)（baseline state），并將支持這一功能的腦區(qū)稱之為“默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)（Default Mode Network，DMN）”。這一概念逐漸被其他研究者所接受。

近十年來研究者對默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識越來越深刻，提出了一些重要的理論，相關(guān)的研究日益增多。本文主要綜述默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展。第一，對默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)解剖進(jìn)行簡要介紹。第二，綜述當(dāng)前的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)功能理論。第三，綜述默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的個體與種系發(fā)展。第四，綜述近些年的相關(guān)疾病研究。第五，介紹默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)可能的臨床價值。最后，對未來的研究進(jìn)行預(yù)期與展望。在這之前，先簡要介紹研究默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的方法。

近些年，默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的研究方法主要集中于以下幾種。第一，任務(wù)誘發(fā)激活或負(fù)激活（task-induced activation/deactivation），如進(jìn)行需要外在注意任務(wù)時，默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)激活，而進(jìn)行自我參照加工時，默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)正激活。第二，靜息態(tài)功能連接（resting state functional connectivity，RSFC），這種方法主要考察安靜狀態(tài)下大腦不同區(qū)域低頻血氧信號隨著時間變化而同步活動的程度，以血氧信號同步活動推測其神經(jīng)活動的同步性，主要指標(biāo)是腦區(qū)之間時間序列（time-seriesl信號上的相關(guān)系數(shù)，這種方法可以研究腦區(qū)之間功能整合（Friston，2011）。通常的做法是設(shè)定一個種子點（seed），然后計算該腦區(qū)和其他腦區(qū)的功能連接強度（Koyamaet al.，2011）。第三，低頻振幅（amplitude oflow-frequency fluctuation，ALFF；fractional ALFF，fALFF）和局部一致性（Regional homogeneity，ReHo）（Zang，Jiang，Lu，He，&Tian，2004；Zang etal.，2007），前者是指大腦自發(fā)活動的幅度，幅度越大說明腦區(qū)活動越強烈，后者是指某一個體素（voxel）與該體素周圍的體素血氧信號同步活動的相關(guān)程度。第四，彌散張量成像（diffuse tensorimaging，DTI）技術(shù)，這種技術(shù)主要研究大腦內(nèi)部腦區(qū)之間神經(jīng)纖維的連接情況，包括纖維粗細(xì)，信息傳遞的效率等指標(biāo)，比如連接左右半球的胼胝體（corpus callosum）以及連接布羅卡區(qū)（Brocasarea）和威爾尼克區(qū)（Wernickes area）的弓形束（arcuate fasciculus）就可以通過這種技術(shù)測得，存在纖維連接的兩個腦區(qū)可能共同對某一個功能起作用。第五，獨立成分分析findependentcomponent analysis，ICA），獨立成分分析主要是對整個大腦的低頻血氧信號進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動，分解出不同的靜息態(tài)網(wǎng)絡(luò)（如默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)，注意網(wǎng)絡(luò)，視覺網(wǎng)絡(luò)，感知運動網(wǎng)絡(luò)），網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部腦區(qū)活動具有高度同步性，說明網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部腦區(qū)可能共同對某一功能起作用（Damoiseaux et al.，2006）。第六，以圖論（Graphic Theory）為主的復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)，圖論分析技術(shù)關(guān)注整個大腦結(jié)構(gòu)或功能網(wǎng)絡(luò)，主要衡量指標(biāo)有節(jié)點度（node degree），集群系數(shù)（clustering coefficient），最短路徑長度（shortestpath length），中心度（centrality），模塊化（module）等等，研究發(fā)現(xiàn)人類大腦具有小世界（small-world）屬性和無標(biāo)度（scale-flee）屬性（詳細(xì)信息請參考Bullmore&Sporns，2009；Liang，Wang，&He，2010）。這些技術(shù)和方法為更好地理解默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的活動規(guī)律和功能意義提供了巨大的幫助。

2、DMN的神經(jīng)解剖

默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)是一個大腦系統(tǒng)，它包含一些功能聯(lián)系緊密的腦區(qū)。這些腦區(qū)有后扣帶回/前楔葉（PCC/Precuneus），，內(nèi)側(cè)前額葉（MPFC），雙側(cè)角回（bilateral AG），雙側(cè)外側(cè)顳葉（bilateral lateraltemporal codex，LTC），雙側(cè)海馬（bilateralhippocampus，HF+）（Fox et al.，2005；Raichle et al.，2001）。默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的活動和注意網(wǎng)絡(luò)（attentionnetwork）的活動相互拮抗（anticorrelation）（如圖1）（Fox et al.，2005）。

關(guān)于默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的腦區(qū)定位，功能磁共振成像研究的結(jié)果基本一致。Mazoyer等人（200 1）的PET研究元分析，以及Shannon（2006）分別對區(qū)組設(shè)計和事件相關(guān)設(shè)計的fMRI研究進(jìn)行的元分析得出的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)腦區(qū)均和Shulman等人（1997）的元分析結(jié)果非常相似。Greicius，Krasnow，Reiss和Menon（2003）首次使用靜息態(tài)功能連接分析發(fā)現(xiàn)以默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的重要腦區(qū)后扣帶回/前楔葉為種子點，其與剩下的腦區(qū)都存在功能連接，說明這些腦區(qū)具有同步活動的特性，證實默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的存在。獨立成分分析的研究證明默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的存在，研究發(fā)現(xiàn)對大腦低頻血氧信號進(jìn)行獨立成分分析，可以分離出幾個不同的成分，其中一個成分就是默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)，其覆蓋腦區(qū)與任務(wù)誘發(fā)的負(fù)激活腦區(qū)類似（Greicius，Srivastava，Reiss，&Menon，2004；Damoiseaux et al.，2006）。低頻振幅和局部一致性的研究也發(fā)現(xiàn)默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的靜息態(tài)下的活動顯著高于其他腦區(qū)，具有內(nèi)部活動的一致性，反映了默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)在靜息條件下的新陳代謝較高（zang et al.，2004，2007；Long et al.，2008；Zou et al.，2008）。后來的大量研究包括基于圖論（Graphic Theory）的復(fù)雜腦網(wǎng)絡(luò)研究發(fā)現(xiàn)默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)相對獨立于其他網(wǎng)絡(luò)模塊，其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各個腦區(qū)的功能連接緊密（Fox，Snyde～Zacks，&Raichle，2006；Fair et al.，2008；Supekar et al.，2010；Liang，Zou，He，&Yang，2013），另外還發(fā)現(xiàn)默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中的后扣帶回/前楔葉和內(nèi)側(cè)前額葉是重要的大腦網(wǎng)絡(luò)樞紐（hub）（Bullmore&Sporns，2009）。

默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)活動一致性有其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)腦區(qū)間存在結(jié)構(gòu)連接（Greicius，Supekar，Menon，&Dougherty，2009；Uddin et al.，2010）。Greicius等人（2009）研究發(fā)現(xiàn)PCC和雙側(cè)的MTL，PCC和MPFC存在神經(jīng)纖維連接。van den Heuvel等人（2009）使用神經(jīng)纖維追蹤的方法研究默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的纖維連接，結(jié)果和Greicius等人（2009）的發(fā)現(xiàn)一致，另外還發(fā)現(xiàn)MPFC通過上額枕束（superiorfrontal-occipital fasciculus）和雙側(cè)角回相連。Uddin等人（2010）發(fā)現(xiàn)默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的角回部分存在結(jié)構(gòu)連接分離，角回后部更多地和默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)相連。

默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)是一個完整的大腦系統(tǒng)，這個系統(tǒng)包含幾個重要的腦區(qū)，系統(tǒng)內(nèi)部存在中樞（hub）和亞系統(tǒng)（subsystem）（Buckneg Andrews-Hanna，&Schacter，2008；Andrews-Hanna，Reidler，Sepulcre，Poulin，&Buekner，2010；Andrews-Hanna，2012）。彌散張量成像和功能連接的研究表明默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)在地（intrinsically）由不同的亞系統(tǒng)和核心腦區(qū)構(gòu)成的（Buckner et al.，2008）。研究發(fā)現(xiàn)，PCC似乎是起著一個關(guān)鍵的整合作用，和默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)其他區(qū)域存在顯著的相關(guān)（Fransson&Marrelec，2008），對靜息態(tài)功能連接和DTI數(shù)據(jù)進(jìn)行圖論分析發(fā)現(xiàn)PCC和MPFC在全腦范圍內(nèi)表現(xiàn)出類似中樞的屬性（Hagmann et al.，2008；Bullmore&Sporns，2009），與Liang等人（2013）的發(fā)現(xiàn)一致。Andrews-Hanna等人（2010）使用層次聚類技術(shù)，圖論分析，功能連接的方法直接研究了默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)中樞和亞系統(tǒng)，和之前的研究結(jié)果一致，PCC和MPFC前部表現(xiàn)出最高形式的網(wǎng)絡(luò)中樞角色，并且顯著地和默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部其他腦區(qū)相關(guān)。對其他腦區(qū)進(jìn)行層次聚類發(fā)現(xiàn)，海馬，旁海馬回，壓后皮質(zhì)層，vMPFC和IPL后部組成“內(nèi)側(cè)顳葉系統(tǒng)fmedial temporal lobe（MTL）subsystem）”，而dMPFC，顙頂聯(lián)合區(qū)（TPJ），顳葉外側(cè)，顳極構(gòu)成“背內(nèi)側(cè)前額葉系統(tǒng)（dorsalmedial prefrontal codex（dMPFC）subsysteml”，但是PCC和前部內(nèi)側(cè)前額葉（anterior medialprefrontal cortex，aMPFC）都共同對這兩個系統(tǒng)的功能起作用。這說明默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部具有一致性（convergence）和不一致性（divergence）。

3、DMN的功能理論

默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)在有外在注意任務(wù)的時候負(fù)激活，在進(jìn)行與自我，道德判斷，情景記憶，未來設(shè)想等與內(nèi)部心理有關(guān)的任務(wù)時正激活（shulman et al.，1997；Buckner et al.，2008；Foster，Dastjerdi，&Parvizi，2012；Andrews-Hanna et al.，2010）。而且外在任務(wù)負(fù)載量與默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)激活呈正相關(guān)（supekar et al.，2009；Sala-Llonch et al.，201 1）。默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部區(qū)域的功能連接越強，外在行為表現(xiàn)越好，外在任務(wù)誘發(fā)的正激活腦區(qū)與默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)腦區(qū)的負(fù)向功能連接越強，行為表現(xiàn)越好（Hampson，Driesen，Skudlarski，Gore，&Constable，2006；Wang，Han，He，Liu，&Bi，2012）。

因為大腦被動狀態(tài)下不受任何限制，很難研究默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的活動，所以要知道它的確切功能意義存在很多問題。然而，認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究者依然根據(jù)神經(jīng)影像和電生理的研究提出了默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的理論。Buckner等（2008）提出兩個重要的假設(shè)，默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)有兩個明顯對立的功能：自發(fā)認(rèn)知功能（spontaneous cognition）和外部環(huán)境監(jiān)控功能（monitoring the environment）。這兩個假設(shè)得到了其他研究者的認(rèn)同（Mantini&Vanduffel，2013）。