控制網(wǎng)絡(luò)和hubs

執(zhí)行控制功能與大腦額葉、頂葉、扣帶回和腦島區(qū)域交互，這些區(qū)域通過分布式大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)相互作用。在這里，我們討論fMRI功能連接如何能夠闡明控制的組織。在本文的第一部分，我們從fMRI功能連接、激活和損傷研究中總結(jié)出證據(jù)，表明大腦中存在多個具有不同功能特性的可分離控制網(wǎng)絡(luò)。在第二部分中，我們將討論圖論概念如何幫助闡明控制網(wǎng)絡(luò)與其他大腦區(qū)域相互作用以執(zhí)行目標導向功能的機制，重點關(guān)注專門的hubs區(qū)域在調(diào)節(jié)跨網(wǎng)絡(luò)交互中的作用。再次，我們使用功能連接、損傷和任務(wù)激活研究的組合來支持這一說法。我們的結(jié)論是，大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)視角為執(zhí)行控制的神經(jīng)基礎(chǔ)提供了重要的神經(jīng)生物學約束。本文發(fā)表在Psychophysiology雜志。(可添加微信號siyingyxf或18983979082獲取原文，另思影提供免費文獻下載服務(wù)，如需要也可添加此微信號入群，原文也會在群里發(fā)布)。

關(guān)鍵詞：認知控制執(zhí)行控制 fMRI 功能連接網(wǎng)絡(luò)

1 引言

執(zhí)行控制包括一組過程，允許人類靈活地調(diào)整他們的行為，熟練地引導神經(jīng)處理在多個時間尺度上實現(xiàn)目標。執(zhí)行控制(以下簡稱控制)包括對與任務(wù)相關(guān)的輸入的注意增強和對這些輸入的適當行為反應(yīng)的引導加工，以及對與任務(wù)無關(guān)的干擾物的抑制和對目標不適當?shù)膬?yōu)勢反應(yīng)的抑制。在過去，兩種不同的方法為了解大腦如何維持和執(zhí)行與控制相關(guān)的處理提供了有用的見解：一種是建立在理解單個大腦區(qū)域內(nèi)的專門處理，特別是在前額葉皮層，而另一種是專注于分布在不同的大腦區(qū)域的處理，這些區(qū)域被組織成大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)(也稱為系統(tǒng))。最近，后一種方法已經(jīng)演變?yōu)椴捎靡环N復(fù)雜的系統(tǒng)觀點，這種觀點在探索與控制相關(guān)的區(qū)域之間的相互作用方面特別富有成效。因此，在目前的綜述中，我們提出的最新證據(jù)表明，不同的控制過程不僅定位于不同的大腦區(qū)域，而且定位于功能分離的大腦網(wǎng)絡(luò)。此外，我們強調(diào)專門的中樞區(qū)（hub）域?qū)?zhí)行控制流程的貢獻，通過它們在控制網(wǎng)絡(luò)和其他涉及基本處理的網(wǎng)絡(luò)之間的交互中扮演的角色，這些網(wǎng)絡(luò)對完成復(fù)雜任務(wù)至關(guān)重要。

具體來說，在本文的第一部分，我們將展示來自fMRI功能連接、大腦損傷和fMRI任務(wù)激活的研究證據(jù)，這些研究證明(至少)存在兩個不同的控制網(wǎng)絡(luò)，它們在控制中扮演著分離的角色。這些發(fā)現(xiàn)表明，每個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的區(qū)域執(zhí)行相關(guān)的加工，不同于其他網(wǎng)絡(luò)中的區(qū)域。在第二部分中，我們利用復(fù)雜系統(tǒng)科學中的新概念來研究控制網(wǎng)絡(luò)如何相互作用，以及相關(guān)處理區(qū)域的作用——關(guān)注這些交互中專門的樞紐位置的作用。同樣，我們將結(jié)合功能連接、大腦損傷和任務(wù)激活結(jié)果來支持我們的發(fā)現(xiàn)。通過整合區(qū)域功能專門化信息和對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)組織的理解，我們?yōu)槌Ｒ娍刂乒δ苣X區(qū)集合如何在大腦中組織和實現(xiàn)提供了新的見解。

2 多種控制網(wǎng)絡(luò)的證據(jù):扣帶回蓋部（cinguloopercular）和額頂葉（FP）網(wǎng)絡(luò)

大量研究表明，額葉和頂葉皮層區(qū)域?qū)?zhí)行控制很重要。在需要目標導向加工的任務(wù)中，控制網(wǎng)絡(luò)會積極參與其中，盡管一些研究將這些區(qū)域視為一個單一的網(wǎng)絡(luò)(例如，大腦的多重需求或執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò))，rs-FC研究的證據(jù)表明，這些控制區(qū)域可分解為(至少)兩個相對獨立的網(wǎng)絡(luò)：扣帶回蓋部(CO)和額頂葉(FP)網(wǎng)絡(luò)。雖然我們在此不重點討論它們，但除了CO和FP網(wǎng)絡(luò)外，突顯網(wǎng)絡(luò)（salience）、背側(cè)和腹側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)（dorsal and ventral attention networks）也可能被認為是這組控制網(wǎng)絡(luò)的額外成員(參見框1中對網(wǎng)絡(luò)命名的描述)。

Box1 控制網(wǎng)絡(luò)術(shù)語====================================

在文獻中，關(guān)于用來指代不同控制網(wǎng)絡(luò)的命名法存在著很大的混淆，一些組使用不同的術(shù)語來指代可能是相同的底層網(wǎng)絡(luò)(而相同的術(shù)語卻指代略有不同的網(wǎng)絡(luò))。這一問題部分是歷史原因(例如，見下文CO與salience)，部分是由于大腦網(wǎng)絡(luò)的多尺度性質(zhì)。在我們的工作中，我們最強調(diào)的是網(wǎng)絡(luò)(a)在不同尺度上相當一致(即圖密度)，(b)在數(shù)據(jù)集上一致，以及(c)可以得到一致的證據(jù)(例如，激活、病變或電生理學研究)的支持。下面是對CO和FP網(wǎng)絡(luò)與其他假定控制系統(tǒng)的關(guān)系的簡要討論：salience、執(zhí)行功能和DAN。 Dosenbach和他的同事最初提出了FP（額頂葉）和CO（扣帶回蓋部）網(wǎng)絡(luò)的證據(jù)，我們在本文中對此進行了詳細討論；注意，扣帶回蓋部網(wǎng)絡(luò)有時也被稱為扣帶回腦島網(wǎng)絡(luò)，這反映了該網(wǎng)絡(luò)與前部腦島更加符合，而不是額葉蓋部。不久之后，Seeley和他的同事提出證據(jù)，證明執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)(由背外側(cè)額葉和頂葉皮層區(qū)域組成)和salience(由dACC、腹側(cè)前島葉、皮層下和邊緣區(qū)域組成)之間存在類似的網(wǎng)絡(luò)差異。由于該網(wǎng)絡(luò)與掃描前的焦慮水平之間存在聯(lián)系，因此應(yīng)用了salience這個名稱。值得注意的是，這兩組網(wǎng)絡(luò)的定義彼此非常相似，執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上類似于FP網(wǎng)絡(luò)(不過，請參見下面的注釋)，而CO網(wǎng)絡(luò)可能相當于salience。事實上，如果你搜索與扣帶蓋部或salience相關(guān)的研究文獻，在它們的功能位點上有很大的對應(yīng)關(guān)系，命名是根據(jù)傳統(tǒng)沿襲，而不是試圖區(qū)分這兩個網(wǎng)絡(luò)。然而，數(shù)據(jù)驅(qū)動的全腦網(wǎng)絡(luò)定義方法有時確實會識別出兩種獨立的網(wǎng)絡(luò)：例如，在前島葉和內(nèi)側(cè)額葉皮層中，更多的背側(cè)CO網(wǎng)絡(luò)和更多的腹側(cè)/喙部salience (Power等人，2011;請參見圖2a)。事實上，對前島葉功能連接的詳細研究表明，該區(qū)域可能是具有不同功能連接和任務(wù)激活模式的多個不同網(wǎng)絡(luò)的集中區(qū)域。此外，島葉不同解剖結(jié)構(gòu)的組織學也可能支持CO和salience之間的劃分，因為前島葉和內(nèi)側(cè)額葉皮層的更多腹側(cè)區(qū)域包含von Economo神經(jīng)元，這種神經(jīng)元具有大的、快速傳導的軸突，在人類中豐富，與自我意識和情感功能有關(guān)。

也許這種劃分也有助于解釋對CO/salience描述的不一致，它與各種操作聯(lián)系在一起，從內(nèi)穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)、疼痛、跟蹤不確定性、緊張警覺到任務(wù)控制。然而，絕大多數(shù)關(guān)于CO（扣帶回蓋部）或salience功能特性的研究(包括我們自己的許多研究)都沒有仔細區(qū)分激活是否與另一個網(wǎng)絡(luò)更匹配。因此，未來研究的一個非常有趣的途徑將是描述這兩個網(wǎng)絡(luò)的相對作用，通過采用精確的解剖學和網(wǎng)絡(luò)定義來區(qū)分它們，甚至可能在個體受試者的水平上。然而，在此期間，我們建議，最安全的假設(shè)是扣帶蓋部或salience定義在文獻中有些模糊，除非已作出特別努力來區(qū)分兩者。

網(wǎng)絡(luò)命名混淆的第二個來源是FP和背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)（DANs）。這兩個網(wǎng)絡(luò)有時被組合成一個更大的“執(zhí)行控制”網(wǎng)絡(luò)；事實上，執(zhí)行/額頂葉控制網(wǎng)絡(luò)的標簽是特別不可靠的，因為它有時也指FP（額頂葉）和CO（扣帶回蓋部）網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。再一次，由數(shù)據(jù)驅(qū)動的大腦網(wǎng)絡(luò)集群可能有助于勾勒出這些網(wǎng)絡(luò)之間的差異。在我們和其他人研究中，FP和DANs明顯分開：FP由兩側(cè)外側(cè)前額葉皮層和頂內(nèi)溝區(qū)域組成，而DAN包括背側(cè)運動前帶區(qū)域(可能包括額眼區(qū))和背側(cè)頂葉皮層，橫跨感覺運動網(wǎng)絡(luò)和頂上小葉的視覺網(wǎng)絡(luò)。然而，與扣帶蓋部和salience的區(qū)別一樣，我們發(fā)現(xiàn)這兩種網(wǎng)絡(luò)之間的邊界在個體之間是可變的，而且，當使用更寬松的閾值時，它們有時會以更粗糙的“尺度”結(jié)合在一起。因此，它們可能具有相關(guān)的屬性。

雖然FP和DAN(以及CO和salience)顯示出很大的相似性，但請注意，相比之下，CO和FP網(wǎng)絡(luò)本身是明顯不同的。它們已被具有不同數(shù)據(jù)驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)方法的兩個大型獨立樣本中確定為可分離系統(tǒng)(圖1a)。此外，這兩個網(wǎng)絡(luò)顯示出低的，甚至稍微負的相關(guān)性(圖3a，左)，強調(diào)了它們的不同性質(zhì)。結(jié)合本文前半部分回顧的病變和功能證據(jù)，這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了CO和FP網(wǎng)絡(luò)是兩個明顯可分離的系統(tǒng)。因此，鑒于CO和FP系統(tǒng)之間的分離以及它們與可推廣控制過程的強關(guān)系，我們在本工作中主要討論了兩系統(tǒng)(CO/FP)劃分。然而，很可能其他大規(guī)模系統(tǒng)也對控制做出了貢獻，包括DAN、salience、腹側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)(VAN)，可能還包括默認模式網(wǎng)絡(luò)(DMN;圖2 a)。

圖1 扣帶蓋部(CO)和額頂葉(FP)網(wǎng)絡(luò)。

(a)控制相關(guān)區(qū)域在休息時分離為兩個不同的網(wǎng)絡(luò)，包括前島葉和背側(cè)前扣帶回(CO)區(qū)域和背外側(cè)額葉和頂葉皮層(FP)區(qū)域。利用多種不同的數(shù)據(jù)驅(qū)動方法(例如，Power等人，2011年，左圖；Yeo等人，2011，右圖)，這表明他們分離的穩(wěn)健性。

(b) CO和FP區(qū)域是不同任務(wù)中最常見的激活位點。這張圖(改編自Nelson et al.， 2010)顯示了來自1000多個不同研究的激活位點的空間重疊。

(c) CO和FP區(qū)域是不同任務(wù)中控制相關(guān)激活的常見位點。這個任務(wù)集信號的聯(lián)合圖來自三個元分析，分別結(jié)合了3項(Sun, Neta等人，2017)，12項(Neta等人，2015)和13項研究(Dubis等人，2016)，顯示了試次水平的線索、錯誤和持續(xù)活動的共同激活。每個單獨的試次級線索、錯誤和持續(xù)活動的元分析圖都被閾值化，以顯示前1%的激活，然后合并形成任務(wù)集信號的最終聯(lián)合圖。

2.1 多個網(wǎng)絡(luò)的功能連接證據(jù)

與基于任務(wù)的功能磁共振成像(fMRI)相比，rs-FC是這樣一種功能磁共振成像技術(shù)：當參與者被要求安靜地躺在掃描儀中，在沒有任務(wù)指令的情況下，測量大腦區(qū)域BOLD信號的同步波動。屬于同一網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域——例如，運動皮層和皮層下區(qū)域(Biswal等，1995)——具有高度相關(guān)的靜息態(tài)BOLD時間進程。因此，自發(fā)BOLD信號的相關(guān)性可以用來識別腦功能網(wǎng)絡(luò)。此外，其他相關(guān)技術(shù)，如相干性或獨立成分分析，可用于檢測大腦區(qū)域之間的同步性，并通常產(chǎn)生類似的分解結(jié)果。

Rs-FC測量與解剖連接相關(guān)，但值得注意的是，測量直接和間接連接，以及基礎(chǔ)神經(jīng)活動緩慢波動中的狀態(tài)依賴的相關(guān)性。大部分rs-FC測量被認為反映了形成網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域之間的功能性共激活的穩(wěn)定歷史，可能通過Hebbian機制。這種連接方法的優(yōu)勢在于，它提供了一種強大的數(shù)據(jù)驅(qū)動方式，以前所未有的細節(jié)水平來檢查活體人類大腦的系統(tǒng)級組織。此外，這種方法允許人們測量位于大腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的區(qū)域的基線時的內(nèi)在組織，而不需要探測單個網(wǎng)絡(luò)中的選擇性任務(wù)激活。

當控制相關(guān)區(qū)域的BOLD信號在靜息狀態(tài)下測量時，rs-FC表明該區(qū)域分離為兩個網(wǎng)絡(luò)，CO網(wǎng)絡(luò)和FP網(wǎng)絡(luò)。CO和FP網(wǎng)絡(luò)在各自網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域之間具有較高的rs-FC，但兩個網(wǎng)絡(luò)之間的相關(guān)性較低(或負)。CO網(wǎng)絡(luò)的核心包括背側(cè)前扣帶和雙側(cè)前島葉區(qū)域，而FP網(wǎng)絡(luò)主要由雙側(cè)背外側(cè)額葉皮層和頂內(nèi)溝區(qū)域組成。

有趣的是，當基于數(shù)據(jù)的社區(qū)檢測技術(shù)被用于定義整個大腦的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)時，同樣的網(wǎng)絡(luò)也出現(xiàn)了，就像上面描述的基于興趣區(qū)域的CO和FP網(wǎng)絡(luò)檢查一樣。這一發(fā)現(xiàn)已經(jīng)在兩大數(shù)據(jù)集中得到了復(fù)制，數(shù)據(jù)集具有不同的受試者群體、不同的掃描點和不同的網(wǎng)絡(luò)定義方法(Figure 1a)。這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了CO和FP網(wǎng)絡(luò)的魯棒性和分離性。這些全腦方法還表明，CO和FP網(wǎng)絡(luò)延伸到執(zhí)行控制的功能磁共振成像任務(wù)激活研究中很少討論或檢測到的其他區(qū)域，如后島葉、喙側(cè)額葉皮層(CO)和側(cè)枕葉(FP)。未來研究的一個有趣的問題是確定這些區(qū)域如何與每個網(wǎng)絡(luò)中的核心區(qū)域相關(guān)聯(lián)，以及CO和FP系統(tǒng)如何與其他假定的控制系統(tǒng)(如突顯網(wǎng)絡(luò)和背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò))相關(guān)聯(lián)（box1）。

2.2 多網(wǎng)絡(luò)的損傷證據(jù)

病變對控制網(wǎng)絡(luò)組織的影響也加強了CO和FP網(wǎng)絡(luò)之間的區(qū)別。具體來說，在CO或FP網(wǎng)絡(luò)區(qū)域有慢性病變(>5個月)的患者的rs-FC，損傷模式與每個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的功能連通性之間存在雙重分離：隨著CO網(wǎng)絡(luò)中區(qū)域損傷程度的增加，CO之間的相關(guān)性逐漸降低，而FP區(qū)域之間的相關(guān)性卻沒有降低；而隨著FP網(wǎng)絡(luò)損傷程度的增加，FP之間的相關(guān)性逐漸降低，而CO區(qū)域之間的相關(guān)性則沒有降低。這種雙重分離為靜息狀態(tài)下CO和FP網(wǎng)絡(luò)的獨立性提供了強有力的證據(jù)，表明長期腦損傷對這兩個網(wǎng)絡(luò)的影響在很大程度上是可分離的。有趣的是，隨后的一個關(guān)于經(jīng)顱磁刺激(TMS)造成的急性腦損傷的項目顯示了一種截然不同的效應(yīng)模式，TMS后廣泛的跨網(wǎng)絡(luò)互動增加了。這一發(fā)現(xiàn)暗示了CO和FP網(wǎng)絡(luò)在某些情況下可能是動態(tài)相互作用的。

2.3 執(zhí)行控制涉及多個網(wǎng)絡(luò)的功能證據(jù)

關(guān)于CO和FP網(wǎng)絡(luò)之間差異的研究的最后一條線集中在它們不同的功能作用的證據(jù)上，通過功能磁共振成像(fMRI)的激活估計來測量。靜息狀態(tài)和病變證據(jù)為與FP和CO區(qū)域相關(guān)的兩個可分離網(wǎng)絡(luò)的存在提供了強有力的支持；然而，對這些區(qū)域功能屬性的早期研究強調(diào)了CO和FP網(wǎng)絡(luò)在任務(wù)激活中共同且普遍存在的作用，特別是在任務(wù)的控制階段（Figure 1b,c）。因此，剩下要解決的重要問題是：使用兩個不同的網(wǎng)絡(luò)進行任務(wù)控制的目的是什么，它們執(zhí)行的過程有什么不同?

為了研究這個問題，我們主要關(guān)注了CO和FP網(wǎng)絡(luò)對三種不同類型的控制信號的貢獻：與任務(wù)開始時的提示有關(guān)的信號，與任務(wù)中所犯的錯誤有關(guān)的信號，以及貫穿整個任務(wù)的信號。之所以選擇這三種類型的信號，是因為它們突出了與維持最新任務(wù)集相關(guān)的控制方面(即，任務(wù)級別的提示來初始化任務(wù)集參數(shù)，發(fā)出必要的參數(shù)更新信號的錯誤，以及在整個任務(wù)周期內(nèi)維持這些參數(shù)的持續(xù)活動)，以及更適應(yīng)的時刻到時刻的控制形式(即，任務(wù)或試次水平的提示來指示如何在后續(xù)周期內(nèi)對刺激作出反應(yīng)，以及對錯誤的響應(yīng)，以增加下個試次的控制和性能)。

在一項早期研究中，我們進行了大規(guī)模的meta分析，以調(diào)查FP和CO區(qū)域在這三種不同類型的控制信號中的作用。雖然CO和FP網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域在許多控制環(huán)境中都被激活，但對這些發(fā)現(xiàn)的仔細評估表明，核心CO網(wǎng)絡(luò)區(qū)域(雙側(cè)前島葉，背側(cè)前扣帶)在所有三種任務(wù)控制信號中都是最常見和持續(xù)激活的。相反，FP網(wǎng)絡(luò)區(qū)域與提示和錯誤激活聯(lián)系更緊密。此外，FP網(wǎng)絡(luò)區(qū)域先前與自上而下的試次特異性信號有關(guān)，這些信號與選擇性注意和工作記憶維持功能有關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)表明，CO網(wǎng)絡(luò)與維持任務(wù)相關(guān)的功能密切相關(guān)，而FP網(wǎng)絡(luò)可能與實現(xiàn)任務(wù)的特定配置所需的時刻到時刻自適應(yīng)控制更密切相關(guān)。

一個實際的例子可能有助于說明這兩個網(wǎng)絡(luò)之間的假設(shè)區(qū)別。在日常生活中，我們經(jīng)常要求不同形式的自上而下的控制，包括在我們參與娛樂運動時。我們認為，在這種情況下，CO網(wǎng)絡(luò)對于維持一個人正在進行的活動(如棒球或足球)的持續(xù)表征以及該活動的相關(guān)參數(shù)(如用手扔球vs用腳踢球)非常重要。相反，FP網(wǎng)絡(luò)將幫助制定與游戲的特定部分相關(guān)的過程(例如，在擊球時，為了提高擊球率，重要的是反應(yīng)投手是投擲快速球還是曲線球，在踢足球時，重要的是檢測守門員在罰點球時是向左移動還是向右移動，以提高得分機會)。因此，游戲的開始將與兩個網(wǎng)絡(luò)相關(guān)聯(lián)(CO用于維持相關(guān)的游戲參數(shù)，FP用于協(xié)調(diào)游戲開始時發(fā)生的特定玩法)，以及錯誤信號(CO用于更新任務(wù)表征以提高性能；例如，如果你對某一比賽規(guī)則的理解或裁判的執(zhí)行是錯誤的，FP將根據(jù)錯誤的后果調(diào)整隨后的行動)。然而，CO網(wǎng)絡(luò)將呈現(xiàn)出貫穿整個游戲的持續(xù)活動，這是呈現(xiàn)手頭任務(wù)狀態(tài)所必需的。

2.4 對CO和FP功能模型的改進

我們實驗室最近的工作通過梳理與這些類型的控制信號相關(guān)的特定認知和時間過程參數(shù)，幫助支持和完善了這一解釋。例如，我們發(fā)現(xiàn)持續(xù)信號只出現(xiàn)在認知要求(即資源有限)而非感知要求的任務(wù)中，并且CO網(wǎng)絡(luò)顯示了幾種不同形式的性能報告信號(例如，除了錯誤之外，與反應(yīng)時間和歧義有關(guān)的響應(yīng)）。

FP網(wǎng)絡(luò)的激活情況比較復(fù)雜，主要是由左右腦半球激活之間的不對稱所驅(qū)動。FP網(wǎng)絡(luò)相當大，包括雙側(cè)額葉的大部分以及頂內(nèi)溝和額中回的部分。過去的證據(jù)表明，這個大網(wǎng)絡(luò)可能有不同的亞單位，可能反映了一個更精細的網(wǎng)絡(luò)細分：左側(cè)額葉皮層和右額葉皮層的病變產(chǎn)生明顯不同的行為缺陷，靜息態(tài)研究表明FP網(wǎng)絡(luò)是大腦中最偏側(cè)化的網(wǎng)絡(luò)之一。事實上，許多激活研究都暗示了額葉功能激活的半球不對稱，盡管這些發(fā)現(xiàn)中的大多數(shù)并沒有特別地將他們的發(fā)現(xiàn)放在FP網(wǎng)絡(luò)的背景下。

我們最近的工作還表明，FP網(wǎng)絡(luò)的左、右劃分在控制中起著不同的作用。在一項對整個大腦中與錯誤相關(guān)的反應(yīng)進行元分析的研究中，與錯誤相關(guān)的激活在左右FP網(wǎng)絡(luò)中都可見到，但具有不同的特征。左側(cè)FP網(wǎng)絡(luò)具有快速和短暫的錯誤，而右側(cè)FP網(wǎng)絡(luò)區(qū)域具有較長時間的錯誤響應(yīng)。第二項元分析聚焦于試次級別的提示和目標激活。在本研究中，我們發(fā)現(xiàn)左側(cè)FP區(qū)域具有早期的提示反應(yīng)和強烈的目標激活，而右側(cè)FP網(wǎng)絡(luò)具有延遲的提示反應(yīng)和中等的目標激活。這些研究表明，左右FP網(wǎng)絡(luò)可能與不同的過程相關(guān)。

盡管這些先前的發(fā)現(xiàn)為CO和FP網(wǎng)絡(luò)中不同的功能作用提供了證據(jù)，但它們主要是通過對比它們在不同任務(wù)或試次類型中的功能來得出結(jié)論的。我們實驗室最近的一組研究采用了專門的“慢揭顯示slow reveal”范式來調(diào)查這些網(wǎng)絡(luò)是否也有不同的作用，但只是在決策試次中。在這個范例中，刺激逐漸從噪聲mask后面被揭開。參與者被要求在識別物品(或者在其他情況下，決定他們以前是否見過該物品)時做出回答。通過檢查參與者反應(yīng)早或晚的試次的激活時間過程，我們可以分離具有不同特征的試次級別的反應(yīng)。有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)使用數(shù)據(jù)驅(qū)動的層次聚類方法，CO、左FP和右FP中的區(qū)域彼此分離。這為CO以及FP網(wǎng)絡(luò)的偏側(cè)化在試次中具有不同的功能角色提供了證據(jù)。此外，對來自CO和FP網(wǎng)絡(luò)的時間過程的分析表明，這些功能與決策的不同方面相關(guān)：左側(cè)FP區(qū)域早期啟動，在決策時刻前后響應(yīng)逐漸增加，達到峰值，與證據(jù)積累模型非常相似。CO區(qū)域有與決策緊密相關(guān)的短暫反應(yīng)，這與績效報告衡量標準一樣；右FP區(qū)反應(yīng)延遲和延長，主要發(fā)生在反應(yīng)后，表明它們與反應(yīng)后處理有關(guān)，如反應(yīng)重新評估和調(diào)整。Sestieri及其同事的一項相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)，FP和CO在感知和記憶任務(wù)的長時間試次中具有不同的作用，它們的活動時間進程和功能連通性特征都相互分離。

這些發(fā)現(xiàn)很重要，因為它們?yōu)?/span>CO和FP網(wǎng)絡(luò)的不同功能角色提供了證據(jù)，并為FP網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的細微功能差異提供了證據(jù)，這些功能差異將左半球更多地與早期、刺激或自下而上的處理功能(證據(jù)積累、早期提示、強烈的目標激活)相關(guān)，而右FP網(wǎng)絡(luò)與晚期、反應(yīng)后處理相關(guān)，可能與隨后的自上而下控制(延長錯誤響應(yīng)、決策后響應(yīng)和延遲提示激活)。值得注意的是，在我們實驗室的許多實驗中，這些區(qū)別來自數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法；也就是說，同一個網(wǎng)絡(luò)中的區(qū)域僅僅根據(jù)它們的功能激活特性聚集在一起，為靜息態(tài)的發(fā)現(xiàn)提供了一致的證據(jù)，表明大腦中至少存在兩個不同的控制網(wǎng)絡(luò)。

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2.5 CO和FP的替代模型

2.5.1 執(zhí)行控制的單一和多系統(tǒng)模型

人類大腦控制功能的早期和有影響力的模型強調(diào)了它們在許多需要控制的不同任務(wù)環(huán)境中的共同激活(Duncan & Owen, 2000)。Duncan和Owen(2000)進行的一項系統(tǒng)綜述顯示了與許多不同認知需求相關(guān)的額葉活動模式的共性。具體來說，一項大規(guī)模的元分析，結(jié)合了20項文獻研究，這些研究選擇性地操縱了五種認知需求中的一種，在其他方面相同的任務(wù)背景下，這些要求包括抑制強烈但不適當?shù)姆磻?yīng)傾向，增加工作記憶負荷，以及改變感知難度。所有五種需求在共同的控制區(qū)域(如背側(cè)前扣帶、額下溝和額葉蓋部)顯示出相似的協(xié)同招募模式。因此，對結(jié)果的一種解釋認為，在這些多個需求區(qū)域中存在一種單一的控制模型，這些區(qū)域共同調(diào)整其功能，以匹配手頭特定任務(wù)的需求。事實上，正如我們已經(jīng)注意到的，這些區(qū)域是最常參與不同任務(wù)的區(qū)域之一，很難根據(jù)功能激活來區(qū)分(參見前面關(guān)于時間屬性的相對微調(diào)差異的部分，這只在比較激活剖面的時間過程的分析中很明顯)。通過分析這些區(qū)域的多體素活動模式，可以進一步支持在這些多需求區(qū)域中進行靈活的任務(wù)相關(guān)調(diào)整，從而區(qū)分一系列與任務(wù)相關(guān)的信息，包括刺激、任務(wù)規(guī)則和參與者。然而，Crittenden及其同事最近的一項研究(2016)表明，CO和FP網(wǎng)絡(luò)也可以從它們所攜帶的關(guān)于任務(wù)規(guī)則的信息中區(qū)分出來。這表明，多需求“網(wǎng)絡(luò)”的單一特征也可能包含其中兩個不同控制網(wǎng)絡(luò)的證據(jù)。在本研究中，FP區(qū)域所包含的任務(wù)規(guī)則信息明顯多于CO區(qū)域。隨著規(guī)則在一次又一次的試次中發(fā)生變化，這可能與FP網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)控制功能一致。

Botvinick和同事們的另一個著名模型提出，背側(cè)前扣帶皮層(dACC)和外側(cè)前額葉皮層是認知控制的中心，dACC充當“沖突監(jiān)視器”，當檢測到?jīng)_突時，它向外側(cè)前額葉皮層發(fā)出信號，讓其進行必要的控制調(diào)整。這個模型與我們提出的dACC和外側(cè)前額葉皮層在控制中的中心作用的發(fā)現(xiàn)相似。然而，我們的不同之處在于，這些區(qū)域?qū)嶋H上是兩個獨立網(wǎng)絡(luò)的一部分，具有不同的功能集和基本獨立的反應(yīng)。通過將這些結(jié)果放在扣帶頂葉和額頂葉網(wǎng)絡(luò)的背景下，我們增加了對這些區(qū)域的解剖學描述的精確度(例如，圖1和2a，顯示許多不同的網(wǎng)絡(luò)在外側(cè)和內(nèi)側(cè)前額葉皮層重疊)，并突出了每個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)區(qū)域之間功能的相似性(例如，在dACC和前島葉之間，以及背側(cè)額葉和頂葉皮層的FP部分之間——這些區(qū)域通常不包括在Botvinick模型中)。此外，我們對這些區(qū)域的功能作用有不同的具體解釋(例如，我們認為CO，包括dACC和前島葉/額葉蓋部(aI/fO)，參與任務(wù)集的維持，而不是沖突監(jiān)測，部分原因是其明顯的提示反應(yīng)、任務(wù)期間的持續(xù)表征和試次決策點的短暫激活)。

2.5.2 CO和FP網(wǎng)絡(luò)功能的非控制模型

雖然我們關(guān)注的是CO和FP網(wǎng)絡(luò)基于控制的解釋，但其他小組也提出了這些網(wǎng)絡(luò)之間的相關(guān)區(qū)別，他們強調(diào)的功能與自上而下控制沒有直接關(guān)系。例如，一項早期的研究發(fā)現(xiàn)，休息時分離的兩個網(wǎng)絡(luò)與CO和FP網(wǎng)絡(luò)的特征非常相似，但表明CO網(wǎng)絡(luò)與突顯網(wǎng)絡(luò)有關(guān)，而不是與任務(wù)控制網(wǎng)絡(luò)有關(guān)，部分原因是它與掃描前的焦慮的測量方法有關(guān)。因此，對該網(wǎng)絡(luò)的一種解釋是，它可能涉及更一般的喚醒，而不是任務(wù)控制本身(也要注意，如框1所討論的，突顯網(wǎng)絡(luò)可能代表一個功能上不同，但在解剖學上與CO相鄰的網(wǎng)絡(luò))。

一組相關(guān)的研究集中在CO和FP網(wǎng)絡(luò)與活動持續(xù)波動之間的聯(lián)系上，這導致Sadaghiani和他的同事將CO網(wǎng)絡(luò)與廣義的緊張性警惕性(而不是任務(wù)控制)和FP網(wǎng)絡(luò)與phasic（任務(wù)中活動）抑制聯(lián)系起來。Sadaghiani和他的同事使用功能磁共振成像和功能磁共振-腦電圖聯(lián)合研究檢查了CO和FP網(wǎng)絡(luò)的作用。在他們最初的發(fā)現(xiàn)中，他們觀察到CO(也稱為扣帶島-丘腦cinguloinsular-thalamic，見框1)網(wǎng)絡(luò)的試次前活動與參與者在長時間持續(xù)注意任務(wù)中觀察到接近閾值刺激的幾率增加有關(guān)(相反，FP和DAN的試次前活動與失誤有關(guān))。這表明該網(wǎng)絡(luò)可能與緊張性警覺性的各個方面有關(guān)；事實上，第二項結(jié)合功能磁共振成像和腦電圖記錄的研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源性alpha能量的波動（持續(xù)或tonic（大腦默認狀態(tài)的）的警覺性的標志）與CO網(wǎng)絡(luò)有選擇性地相關(guān)。相反，FP網(wǎng)絡(luò)更多地與alpha相位同步相關(guān)(Sadaghiani等人，2012)，這表明它可能是警覺性和抑制的phasic成分的指標。

這種解釋與我們提出的CO和FP網(wǎng)絡(luò)模型有關(guān)。這兩個模型都表明，CO網(wǎng)絡(luò)與更持久的信號相關(guān)，而FP網(wǎng)絡(luò)與時刻到時刻的自適應(yīng)信號更密切相關(guān)，盡管它們在持續(xù)激活是根據(jù)廣義警覺性信號還是更專門的任務(wù)集維持信號來解釋方面存在差異。事實上，在后來的一項研究中，Sadaghiani和D’esposito(2015)通過在變化或規(guī)則呈現(xiàn)的比較激活與接近閾值的刺激來操縱任務(wù)警惕性。他們發(fā)現(xiàn)，這種操作選擇性地調(diào)節(jié)了CO的活動，而不是FP或DAN的活動(相反，這兩個區(qū)域受到音調(diào)音程之間選擇性注意比較難度的影響)。同樣，這些結(jié)果可以被解釋為與CO網(wǎng)絡(luò)的警惕性作用一致，但也可以被解釋為與任務(wù)集作用一致，其中任務(wù)集由刺激抖動修改。然而，之前討論的其他發(fā)現(xiàn)可能更難與CO網(wǎng)絡(luò)的純警覺性模型相一致——包括(a)在這些區(qū)域中存在多個特定的任務(wù)集和控制信號，(b)除了反應(yīng)時間之外，CO區(qū)域?qū)Χ鄠€與性能相關(guān)的變量(如歧義和錯誤)的可分離激活，以及(c)持續(xù)CO對資源的選擇性激活，而不是感知上有限的任務(wù)。CO網(wǎng)絡(luò)可能執(zhí)行與警覺性和自上而下控制相關(guān)的過程；或者，歸因于CO網(wǎng)絡(luò)的警覺性過程可能與突顯網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的鄰近區(qū)域有更好的關(guān)聯(lián)(可能與先前將突顯網(wǎng)絡(luò)與覺醒聯(lián)系起來的模型一致)。

2.6 總結(jié)

在我們論文的第一部分中，我們已經(jīng)為大腦中存在兩種不同的控制網(wǎng)絡(luò)提供了趨同的證據(jù)，它們具有不同的網(wǎng)絡(luò)相互作用，對慢性病變的分離反應(yīng)，以及在一項任務(wù)中的不同功能——即使是在一項任務(wù)的單一試次中。這兩個網(wǎng)絡(luò)的存在限制了目標導向行為的機制，認為可能有兩組獨立的執(zhí)行控制功能，分別與任務(wù)集維持(對于CO網(wǎng)絡(luò))和自適應(yīng)控制(對于FP網(wǎng)絡(luò))相關(guān)聯(lián)。此外，來自我們實驗室的最新證據(jù)表明，FP網(wǎng)絡(luò)可能具有與左右半球相關(guān)的自適應(yīng)控制的獨立子成分。未來的研究將需要了解這兩個網(wǎng)絡(luò)中每個區(qū)域的專門作用，以及它們與自上而下控制所涉及的特定過程的關(guān)聯(lián)。在下一節(jié)中，我們將討論另一個重要的問題——CO和FP網(wǎng)絡(luò)如何相互作用，以及如何與大腦的其他部分相互作用，以幫助我們執(zhí)行目標導向的行為。

圖2 全腦相互作用背景下的CO和FP網(wǎng)絡(luò)。

(a)除了CO和FP網(wǎng)絡(luò)，健康個體中還發(fā)現(xiàn)了許多其他網(wǎng)絡(luò)，它們在控制(如背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)[DAN]、腹側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)[VAN]、SN)、基本的處理(視覺、聽覺、軀體運動和軀體運動-側(cè)向)或其他功能(如默認模式、頂葉記憶和頂葉-枕葉網(wǎng)絡(luò))方面具有特殊作用。大尺度網(wǎng)絡(luò)既可以在大腦上顯示，強調(diào)其解剖位置(上)，也可以在圖中強調(diào)其拓撲特性(下)。在圖論模型中，單個大腦區(qū)域被表示為節(jié)點，大腦區(qū)域之間的連接被表示為線或邊；區(qū)域的排列使用了spring-embedding算法，這樣連接較強的節(jié)點被放置得更緊密。這個圖表突出顯示了每個網(wǎng)絡(luò)中區(qū)域之間和網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系，顯示了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點緊密地聚集在一起，網(wǎng)絡(luò)之間的連接相對較少。控制網(wǎng)絡(luò)(CO、FP、DAN、SN)往往位于其他網(wǎng)絡(luò)之間，在圖中有許多位于中心位置的節(jié)點。

（b）圖論測量也可以用來更好地理解在整個大腦的多個網(wǎng)絡(luò)背景下的跨網(wǎng)絡(luò)交互。在這個框架內(nèi)，某些大腦區(qū)域(連接樞紐)充當中介跨網(wǎng)絡(luò)交互的站點。這些區(qū)域可以通過使用參與系數(shù)(PC)度量來識別，該度量度量了節(jié)點連接在不同網(wǎng)絡(luò)中的分布。正如所示，高PC（參與系數(shù)）區(qū)域在控制網(wǎng)絡(luò)中被大量發(fā)現(xiàn)，但不是唯一的，并可能作為調(diào)節(jié)基于自上而下目標的基本處理的完整站點。

圖3 網(wǎng)絡(luò)組織在不同的任務(wù)環(huán)境中被系統(tǒng)地改變，特別是對于激活的區(qū)域和hubs。

(a)靜息的網(wǎng)絡(luò)組織以相關(guān)矩陣的形式表示(左)。在靜息狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)組織由每個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的高相關(guān)性(對角線上)和不同網(wǎng)絡(luò)之間的低相關(guān)性(對角線外)所主導。在執(zhí)行任務(wù)過程中，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部和網(wǎng)絡(luò)之間的FC都發(fā)生了系統(tǒng)的變化，如圖中差異相關(guān)矩陣（中間）和spring-embedded圖（右側(cè)）所示。特別是在處理網(wǎng)絡(luò)(視覺、軀體運動和默認模式網(wǎng)絡(luò)[DMN])、控制網(wǎng)絡(luò)和處理網(wǎng)絡(luò)之間(例如，FP到視覺)以及控制網(wǎng)絡(luò)之間(例如，FP到DAN和CO/SN)可以看到顯著的變化。

(b)左圖：任務(wù)激活區(qū)域，特別是網(wǎng)絡(luò)之間的功能連通性變化較大。右圖：像激活區(qū)域一樣，連接器hubs顯示了更多的微調(diào)調(diào)制，連接器hubs顯示了高度變化的網(wǎng)絡(luò)之間的功能連接，但另外顯示了相對穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)功能連接。

(c)同時被激活和連接hubs(激活的連接器顯示為白色球體)的區(qū)域有一系列的屬性，它們與任務(wù)控制緊密相連，包括主要控制大腦網(wǎng)絡(luò)的定位(底色：黃色= FP; 紫色=CO; 綠色=DAN; 黑色=SN)。

圖4 連接器hubs損傷的影響。

(a)我們通過觀察高或低連接器hubs損傷患者的rs-FC來檢查連接器hubs損傷如何影響大腦網(wǎng)絡(luò)組織。每一列顯示了一個腦網(wǎng)絡(luò)示例，分別來自健康對照患者(左)、連接器hubs損傷程度較低的患者(中)和連接器hubs損傷程度較高的患者(右;這兩名患者的損傷總量大致相當)。黑線標記著網(wǎng)絡(luò)之間的連接，大量的黑線表明大腦在不同的網(wǎng)絡(luò)中劃分得不好。連接hubs的損傷極大地改變了大腦網(wǎng)絡(luò)組織，降低了整個大腦網(wǎng)絡(luò)的完整性。

(b)連接器hubs的損傷也與行為性能受損有關(guān)。在這里，每一列表示來自單個患者的數(shù)據(jù)，該患者的控制部位(藍色，左邊)或連接器hubs(紅色，右邊)受損。不同的行代表不同的Lezak行為域。經(jīng)過訓練的神經(jīng)心理學家根據(jù)患者在每個行為領(lǐng)域的損傷程度對其進行評級。與對照部位相比，連接器hubs損傷與許多行為領(lǐng)域更廣泛和更深刻的損傷相關(guān)。

3 控制網(wǎng)絡(luò)如何相互作用：hubs在控制中的作用

在前一節(jié)中，基于功能連接、病變和激活研究，我們提出了人類大腦中至少存在兩種不同控制網(wǎng)絡(luò)的趨同證據(jù)。然而，考慮到多個專門的控制系統(tǒng)的存在，問題是這些系統(tǒng)如何相互作用，以協(xié)調(diào)控制信號。此外，控制網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵功能是根據(jù)當前目標修改其他網(wǎng)絡(luò)中的處理過程(圖2a)。
3.1 控制網(wǎng)絡(luò)的相互作用

首先，我們提出的證據(jù)表明，控制網(wǎng)絡(luò)交互是可塑的，在不同的環(huán)境中，它們的交互是不同的。正如我們在本文的前半部分所討論的，在很長的時間范圍內(nèi)(即病變后的> 5個月)，控制網(wǎng)絡(luò)對每個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的腦損傷獨立反應(yīng)。然而，連續(xù)的theta TMS的急性中斷已經(jīng)被證明可以暫時抑制底層組織，這引發(fā)了不同的反應(yīng)模式，存在廣泛性，交叉性。雖然TMS的機制在許多方面與慢性腦損傷的影響不同，但這些發(fā)現(xiàn)可能表明控制網(wǎng)絡(luò)在某些情況下動態(tài)地相互作用——可能是在系統(tǒng)最近的擾動(例如，來自急性中斷或高要求的任務(wù)目標)需要加強控制網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)調(diào)的情況下。

為了支持這一觀點，與休息時相比，當參與者從事復(fù)雜任務(wù)時，網(wǎng)絡(luò)互動會發(fā)生微妙但系統(tǒng)的改變（Figure 3a）。此外，這些研究表明，在任務(wù)執(zhí)行過程中，控制網(wǎng)絡(luò)與處理網(wǎng)絡(luò)(如FP到視覺、運動網(wǎng)絡(luò))之間的相互作用發(fā)生了特別的變化。從獼猴控制區(qū)域的皮層冷（cooling）卻和經(jīng)顱神經(jīng)系統(tǒng)到人類控制區(qū)域的趨同證據(jù)也表明，控制和處理網(wǎng)絡(luò)之間相互作用的這些變化可能對基于任務(wù)目標的正確重定向基本處理很重要。在這些研究中，控制相關(guān)區(qū)域的中斷降低了紋外視覺皮層反應(yīng)的調(diào)節(jié)，并導致任務(wù)表現(xiàn)的下降。這些發(fā)現(xiàn)表明，控制網(wǎng)絡(luò)在任務(wù)上下文中改變它們與處理網(wǎng)絡(luò)的交互，以根據(jù)任務(wù)目標修改處理。

除了控制網(wǎng)絡(luò)和處理網(wǎng)絡(luò)之間的變化，在復(fù)雜任務(wù)中，控制網(wǎng)絡(luò)之間也變得更加整合(例如，FP與CO)(圖3a)。隨著任務(wù)工作記憶負荷的增加，這種影響可能會進一步增強。一種可能性是，這些增加在復(fù)雜任務(wù)中是必要的，以允許控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、更新和維護完成任務(wù)的相關(guān)參數(shù)。Sridharan和他的同事也發(fā)現(xiàn)了任務(wù)過程中控制網(wǎng)絡(luò)交互的變化，并提出CO網(wǎng)絡(luò)(在他們的研究中，或稱突顯網(wǎng)絡(luò))可能在指導FP和默認模式網(wǎng)絡(luò)之間的功能連接變化，以及整個大腦網(wǎng)絡(luò)之間更普遍的功能連接變化方面起著頂級作用。這些發(fā)現(xiàn)支持這樣一種觀點，即在不同的目標導向環(huán)境中，控制網(wǎng)絡(luò)交互可能會動態(tài)地改變，盡管是微妙的。最后，許多研究表明，控制網(wǎng)絡(luò)的相互作用也可以隨著年齡而系統(tǒng)地改變。spring和Schacter(2012)表明，根據(jù)任務(wù)的需求，控制網(wǎng)絡(luò)可以靈活地與默認模式網(wǎng)絡(luò)交互；然而，在年齡較大的受試者中，這種能力就喪失了，因為他們的控制網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常與默認模式交互。在許多網(wǎng)絡(luò)的老化過程中，也有關(guān)于網(wǎng)絡(luò)去分化的類似報告，但與控制網(wǎng)絡(luò)中模塊性的喪失尤其相關(guān)。這些發(fā)現(xiàn)表明，網(wǎng)絡(luò)之間的相互作用，特別是與控制相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)，可能是健康的大腦功能和認知不可或缺的。
3.2 網(wǎng)絡(luò)交互中的hubs的作用

因此，我們轉(zhuǎn)向不同網(wǎng)絡(luò)如何相互作用的問題，以及是否某些區(qū)域?qū)@些相互作用特別關(guān)鍵。為了檢驗這個想法，我們利用了從復(fù)雜系統(tǒng)科學中借來的概念，特別是“中心hubs”的概念。hub一詞作為一個大型系統(tǒng)中的中心重要單元具有通俗的直觀吸引力，無論它是一個友誼社交網(wǎng)絡(luò)中的和藹可親的人，還是一個互聯(lián)網(wǎng)流量網(wǎng)絡(luò)中的受歡迎的網(wǎng)站，還是一個全球航班網(wǎng)絡(luò)中的繁忙機場。然而，有很多方法來量化重要性。以航空運輸網(wǎng)絡(luò)為例，一些機場可能是重要的，因為入境國內(nèi)航班的數(shù)量很高。其他的可能很重要，因為它們是一個國家(如美國)和另一個國家(如英國)之間的國際轉(zhuǎn)移地點。對這些機場的破壞所造成的后果可能在影響的程度上有所不同。

同樣，大腦網(wǎng)絡(luò)可能由兩個中樞組成，一個中樞對特定大腦網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的功能很重要，另一個中樞對網(wǎng)絡(luò)之間的信息傳遞很重要。圖論可以幫助我們量化這些屬性，并識別這些樞紐。圖論方法基于將大腦建模為圖，其中每個大腦區(qū)域由圖上的一個節(jié)點表示，連接(即來自靜息狀態(tài)功能連接的相關(guān)性)表示為節(jié)點之間的邊。使用這些技術(shù)可以測量不同類型的hubs。“模塊內(nèi)的度Within-module degree”是一個區(qū)域與自己的網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)量的標準化度量，因此也可以度量網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的hubs。“參與系數(shù)”是一個區(qū)域連接在不同網(wǎng)絡(luò)間分散的度量，因此可以用來度量跨網(wǎng)絡(luò)連接的hubs。出于技術(shù)原因，基于功能連接的連接總數(shù)(即度)定義hubs是有問題的(這與使用相關(guān)度量有關(guān)，它允許在同一網(wǎng)絡(luò)中的信號之間共享共同的方差，因此將基于度的度量與網(wǎng)絡(luò)大小合并在一起。連接器hubs經(jīng)常出現(xiàn)在前島葉、中額葉皮層、背外側(cè)額葉和頂葉皮層，而網(wǎng)絡(luò)內(nèi)hubs則出現(xiàn)在前扣帶回后端和喙側(cè)等區(qū)域(圖2b)。值得注意的是，其他測量跨網(wǎng)絡(luò)hubs的方法，使用鏈接社區(qū)和系統(tǒng)密度，都一致地確定了類似hubs位置作為參與系數(shù)。

因為控制功能與協(xié)調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)和處理網(wǎng)絡(luò)之間的相互作用緊密相連，我們可能會認為連接hubs對大腦功能尤其重要，特別是在完成復(fù)雜任務(wù)時。在最近的一項研究中，我們對這一假設(shè)進行了檢驗。具體來說，我們研究了功能連接是如何在三種不同的復(fù)雜任務(wù)中被修改的，這些任務(wù)需要語義處理、視覺連貫性判斷或?qū)ο蟮男睦硇D(zhuǎn)（圖3a）。然后，我們研究了功能連接的變化是否特別可能由連接器hubs介導。我們發(fā)現(xiàn)連接器hubs的獨特作用得到了支持：連接器是不同網(wǎng)絡(luò)之間功能連接變化較大的站點，但在自己的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的功能連接(圖3b)。這一結(jié)果也與文獻中的發(fā)現(xiàn)有關(guān)，這些發(fā)現(xiàn)表明hubs是許多不同認知過程中特別靈活的激活點，并提出hubs可能對許多不同的任務(wù)上下文做出重要貢獻。

有趣的是，我們發(fā)現(xiàn)任務(wù)激活區(qū)域(即為手頭任務(wù)專門處理的區(qū)域)在功能連接方面也表現(xiàn)出了很高的變化，但與連接器所看到的變化無關(guān)(圖3b)。這表明這兩種特性——復(fù)雜系統(tǒng)中的hub專門化和基于區(qū)域處理特征的功能專門化——指出了兩個不同的因素，使我們的大腦網(wǎng)絡(luò)能夠靈活地適應(yīng)不同的任務(wù)環(huán)境。值得注意的是，同時是連接器和激活的區(qū)域(見圖3c中的位置，兩個屬性的前25%)有一個獨特的屬性組合，將它們與任務(wù)控制緊密聯(lián)系起來：

(a)它們由FP、CO和DAN的核心區(qū)域組成；

(b)與只激活或只激活連接器的區(qū)域相比，它們顯示了網(wǎng)絡(luò)之間功能連接變化的最高水平；

(c)這些變化包括增加與有關(guān)處理網(wǎng)絡(luò)和其他控制系統(tǒng)的功能連接；

(d)激活的連接器在跨不同任務(wù)上下文的功能連接變化模式中具有特別高的靈活性(即，它們的功能連接在任務(wù)之間的變化比簡單激活區(qū)域更大)。這些屬性表明激活的連接器可能有助于協(xié)調(diào)任務(wù)控制。

最后一對損傷研究提供了一致的證據(jù)，表明連接器對大腦網(wǎng)絡(luò)組織和復(fù)雜任務(wù)的執(zhí)行確實至關(guān)重要(圖4)，提供了物理證據(jù)來證實先前的模擬研究，即連接器hub移除可能對大腦網(wǎng)絡(luò)特別有害。在這些研究中，將連接器hub位置的腦損傷患者與非連接器(例如，在網(wǎng)絡(luò)hub內(nèi))位置的損傷患者進行比較。在一項初步研究中，我們檢查了患者的rs-FC網(wǎng)絡(luò)組織，發(fā)現(xiàn)連接器hub的損傷與大腦廣泛的網(wǎng)絡(luò)中斷有關(guān)，而網(wǎng)絡(luò)hub的損傷則不是這樣(圖4a)。第二項研究發(fā)現(xiàn)，連接hub的損傷也與行為表現(xiàn)的廣泛中斷有關(guān)，涉及許多不同的神經(jīng)心理學領(lǐng)域，但與僅與大量連接相關(guān)的區(qū)域的損傷無關(guān)(圖4b)?？傊@些研究表明，連接hub可能是大腦的關(guān)鍵位置，負責維持健康的網(wǎng)絡(luò)組織和行為表現(xiàn)。

這一研究方向?qū)ξ覀內(nèi)绾嗡伎寄X損傷和疾病有著新的意義——它表明，了解大腦的網(wǎng)絡(luò)組織，以及如何通過這些復(fù)雜系統(tǒng)的相互作用實現(xiàn)控制，可以提供有關(guān)腦損傷后的嚴重程度和癥狀的獨特信息，并可能指導我們對未來如何治療患者有新的認識。一項研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)組織的信息可以預(yù)測哪些創(chuàng)傷性腦損傷患者在經(jīng)過強化認知訓練后最有可能得到改善。這一研究方向的進一步令人興奮的工作正在動物模型中進行，使用DREADDS(針對特定基因插入受體的設(shè)計藥物)專門使網(wǎng)絡(luò)成分(在這種情況下，是杏仁核)失活，并監(jiān)測分布式大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)屬性的變化。
3.3 總結(jié)

在這一節(jié)中，我們討論了控制網(wǎng)絡(luò)相互作用可能是大腦中許多目標導向功能的基礎(chǔ)的趨同證據(jù)。網(wǎng)絡(luò)相互作用可能是大腦中許多目標導向功能的基礎(chǔ)，而hub可能是這些網(wǎng)絡(luò)間相互作用的特別關(guān)鍵的地點。這一觀點得到了靜息態(tài)和任務(wù)期間功能連接數(shù)據(jù)的支持，也得到了大腦hub病變對網(wǎng)絡(luò)組織和表現(xiàn)的影響。這些發(fā)現(xiàn)很重要，因為他們認為大腦中自上而下的控制功能(a)與跨網(wǎng)絡(luò)互動有關(guān)，(b)受大腦固有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的制約。此外，他們認為hub區(qū)域是專門的，尤其是大腦的關(guān)鍵區(qū)域，可能有助于調(diào)節(jié)各種目標導向的功能。
4 展望:總結(jié)和未來方向

我們已經(jīng)證明了大腦的網(wǎng)絡(luò)組織對認知，特別是目標導向功能有影響。第一部分表明，自上而下的控制過程至少存在兩種可分離的類別，并被組織成獨立的大腦系統(tǒng)。在第二部分中，我們展示了使用新的網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)來識別hubs，突出了對網(wǎng)絡(luò)維持和從事各種不同的復(fù)雜任務(wù)具有可變控制和處理需求的重要區(qū)域。這項研究表明，控制功能的網(wǎng)絡(luò)觀點可以闡明自上而下控制的神經(jīng)生物學基礎(chǔ)的新方面。

下一個任務(wù)將是更清楚地描述hub使用了什么機制來維持和改變大腦網(wǎng)絡(luò)，以及它們?nèi)绾闻c每個區(qū)域內(nèi)的功能專業(yè)化相互作用。例如，一個問題是hub是通用的，還是特定hub的使用取決于任務(wù)上下文。一個重要的相關(guān)問題是，CO(或FP)網(wǎng)絡(luò)中的區(qū)域在相對功能專門化方面如何不同(例如，考慮到它們相似的激活情況，aI/fO相對于dACC計算哪些不同的功能?)結(jié)合過程水平的調(diào)查，計算模型，損傷和動物模型的實驗可能會對這些問題帶來新的啟示。

另一個值得關(guān)注的問題是研究這些發(fā)現(xiàn)的臨床影響。最近的工作開始證明，控制網(wǎng)絡(luò)的定位在個體之間有所不同，盡管這些網(wǎng)絡(luò)在個體內(nèi)部通常相當穩(wěn)定。未來的工作將需要調(diào)查這種個體可變性對我們理解控制網(wǎng)絡(luò)和hub功能的影響；此外，這些觀察結(jié)果主張對來自個體的數(shù)據(jù)進行詳細分析。

最后，正如我們在開始時指出的，功能連接度量最適合度量穩(wěn)定的內(nèi)在網(wǎng)絡(luò)屬性或與不同狀態(tài)(如任務(wù)、睡眠)的變化相關(guān)的非常慢的時間動態(tài)。未來一個有趣的途徑是將這些關(guān)于fMRI中大腦網(wǎng)絡(luò)組織的詳細空間觀察與其他具有更快時間分辨率的方法(如腦電圖、腦磁圖、光學成像或皮質(zhì)電描記術(shù))結(jié)合起來，這些方法可以測量每個網(wǎng)絡(luò)中更快的時間動態(tài)?？傊@些技術(shù)可以進一步在多個空間和時間層次上闡明自上而下控制的機制。
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