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社区首页 >专栏 >宏观人脑功能网络的通用分类

宏观人脑功能网络的通用分类

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用户1279583
发布于 2022-11-14 06:38:51
发布于 2022-11-14 06:38:51
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文章被收录于专栏:思影科技思影科技

过去十年中,旨在描述人类连接组特征的研究的激增。这些项目使用非侵入性神经成像方法和先进的分析技术,绘制了大规模系统的大脑区域。虽然人脑是由多个宏观功能网络组成的这一观点在认知神经科学中得到了广泛的关注,但该领域尚未在术语方面的几个关键问题上达成共识。什么构成了一个功能性大脑网络?是否存在“核心”功能网络,如果有,它们的空间形状是什么?什么样的命名惯例?脑功能网络的分类能被描绘出来吗?在这里,我们调查了现有的研究,确定了六种常用的宏观脑网络命名方案和文献中使用的惯例,并在适当的地方突出了不一致和混淆点。我们提出了一个包含解剖学术语和认知学术语的方案。我们认为,随着网络神经科学领域的成熟,形成一种像这里提出的分类法将变得越来越必要,这种分类法可以在各个研究小组之间持续引用。本文发表在Brain Topography杂志。

1. 介绍

随着科学领域的成熟,它们通过采用标准化的术语而形式化。例如,在生物学中,界、门、纲、目、科、属和种等分类学范畴被普遍接受,并被用来交流新的研究成果。在成像神经科学中,标准化三维坐标系统的采用,如Talairach图谱和后来的蒙特利尔神经学研究所(MNI)图谱中使用的系统,为研究人员提供了一种方法,通过使用公共参考点比较不同研究的结果,彻底改变了神经成像。

网络神经科学这一新兴领域旨在通过研究大脑结构和功能网络来理解认知和行为背后的原理和机制。然而,理论的进步并不总是与这些方法的创新和成就同步。例如,“大规模神经认知网络”的概念描述了服从认知和行为的神经结构,这一概念已经持续了近30年。然而,我们还没有对大规模神经认知网络的确切构成给出一个清晰的定义。由于缺乏一致的命名约定,当代网络神经科学是碎片化的。例如以下三个陈述:“带状盖网络包括前额叶皮层、前岛叶/额叶岛盖、背侧前扣带皮层和丘脑”;“岛叶前皮层被认为是突显网络的关键节点,该网络还包括背侧前扣带皮层和其他皮层下和边缘结构”;“腹侧[注意]网络的核心区域包括颞顶结合部……和腹侧额叶皮层,包括额中回、额下回、额叶盖和前岛叶的部分区域”

在所有这些情况中,作者都提到了一个包括前岛叶的功能性脑网络。在这三个例子中,作者使用了特定的术语来指代兴趣网络,并赋予它们不同的功能。当一个人试图整合跨多个实证调查的信息时,术语的传播尤其成问题。事实上,我们可以想象这样一个场景:研究人员可能会搜索调查前岛叶在腹侧注意网络中的作用的研究,但完全不知道使用其他网络术语的相关出版物。

当我们观察大规模的神经认知系统时,有复杂的动力学在起作用,很大程度上的共识被不同的网络特征所掩盖。我们首先简要调查了目前是如何定义脑功能网络的。我们探讨了在宏观尺度上有多少网络被认为是存在的问题,以及它们被认为的解剖结构和动态特性。最后,我们概述了一个建议的通用网络命名方案,或分类法的建议。

2. 功能性脑网络是如何定义的?大脑有多少功能网络?

神经科学的一个基本概念是对大脑区域的定义。脑区由其功能特异性、连通性、架构性和组织形状来定义。在定义大脑区域时,并不是所有的四个标准都符合。神经心理学家和认知神经科学家的大量努力已经描绘出了大脑许多区域的假定功能。相互连接的大脑区域形成了大规模的网络,在宏观尺度上可以观察到。构成一个功能网络的大脑区域之间连接的是典型的统计依赖性,如相关性或协方差。稳定的功能网络可能是由单或多突触的白质连接所支撑的。至关重要的是,组成网络的大脑区域的功能相互作用,包括网络内部和与大脑其他部分的相互作用,导致复杂行为的出现,这可能比每个区域单独的离散计算的相加更有可能。

在图论中,大脑网络的特征是由节点(大脑区域)和边(连接)组成。通过检查成对关联的模式和网络级别的属性,图论在描述大脑结构方面非常成功。然而,并不是所有的图,或以网络统计为特征的大脑网络都是相同的。研究大脑功能网络结构的一种常用方法是检查大小相近的皮层部分之间的功能连通性。然而,节点很少像上面定义的那样构成大脑区域。令人遗憾的是,许多与特定区域的功能相关的细粒度信息都丢失了,因为这些碎片在不考虑它们的任何相关功能或结构属性的情况下被分割并重新组合在一起。这里我们关注功能性脑网络,尽管在考虑结构属性时出现了节点和边缘定义的类似问题。

值得注意的是,不同的网络定义和节点选择过程可能会在文献中造成混淆。在网络构建过程中,大脑区域和特殊种子(感兴趣区域,ROI)选择的不同命名惯例会进一步导致网络神经科学文献中明显的不一致。

问题是大脑有多少功能网络?考虑到大脑网络结构固有的等级结构是不合适的。在神经科学中,组织是在多个层次的分析中观察到的。粗粒度和细粒度的网络都为网络分析提供了有效的解决方案。然而,独立成分分析(ICA)、任务功能磁共振成像的元分析和全脑分割研究为我们的主张提供了基础,即六个网络代表了建立分类法的合理起点。我们建议,该领域应该采用一种通用的命名法。

我们的建议集中在6个功能大脑网络上,它们在任务和静息状态fMRI研究中普遍存在。为了标准化,我们在这里称它们为枕部网络(ON)、中心周围网络(PN)、背侧额顶网络(D-FPN)、额顶外侧网络(L-FPN)、中扣带回-岛叶网络(M-CIN)和内侧额顶网络(M-FPN)(图1)。

图1 脑功能网络的分类。蓝色的名字指的是广义认知领域。这里只描述了每个网络的1-2个核心节点。

我们提出的分类目前是以皮质为中心的。皮层下和小脑节点与我们讨论的每个网络都有明显的关联。在更高的分辨率下,这里识别的6个网络将分解为子系统。重要的是要记住,尽管时变分析可能揭示大脑区域与核心网络外区域的动态关联,但分块系统在更广泛的宏观网络内可能比在宏观网络之间显示出更大的功能关联。

3. 静息态功能连通性

使用一种被称为静息状态功能连接(RSFC)的方法,大规模的大脑网络已经被成功地描绘出来。该方法检查了静止时MRI测量的血氧水平依赖性(BOLD)信号的自发振荡的同步模式。一些最早使用RSFC来描绘宏观脑功能网络的研究使用了ICA。ICA是一种无模型的方法,它将神经成像数据集分解为一组独立的一维时间序列和相关的三维空间地图,这些地图描述了潜在信号的时间和空间特征。许多使用ICA的研究人员在发表的数据中通过字母或数字对衍生成分进行标记,同时推测文本中这些相干系统的可能功能解释。在实践中,网络的“命名”通常是研究人员的一个临时过程,他们可能会也可能不会根据与任务fMRI数据集中看到的激活模式的空间相似性来选择从静息状态fMRI数据中派生的网络。

重要的是,ICA的维度或网络数量可以由用户设置或从数据中估计。因此,不能孤立地使用ICA来确定大规模功能网络的绝对数量。然而,ICA对于生产由功能相连的大脑区域组成的数据驱动组件是有用的。当试图恢复宏观规模的功能网络时,研究人员通常选择低模型阶ICA(例如20个或更少的组件),而不是高模型阶ICA(例如100个或更多的组件)。当目标是实现大脑打包或勾画出用于后续分析的ROI时,使用100个或更多成分。

Yeo等人提出了一种基于静息态fMRI数据的网络识别方案,该方案非常有影响力。Yeo和他的同事使用一种聚类算法将大脑皮层分成功能耦合的大脑区域网络。这里的假设和在类似静息状态fMRI分割工作中,皮质网络可以被定义为具有相似皮质-皮质功能连通性剖面的区域集合。他们继续检验衍生聚类的稳定性,以得到粗(7个网络)和细(17个网络)的解决方案。尽管如此,他们仍然谨慎地表示,对7和17网络解决方案的关注不应被视为暗示替代方案中缺乏有意义的特性。事实上,在同样的工作中,他们证明了多个网络解决方案表现出相似的稳定性水平,强调了这一点,即:通常没有一个正确的解决方案或网络的数量。

关于如何称呼这些网络的问题,作者们非常谨慎。虽然他们提供了与每个网络相关的常见名称,但在一个标题中,他们表示:“这并不意味着我们估计的网络与文献中的网络完全一致,也不意味着网络仅为与其指定名称相关的函数编码。作为启发式参考标签局限性的例子,紫色腹侧注意网络很可能是(或接近)多个网络的集合,在文献中被称为突显网络和带状盖网络网络,而红色默认网络可以被分割。”

类似的警告也可以在其他工作中看到。例如,Farrant和Uddin在他们的研究中指出,虽然一些研究人员认为腹侧注意网络和突显网络之间在功能和解剖学上高度重叠,作为它们是同一系统的一部分的证据,但其他人将这些网络概念化为不同的实体。这种类型的细微差别在广泛的网络神经科学文献中并不总是很明显。由于目前没有普遍接受的网络命名约定,研究人员继续在出版物中采用他们自己喜欢的命名法,导致了网络命名方案的更大不同。

4. 任务-激活和Meta分析

定义功能网络的另一种方法是检查任务共激活的模式,并通过元分析合并这些结果,以发现可靠的网络节点。第一个这样成功的元分析方法使得无处不在的内侧额顶神经网络的发现。在活跃的视觉任务中发现后扣带、下顶叶皮层、内侧前额叶皮层和其他区域的血流明显减少。直到后来,这一区域群才被描述为“默认”活动,随后在其关键节点之间显示出功能连接后被称为默认模式网络。该网络已被可靠地观察到在许多需要视觉空间注意力的任务中被抑制,并被称为“任务负性网络”。这种“否定任务”的命名方式掩盖了内侧额顶默认网络在许多认知形式中的积极作用。元分析证据表明,该网络参与记忆过程,如回忆,以及社会推理。然而,对认知的研究往往被孤立在离散的研究领域,一组共同的协同活动的大脑区域被命名为离散的认知功能,有限的交流和丰富的理解,这些看似不同的功能可能依赖于核心机制。例如:(1)“回忆—对过去事件的定性信息的检索—与一组一致的神经区域的增强神经活动有关……包括:海马体、角回、内侧前额叶皮层、后扣带皮层和中颞回”。(2)“由颞顶联合部、内侧前额叶皮层和楔前叶组成的心智系统,在对抽象的目标、信仰或道德问题做出推断时被激活”。(3)“专门用于语义知识存储和检索的神经系统广泛存在,在人脑皮层中占据了很大比例。参与这些过程的区域可以被分为三大类:后多式联合皮质(AG、MTG和梭状回),具体的多式前额皮层特定亚区域(背侧、腹内侧和下前额叶皮层),以及与海马形成有强烈联系的内侧边缘旁区域(海马旁和后扣带回)”。

在描述不同认知过程的同时,这三个例子中对应的功能神经解剖学都指向内侧额顶叶默认网络。与我们之前以前脑岛为中心的例子类似,对底层网络架构的通用命名法可以丰富这些系统的认知特征。该领域的一些不精确性可以用RSFC网络和任务共激活模式之间的不完全对应来解释。在许多情况下,静息状态网络似乎更广泛地分布在整个皮层,而任务诱发网络往往更受限制。基于这一观察结果的一种推测是,静息状态网络可能代表了大脑模式的全部功能库,从这些模式中,通过减去紧密匹配的控制条件,可以发现任务涉及区域的子集。诸如“认知图谱”和“认知范式本体论”等旨在系统地描述心理过程的项目提供了关键的经验数据,人们可以利用这些数据描绘任务诱发网络。值得注意的是,前面讨论的背侧额顶注意和内侧额顶默认网络大脑区域之间普遍存在的失活模式,可以使用这种元分析方法进行概括。

复杂的认知也可能唤起多个相互作用的网络。RSFC的区域间模式显示,侧额顶叶控制网络中的特定区域与内侧默认或背侧额顶叶注意网络在功能上更一致。这些观察结果与扩展的外侧额顶叶控制网络划分为子系统相一致,根据任务需求有不同的功能对应。

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5. 脑功能网络的通用分类法概述

如上所述,网络神经科学这一新兴领域目前缺乏一致的网络分类法。这尤其有问题,因为它阻碍了与认知神经科学几十年来的发现成功对接。我们看到的唯一补救办法是正式提出一个与人类神经解剖学密切相关的共识命名法。该建议综合了RSFC MRI的观察结果,基于任务的fMRI的可靠功能共激活模式,以及可用的跨模态收敛。我们建议为六个由特定的核心脑区域组成的可靠宏观脑网络命名。对于每一种,我们都提供了一个主要的解剖学标签,以及一个必要的广泛的认知标签。我们强调解剖学网络标签的优先性。我们命名了组成每个网络的核心区域,并注意到其他大脑区域可能通过包括动态从属关系在内的过程参与任何给定的网络。

建议在未来,网络神经科学家和认知神经科学家应该尽可能地努力使用以下命名法,以便为其他对类似问题感兴趣的研究者提供一个共同的参考点。正如所讨论的,我们所描述的核心网络通常可以分成多个子系统,这些子系统可能尚未被完全描述或达成一致。出于简约的考虑,我们建议研究人员在进一步详细说明任何给定的一组发现在多大程度上保证使用额外的命名法来更完整地描述所观察到的网络结构之前,可以使用这里建议的广泛的解剖网络名称。

5.1 解剖学名称:枕部网络(ON) 认知领域:视觉网络

核心区域是枕叶,包括纹状体和纹外皮层(图2)。这个网络也可能包括丘脑的外侧膝状核。认知标签“视觉”被应用到这个网络,因为系统被稳健地观察到参与视觉处理。

图2 枕部网络。

A)中部(120)、枕部(220)、外侧(320)视区。

B)17个网络中的紫色和红色视觉网络。

C)内侧(褐色)和外侧(蓝色)视觉网络

图2展示了枕部网络的几个例子。在寻找任务激活和ICA派生的静息状态网络之间的对应关系时,Smith和同事观察了三个对应于内侧、枕部和外侧视觉区域的地图。仅基于RSFC派生的片段为两种视觉网络(内侧和外侧)提供了证据。综上所述,这些分块研究为至少两个与ON(枕部网络)相关的子系统提供了证据,一个位于更中间的位置,与沿钙质沟的初级视觉皮层相关,另一个位于更侧向的涉及视觉处理的外纹区。

请注意,背侧和腹侧视流可能起源于枕部核心网络。这些流被称为视觉对象感知的“哪里”和“什么”路径。

5.2 解剖名称:中心神经网络(PN) 认知领域:躯体运动网络

中心区域是运动和躯体运动皮层,位于中央沟的前,后。中心周围神经网络的区域还包括并列小叶(补充运动区)(图3)。特征不太明显的区域包括颞上回的听觉皮层,在使用RSFC的研究中,听觉皮层通常被包裹在该网络中。由于该系统在运动过程和体感处理中有良好的记录,因此被称为“躯体运动器”。

图3 中心周围的网络。

A)感觉运动区域在20(左)和70(右)分量。

B) 7个网络中的蓝色网络。

C)手(浅蓝色),脸(橙色)和脚(绿色)的身体运动中枢包含三个网络。另外一个被标记为听觉/运动前/顶叶记忆的网络也被包括在内。

至少有两个子系统可能与PN(中心神经网络)相关联。利用高阶ICA可以观察到左右分离,17个网络中部分网络出现了背侧(手)和腹侧(脸)子系统。在更高分辨率的MRI中,听觉和体感面部区域也可以分离。注意,PN是主要感觉和运动通路的皮层组成部分。

5.3 解剖学名称:背侧额顶叶网络(D - FPN) 认知领域:注意网络

核心区域包括延伸至顶内沟的顶上小叶、中颞复合体(MT+)和推定的前额眼动区(BA8)(图4)。背侧额顶神经网络还包括腹侧前运动皮层。特征较差的区域有:(1)右侧化的背外侧前额叶皮层、(2)上丘。

图4 背侧额顶叶网络。

A)基于左侧顶叶内皮层坐标的共激活图。

B) 7个网络中的绿色网络。

C)背侧注意网络(黄色)。IPS/SPL intraparietal sulcus/superior parietal lobule, FEF frontal eye fields, IFJ=inferior frontal junction.

D)背侧注意网络(绿色)。

请注意,该网络的解剖学名称与Corbetta和Shulman最初提出的名称相同。由于该系统在视觉空间注意中的广泛作用,这个网络被贴上了认知标签“注意”。该系统的功能包括先前确定的“背侧额顶叶网络”的过程,该过程准备并应用自上而下的刺激和反应选择。

5.4 解剖学名称:额顶外侧网络(L - FPN) 认知领域:控制网络

核心区域是外侧前额叶皮层沿着额中回和顶叶前下小叶,进入顶叶内沟。额顶外侧网络的区域还包括扣带中回(图5)。特征较差的区域有:(1)楔前叶背侧;(2)颞下叶后,MT+前;(3)丘脑背内侧和尾状核头部。这个网络有时可以被分为左右侧系统,特别是使用ICA分析时。L-FPN的认知标签是“控制”,因为该系统在大脑信息流的执行、目标导向和控制中起着广泛的作用。该系统的功能包括:目标导向认知、工作记忆、抑制和任务切换等执行功能。

L-FPN的子系统也根据它们与其他系统的功能关系进行识别。其中一个子系统优先连接M-FPN,而第二个子系统优先连接D-FPN的区域。L-FPN中显示优先连接内侧额顶叶默认网络的区域与内向性、认知控制和注意过程的控制有关。相比之下,与D-FPN相连的区域与刺激驱动或外部导向的认知过程的控制有关。该子系统架构的进一步证据来自于最近的研究,结果发现这些子系统显示出不同的基因表达模式。

图5 额顶外侧网络。

A)“左额顶和右额顶”(920和1020)。RSN静息态网络,BM BrainMap元分析激活图。

B)7网络包中的橙色网络。

C)来自元分析的认知控制/执行功能网络。

D)额顶叶网络(黄色)。

L-FPN的不同版本也被称为:中央执行(或执行控制)网络、多需求系统、外部模式网络、领域通用系统、额顶叶控制网络和认知控制网络

5.5 解剖学名称:中扣带回-岛叶网络认知领域:突显网络

核心区域是双侧前岛叶和前扣带中皮层。中扣带回-岛叶网络的区域还包括特征不太明显的区域,如顶叶下皮层、右侧颞顶叶交界处和外侧前额叶皮层,以及皮层下结构(图6)。

图6 中扣带回-岛叶网络。

A)突显网络。

B)腹侧注意网络不同节点的功能连通性。

C)腹侧注意网络。SMG边缘上回,STG颞上回,IFJ额下回,IFG额下回,脑岛。

D)皮质-皮质下图谱中的扣带回-岛叶网络(紫色)。

E)扣带回-岛叶、突显和腹侧注意网络

这个网络在识别重要信息或突出信息方面发挥了广泛作用,因此被贴上了认知标签“突显性”。突显性处理涉及到对行为相关的环境刺激的检测,可能包括内部产生的(即记忆)信息。虽然“突显网络”一词起源于静息状态fMRI数据的分析,但该描述词与与主观突显性相关的内稳态、情绪和认知因素的任务fMRI发现一致。

M-CIN还包括了“带状盖网络”,该网络最初被描述为一个涉及集合维持活动的系统。相比之下,突显网络的命名来自于研究,研究表明前岛叶在检测突显刺激和启动控制信号时具有短暂作用。一项研究表明,对瞬间调整的需求增加与扣带中部和前岛叶的阶段性活动有关,这与中扣带回-岛叶突显网络作为一个重要信息快速传输系统的概念一致。

在神经科学文献中,M-CIN被称为“共情网络”,因为痛觉疼痛和共情疼痛都在脑岛和扣带中皮层产生激活。在其他研究中,这种网络被称为“目标优先网络”。基于少量受试者重复测量的分组描述了带状盖、突显和腹侧注意网络之间的分离,而基于数百名受试者的分组则结合了突显性和腹侧注意网络。这些发现可能代表了个体连接组和群体平均方法的分歧。在更广泛的M-CIN中,有必要对可能的离散子系统进行进一步的研究。

5.6 解剖学名称:内侧额顶叶网络(M - FPN) 认知领域:默认网络

核心区域是内侧前额叶皮层、后扣带皮层和下顶叶的后部。M-FPN的区域还包括额下回、颞中回、颞上沟和海马旁皮层。特征较差的区域有:(1)分别位于后扣带背侧和腹侧、楔前叶和脾后皮层;(2)海马;(3)额上回/中回;(4)前额叶和前颞叶;(5)颞顶交界处(图7)。

图7 内侧额顶叶网络

A)后扣带为种子的功能性连接。

B)默认模式网络(420)。RSN =静息状态网络,BM=脑图元分析激活图。

C)默认网络中不同节点的功能连通性。

D)默认网络的内侧颞子系统(绿色)、背内侧子系统(蓝色)和核心(黄色)。

E)皮质-皮质下图谱中的默认网络(红色)和相邻语言网络(蓝绿色)。

F)默认网络(红色).

由于对M-FPN的广泛核心功能仍然缺乏共识,“默认”这个认知标签被保留了下来。识别该网络的认知功能的一个主要困难在于其区域与运动和感知输入在大脑组织方面的相对遥远。该网络可能涉及基于当前目标状态的联想表示的形成、时间绑定和动态重构。该网络还检测内部和外部刺激的关联相关性,为感知事件提供价值编码和细化。其他的说法认为M-FPN功能适应预测编码、语义关联,并发挥持续监测环境的作用。在界定这个系统的核心功能方面显然还有大量工作要做。

在宏观尺度上,M-FPN包括先前因其在语义认知和叙事理解与建构中发挥作用而被确定为语义系统和语言网络的区域。前颞叶和眶额皮层有时被称为“边缘网络”也包含在M-FPN中。M-FPN的功能子系统已经通过RSFC和任务fMRI进行了识别(图6d)。其中一个子系统在神经解剖学上被称为内侧颞叶子系统。这个子系统对应于包括回忆在内的认知过程,因此获得了“核心网络”或“核心回忆网络”的标签,但它也涉及到想象、未来思考、反事实推理和以走神和自发思维为中心的上下文联想处理。背内侧前额叶子系统也被称为心智系统,因为它在推断精神状态中起着重要作用。

6. 突出问题和未来方向

关于我们提出的网络分类法,有几个重要的考虑和悬而未决的问题应该得到承认。在这里,我们专注于宏观尺度的功能网络,并强烈强调来自RSFC和任务激活功能磁共振研究的证据。我们注意到,在开发和采用通用分类法的过程中,功能连通性动态的持续发展、对个体间差异性的解释和不完整的描述仍然是重大挑战。

正如我们一直提到的,一个简化的假设是静态的宏观人脑网络可以被描绘和描述。然而,最近的研究强调了功能连接的时变性质,以及考虑大脑网络的时间属性的重要性。对这一现象的早期观察包括Chang和Glover的工作,他们证明后扣带皮层与大脑的其他部分具有可变的功能连接,因此通常观察到的M-FPN与其他额顶网络之间的负相关不应被视为静态的。一些人提出了利用功能网络时变属性进行打包的方法,揭示了“代表性主导模式”,尽管这些方法有待进一步验证。尽管对动态功能连通性的解释存在争议,对脑动力学的考虑仍然是未来网络分类描述研究的一个有趣的方向。

大脑功能区域的精确空间位置上,个体之间存在着很大的差异。使用任务功能磁共振成像对大脑区域进行特定的功能定位,为确定更广泛的网络联系提供了一种解决方案,这可以有意义地预测个体行为差异。最近的研究表明,个体特定大脑网络的空间排列(如地形)和大小可以预测人口统计学(如性别)和行为。全脑方法从RSFC的模式确定脑功能区域的个别位置,可能对检测RSFC与个体行为差异的关联更敏感。此外,一些人认为,当在被试内和使用高分辨率数据进行检查时,网络子系统可能是完全分离的,而不是简单地重叠。在一个这样的例子中,背侧、外侧和内侧额顶神经网络被发现在被试体内分别代表两个完全可分离的神经网络,这一想法值得进一步研究。最后,对任务功能磁共振成像(fMRI)的分析表明,受试者之间和任务条件的变异性可能受到数据分辨率的影响,例如,当从低分辨率移动到高分辨率时,由人与人之间的差异解释的激活映射的方差增加,而由任务条件解释的方差减少。在这里提出的分类法的未来迭代中,必须考虑围绕学科间可变性的所有这些考虑因素。

在提出的六网络分类法中,许多皮层区域没有被分类,而此时皮层下区域也没有被完全纳入。我们的分类最明显地排除了腹颞叶皮层。在最近的方案中,这些区域被描述为“腹侧多模式”带。未来的工作将进一步结合全脑特征,包括:皮层下、小脑和脑干结构将是必不可少的。

由于这些命名约定不太可能立即取代迄今为止使用的命名约定,因此我们提出了一个简单的过程,通过这个过程可以采用向此处提出的分类法的过渡。在未来的研究中,一些研究人员可能仍然希望使用他们最喜欢的命名法来命名他们感兴趣的网络,以便与以前的工作保持连续性。但是,我们敦促他们也应包括我们在这里介绍的术语。进一步说,我们建议网络不要以一种受欢迎的认知功能命名,特别是当仅仅基于任务诱发的激活模式时。我们希望这里概述的建议在网络神经科学和认知神经科学领域被采用。

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6330
静息态功能磁共振成像:关于静息态功能连接和脑网络分析方法
‍ 自诞生之初,人类就对大脑中发生的事情充满好奇。功能磁共振成像是一种重要的工具,它有助于无创地检查、定位和探索大脑的语言、记忆等功能。近年来,神经科学研究的焦点明显转向了“静息态”下的大脑研究。重点是在没有任何感官或认知刺激的情况下大脑内部的内在活动。对静息态下大脑功能连接的分析揭示了不同的静息态网络,这些网络描述了特定的功能和不同的空间拓扑结构。虽然不同的统计方法被引入到静息态功能磁共振成像连接性的研究中,但得到了一致的结果。在本文中,我们详细介绍了静息态功能磁共振成像的概念,然后讨论了三种最广泛使用的分析方法、描述了几种具有脑区特征的静息态网络及相关认知功能、静息态功能磁共振成像的临床应用。本综述旨在强调静息态功能磁共振成像连接性研究的实用性和重要性,强调其与基于任务的功能磁共振成像的互补性质。本文发表在The Neuroradiology杂志。
用户1279583
2022/02/28
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静息态功能磁共振成像:关于静息态功能连接和脑网络分析方法
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
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:
用户1279583
2019/09/29
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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
nature reviews neuroscience重磅综述:大规模人脑网络的结构-功能耦合
大脑的解剖结构如何精确地产生一系列复杂功能仍未完全理解。从结构到功能的映射中一个有前途的表现是大脑区域的功能活动依赖于潜在的白质结构。在这里,我们回顾了研究宏观尺度结构和功能连接之间的联系的文献,并建立了结构-功能耦合(SFC)如何比单独的特征提供更多有关大脑基本运作的信息。我们首先定义SFC,并描述用于量化它的计算方法。然后,我们回顾了研究异质SFC表达的经验研究,跨不同大脑区域、不同个体、在执行认知任务的背景下以及随时间变化的情况,以及其在促进灵活认知中的作用。最后,我们调查了结构和功能之间的耦合在神经学和精神疾病中受到的影响,并报告了异常SFC与疾病持续时间和疾病特定认知障碍的关联。通过阐明大脑结构和功能之间的动态关系在神经学和精神疾病存在时如何改变,我们的目标不仅是进一步了解它们的病因,还要将SFC确立为疾病症状和认知表现的新敏感标记。总的来说,这篇综述汇总了关于神经典型和神经非典型个体的人类大脑宏观结构和功能之间区域相互依赖的当前知识。
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2024/11/25
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Brain:楔前叶的功能
计算方法和神经成像技术的最新进展改进了我们对楔前叶的理解。虽然以前认为楔前叶在很大程度上是一个视觉处理区域,但由于在这个深层区域缺乏局灶性病变,以及对其真正的潜在解剖结构的了解不足,楔前叶在复杂认知功能中的重要性以前不太为人所知。幸运的是,最近的研究揭示了该区域结构和功能连通性的重要信息,这些数据为楔前叶在健康和病理状态下的重要性提供了更详细的机制理解。通过改进的静息状态功能MRI分析,我们已经清楚,基于楔前叶与大尺度脑网络的功能关联,可以更好地理解楔前叶的功能。近年来,双默认模式网络系统在支持情景记忆和心理理论方面得到了很好的解释;然而,一种新的“旁扣带”网络,它是更大的中央执行网络的一个子网络,在自我差异过程和相关精神症状中可能起着重要作用,需要进一步澄清。重要的是,对扣带皮层内外楔前叶结构连接的详细解剖研究表明,存在大的结构白质连接,这为该区域的结构-功能意义及其与大规模大脑网络的关联提供了额外的意义。总之,楔前叶的结构-功能连接提供了可以模拟各种神经退行性疾病和精神疾病(如阿尔茨海默病和抑郁症)的核心要素。
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2023/09/22
6280
人类眶额皮层、vmPFC和前扣带回的有效连接:情绪、记忆和行动
人类眶额皮层、腹内侧前额叶皮层(vmPFC)和前扣带回参与奖赏处理,因此参与情绪,也与情景记忆有关。为了更好地了解这些区域,我们在来自人类连接体项目的172人中测量了360个皮层区域和24个皮层下区域之间的有效连接,并补充了功能连接和扩散束造影。眶额皮层从味觉、嗅觉和颞叶视觉、听觉和颞极皮层区域都有有效连接。眶额皮层与前扣带回膝部和海马体系统有连接,并提供了用于记忆和目标导航的奖赏反映。眶额皮层和扣带回膝部与上前扣带回有连接,该皮层投射到中扣带回和其他运动前皮层区域,并提供行动-结果学习,包括肢体退缩或对抗厌恶和非奖励刺激。外侧眶额皮层有输出到额下回的语言系统。内侧眶额皮层连接到Meynert基底核和上前扣带回连接到隔膜,这些皮层区域的损伤可能通过破坏新皮层和海马体的胆碱能功能而导致记忆障碍。
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2023/04/11
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Science:前额叶皮层在哺乳动物上的解剖学异同
在20世纪60年代,神经科学开始作为一个统一的学术领域出现。到目前为止,我们已经对神经系统的理解取得了巨大的进步,这得益于神经科学知识和其他学科技术的高度融合,以及大脑研究与其他生物科学之间的联系。现代神经科学不仅是一个蓬勃发展的科学领域,而且已经上升到科学和公众利益的前沿。现代神经科学的一个中心目标是描述神经系统如何激活和控制行为。系统神经科学结合了不同层次的分析,以探究神经元和环路是如何支撑行为的神经计算的。最近开发的分子和遗传工具使科学家能够记录、观察、破坏和提供选定神经元群体的内源性活动模式,同时检查对行为和生理的影响。因为这类研究需要进行基因干预的动物研究,所以小鼠(家鼠)已被广泛用作神经科学中的模型动物。尤其考虑到现在世界各地对非人类灵长类动物研究的限制不断增加,这可能会导致世界大多数地区越来越关注啮齿动物的研究。因此,未来在啮齿动物(这里,仅限于小家鼠和褐家鼠)和其他啮齿类动物之间进行研究结果的转换变得越来越重要。在这一点上,一个核心的问题是围绕不同物种间的解剖术语和概念定义的共识展开的。在这个问题上,一个突出的脑区是前额叶皮质,到目前为止,该脑区的结构和功能在许多方面都特别难以达到不同物种间的调和。本文对此问题进行了阐述,文章发表在Science杂志。
用户1279583
2022/02/28
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Science:前额叶皮层在哺乳动物上的解剖学异同
睡眠有助于巩固复杂问题解决技能的记忆痕迹
睡眠巩固了程序性运动技能的记忆,海马-纹状体-皮质网络的睡眠依赖变化反映了这一点。其他形式的程序性技能需要获得一种新的策略来解决问题,这需要使用重叠的大脑区域和包括尾状核和前额叶皮层在内的特殊区域。睡眠优先有利于策略和解决问题的能力,而不是伴随的运动执行动作。然而,目前还不清楚如何从睡眠中获得新的策略。在这里,参与者需要执行一系列动作来学习新的认知策略。参与者在完成这项任务的同时,在整晚睡眠、白天小睡或清醒的间隔时间前后接受功能磁共振成像(fMRI)。参与者还执行了一项运动控制任务,这排除了学习策略的机会。通过这种方式,我们从特定策略的激活中减去了与运动执行相关的大脑激活。在基于策略的任务中,睡眠和小睡组的行为表现比清醒组有更大的改善。在睡眠之后,我们观察到,与清醒时相比,大脑尾状核以及海马体-纹状体-皮质网络的其他区域的激活增强。这项研究表明,睡眠是一段特殊的时间,可以增强解决问题所需的新获得的认知策略。
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2022/06/20
4710
聊一聊Brodmann大脑皮层分区
近些年来,随着高分辨率的MRI技术的兴起,各种大脑皮层分区方式“盛行”,但这似乎并不能撼动Brodmann分区的“江湖地位”。虽然有些研究者对Brodmann分区提出了批评,但是仍有很多研究者在脑科学不同方向研究中在使用Brodmann分区,甚至它已经成为脑科学领域“根深蒂固”的内容。举个简单的例子,我们在论文中讨论某个脑区时,往往会同时标注这个脑区对应于哪个Brodmann分区。本文,笔者通过查找相关文献资料,提供了两幅Brodmann分区图谱示意图,并把每个Brodmann分区对应的脑区进行了整理翻译,方便大家在需要时进行查询。
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2020/11/13
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聊一聊Brodmann大脑皮层分区
从时间变异性角度看睡眠剥夺后的异常动态功能连接
睡眠剥夺(SD)在现代社会非常普遍,被认为是几种临床疾病的潜在因果机制。先前的神经影像学研究已经利用磁共振成像(MRI)从静态(比较两个MRI会话[一个在SD后和一个在休息清醒后])和动态(在SD的一个晚上重复MRI)的角度探索了SD的神经机制。最近的研究主要集中在静息状态扫描时的动态脑功能组织。本研究采用一种已成功应用于许多临床疾病的新指标(时间变异性)来检测55名正常青年受试者SD后的动态功能连接。我们发现,睡眠不足的受试者在大范围的大脑区域表现出区域水平的时间变异性增加,而在几个丘脑亚区域表现出区域水平的时间变异性减少。SD后,参与者在默认模式网络(DMN)中表现出更强的网络内时间变异性,在许多子网对中表现出更强的网络间时间变异性。通过逐步回归分析发现,视觉网络和DMN之间的网络间时间变异性与精神运动者警觉测验最慢的10%反应速度呈负相关。综上所述,我们的研究结果表明,睡眠不足的受试者表现出异常的脑功能动态结构,这为研究睡眠不足的神经基础提供了新的见解,有助于我们理解临床障碍的病理生理机制。
悦影科技
2022/10/10
7330
European Heart Journal:边缘和自主神经加工改变支持心碎综合征的脑神经机制
请点击上面“思影科技”四个字,选择关注我们,思影科技专注于脑影像数据处理,涵盖(fMRI,结构像,DTI,ASL,EEG/ERP,FNIRS,眼动)等,希望专业的内容可以给关注者带来帮助,欢迎留言讨论及转发推荐,也欢迎了解思影科技的课程及数据处理服务,可添加微信号siyingyxf或18983979082进行咨询(咨询电话18580429226,杨晓飞)。(文末点击浏览)
用户1279583
2020/09/24
5370
European Heart Journal:边缘和自主神经加工改变支持心碎综合征的脑神经机制
读文万卷019期:内部控制信念在结果评估期间塑造积极情绪以及相关的神经动力学研究;多发性硬化症的应激性脑活动、脑萎缩和临床残疾
欢迎关注思影科技的读文万卷栏目,希望读文万卷栏目可以伴随思影的读者们共同成长,如果能给我们一个转发,一定是对思影的莫大帮助和鼓励,谢谢!
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2020/05/25
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读文万卷019期:内部控制信念在结果评估期间塑造积极情绪以及相关的神经动力学研究;多发性硬化症的应激性脑活动、脑萎缩和临床残疾
综述文章:支持自闭症谱系障碍青少年灵活认知和行为的大脑机制
认知灵活性使人们能够对不断变化的环境做出适当的反应,并与积极的生活结果有关。随着对向独立生活过渡的日益关注,青春期对自闭症谱系障碍(ASD)的青少年提出了特别的挑战,他们在面对挑战时往往难以灵活地作出行为。本文综述了青少年灵活认知发展的大脑机制,以及这些神经系统是如何影响ASD的。任务转换和设置转移的神经影像学研究为ASD个体在认知灵活性任务执行过程中非典型的外侧额顶叶和中扣带岛叶网络激活提供了证据。最近的研究也探讨了内在的大脑网络动态如何支持灵活的认知。这些动态功能连接研究为青少年ASD患者脑状态间转换数量的改变以及功能连接的高变异性提供了证据。该领域的未来发展方向包括:利用生态效度和结构效度相结合的度量方法来测量认知灵活性。ASD患者执行功能能力的异质性也必须进行分析,以确定哪些个体将从提高灵活性的针对性训练中受益最大。青春期激素对ASD青少年脑网络发育和认知成熟的影响是另一个需要进一步探索的领域。最后,双语可能与ASD保留的认知灵活性有关,这一有趣的可能性有待进一步研究。解决这些开放性问题对于未来ASD青少年认知和行为灵活性的转化神经科学研究至关重要。
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2021/05/23
5590
综述文章:支持自闭症谱系障碍青少年灵活认知和行为的大脑机制
幻听中语言网络、听觉网络和记忆网络的交互障碍
听觉言语幻觉(AVH,也就是幻听)在精神病患者中出现,但也作为其他病症的一种症状,甚至在健康人中也存在。目前关于AVH起源的几种理论趋于一致,神经影像学研究表明,语言、听觉和记忆/边缘网络具有特殊的相关性。然而,这些理论与实验证据间的统一性是缺失的。也就是说,影像学发现的证据是零散的,并未与系统的理论之间构成严密的逻辑关系来支撑或者反对某种理论。
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2020/02/24
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Nature Reviews Neuroscience重磅综述:认知和行为的灵活性-神经机制和临床考虑
摘要:认知和行为的灵活性允许思想和行为的适当调整,以响应不断变化的环境需求。在对动物进行药理学和损伤研究的同时,利用非侵入性神经成像和行为方法对人类的大脑机制进行了检查。这项工作已经确定了包括侧脑区、眶额顶叶区、中扣岛区和额纹状体区在内的大规模功能性大脑网络,这些区域在整个生命周期中都支持灵活性。在早期的神经发育障碍、青春期出现的临床症状和老年痴呆症中,灵活性可能会受到损害。我们严格评估通过认知训练、身体活动和双语体验来增强灵活性的证据。
悦影科技
2021/11/11
8380
DMN:大脑的默认网络
这篇文章综述由世界著名的脑成像专家Marcus E.Raichle教授撰写,Raichle 教授来自圣路易斯华盛顿大学(Washington University in St Louis),他和他的研究团队在PET及fMRI研究中做出来了巨大的贡献,作为一个脑功能及脑网络研究工作者,非常有必要了解Raichle教授及他的团队所在做的工作:请你猛戳以下链接—https://sites.wustl.edu/nillabs/people/marcus-e-raichle/,认真的了解一下Raichle教授在脑功能及网络研究中所做出的巨大贡献。
用户1279583
2019/07/01
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DMN:大脑的默认网络
HBM:冒险倾向调节冲动性对大脑功能连接的影响
冲动性和感觉寻求被认为是冒险性行为中最重要的人格特质,人格特质和脑功能连接之间联系是否取决于个体的冒险倾向呢?本研究利用DOSPERT-30问卷和机动车模拟驾驶来测量冒险倾向,将被试分为有、无冒险倾向两组,利用EEG测量结果分析在有无冒险倾向两组之间7个主要的脑功能连接网络之间的关系与冲动性和感觉寻求人格之间的联系是否在存在差异。在冒险倾向组中,缺乏预先计划时腹侧注意和边缘网络之间的耦合增强;同时,情感追求增强额顶叶神经网络和默认模式网络(DMNs)之间的耦合。最终,缺少持久性对边缘网络的前颞节点(anteriortemporal nodes)的耦合有积极作用,但是对某些额顶叶神经网络和DMNs之间的额极耦合有消极作用。总之,冒险性倾向对冲动性人格相关的脑功能活动有调节作用,使得脑神经网络处于更倾向即刻、自动、或者不适当的反应的状态。
悦影科技
2021/04/22
6690
HBM:冒险倾向调节冲动性对大脑功能连接的影响
AJP综述:额极皮层作为成瘾治疗中神经调控靶点的证据
非侵入性脑刺激技术,如经颅电刺激(tES和TMS)是新兴的神经调控疗法,被用于靶向物质使用障碍的神经基质。截至2022年底,已发表了205项tES或TMS治疗药物使用障碍的试验,结果不同,对最佳靶脑区仍未达成共识。由于神经成像研究数据库的扩大,新的系统综述,以及因果大脑映射的改进方法,最近的工作可能有助于阐明应用刺激的位置和如何应用。尽管之前的大多数临床试验针对背外侧前额叶皮层,积累的数据强调额额叶皮层是物质使用障碍经颅脑刺激的一个有前途的治疗靶点。这种方法得到了多模态证据的支持,包括基于病变的图、基于功能MRI的图、tES研究、TMS研究和剂量-反应关系。本文综述了针对额极皮层区,根据脑状态、特征和电场分布模式的个体间差异来调整治疗的重要性。这一趋同的证据支持了通过背景、目标、剂量和时间维度来优化治疗的潜力,以改善药物使用障碍患者经颅脑刺激的临床结果。
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2024/05/21
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整个生命周期的凸显网络动态功能连接特性
岛叶皮层和前扣带皮层共同组成显著或中扣带-岛叶网络,参与发现显著性事件和启动控制信号来调节脑网络动力学。凸显网络和大脑其他部分之间的功能耦合在多大程度上由于发育和衰老而发生变化,目前还没有被探索。在本文中,我们研究了凸显网络的动态功能连接(dFC)在一个大寿命样本(n = 601;6岁85岁)。滑动窗口分析和k-means聚类分析揭示了由凸显网络形成的dFC的五种状态,它们要么具有广泛的异步性,要么具有凸显网络与其他脑区之间不同的同步模式。我们确定了每个状态和主体的频率、停留时间、总过渡和特定状态到状态的过渡,并根据主体的年龄回归度量来确定生命周期趋势。凸显网络与大脑其余部分之间的低连通性为特征的动态状态在年龄、频率和驻留时间之间具有很强的二次正相关关系。另外的频率,停留时间,总转变,以及状态到状态的转变趋势在其他凸显网络状态被观察到。我们的研究结果强调了凸显网络的亚稳态动力学及其在认知关键脑区成熟中的作用。
悦影科技
2022/03/18
5550
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