Nature Neuroscience經(jīng)典任務(wù)態(tài)研究：神經(jīng)模式的相似性可預(yù)測(cè)長(zhǎng)期恐懼記憶的形成

大腦的某些改變可能反映了恐懼學(xué)習(xí)，但目前還沒有已知的標(biāo)志物（markers）來預(yù)示是否厭惡經(jīng)歷將發(fā)展成為恐懼記憶。研究者探究了人類恐懼學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)過程，對(duì)單試次磁共振成像數(shù)據(jù)進(jìn)行多體素模式分析（multi-voxel pattern analysis，MVPA），結(jié)果發(fā)現(xiàn)恐懼學(xué)習(xí)時(shí)的神經(jīng)模式可以預(yù)測(cè)長(zhǎng)期恐懼記憶的行為表達(dá)。本研究發(fā)表在Nature Neuroscience雜志。

研究背景

雖然我們知道增強(qiáng)或削弱恐懼記憶的過程，但我們對(duì)這些事件如何表征、加工以及最終得以改變大腦的神經(jīng)結(jié)構(gòu)仍尚不清楚。記憶研究的內(nèi)在限制（包括恐懼條件化）是我們只能從恐懼學(xué)習(xí)過程中的行為（例如，大鼠凍結(jié)、人類的生理反應(yīng)）與之后的記憶保存測(cè)試中的行為相似程度來推斷出恐懼記憶。盡管學(xué)習(xí)過程中的恐懼表達(dá)肯定與長(zhǎng)期記憶有關(guān)，但我們學(xué)到的許多內(nèi)容最終并不會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)期記憶。多模態(tài)磁共振成像的分析非常適宜于研究恐懼記憶，與傳統(tǒng)的腦激活分析（即基于單個(gè)體素的分析方法）相比，多模態(tài)磁共振成像是基于多個(gè)voxel的活動(dòng)所構(gòu)成的一種pattern的分析，能提供更多的認(rèn)知狀態(tài)的表征。

值得注意的是，恐懼記憶的核心不是對(duì)威脅刺激有意識(shí)地處理和對(duì)事件的事實(shí)記憶，而是對(duì)恐懼的自動(dòng)化情緒表達(dá)。研究者研究者將（fMRI）與在恐懼聯(lián)結(jié)學(xué)習(xí)和記憶力測(cè)試中的行為反應(yīng)（即，瞳孔擴(kuò)張反應(yīng)）相結(jié)合起來，探索是否可以通過學(xué)習(xí)過程中的神經(jīng)模式相似性來評(píng)估長(zhǎng)期程序性恐懼記憶的形成。

研究方法

包括恐懼條件化階段和記憶階段（圖b，c）。在恐懼條件化階段，被試被告知,6個(gè)圖片刺激中有兩個(gè)會(huì)伴隨電擊(CS+neg)；有兩個(gè)會(huì)伴隨聲音(CS+neut)，還有兩個(gè)會(huì)單獨(dú)出現(xiàn)(CS–），他們需要學(xué)習(xí)刺激之間的聯(lián)結(jié)規(guī)律。在記憶階段，被試被告知在第一個(gè)run不會(huì)有電擊或者是聲音，作為基線。接著再將電極片固定在被試腳踝處，但實(shí)際上并不會(huì)出現(xiàn)電擊或聲音（恐懼記憶保存測(cè)試）?？謶謼l件化階段中，3張面孔中，一張50%的情況下會(huì)伴隨電擊(CS+neg)；一張50%會(huì)伴隨聲音(CS+neut)，另外一張單獨(dú)出現(xiàn)(CS–），3張房子圖片也是這樣配對(duì)。這六種刺激之間的順序是固定的，但也有一些試次中刺激隨機(jī)呈現(xiàn)，電擊與聲音也只在這些trial中出現(xiàn)，有電擊及聲音的試次不做之后的數(shù)據(jù)分析。（思影科技提供文中實(shí)驗(yàn)所用磁共振兼容電刺激設(shè)施，感興趣可添加微信：siyingyxf進(jìn)行咨詢了解）

研究者采用了試次相似性分析（ trial-by-trial similarity analysis）來檢驗(yàn)恐懼聯(lián)結(jié)的形成、激活和消退，來探究神經(jīng)模式的相似性是否可預(yù)測(cè)長(zhǎng)期恐懼記憶的形成。該研究對(duì)每個(gè)試次單獨(dú)建模。對(duì)于38名被試，研究者創(chuàng)建了一個(gè)包含BOLD fMRI信號(hào)空間模式的向量，包括6個(gè)興趣區(qū)（ROIs）：前扣帶回皮層（ACC），腦島，杏仁核，海馬，腹側(cè)前額葉皮層（vmPFC）和上額額回（SFG）。 接下來，研究者將每個(gè)向量與其他刺激表示有關(guān)的所有其他向量相關(guān)聯(lián)，從而得出42×42的相似性矩陣（圖1）。感興趣的相關(guān)性包括相同刺激的兩個(gè)連續(xù)相同刺激；以及不同刺激對(duì)之間的相關(guān)性，包括屬于同一類別（原始類別，都是面孔或都是房屋）的刺激以及共享一個(gè)聯(lián)結(jié)的結(jié)果（基于學(xué)會(huì)的聯(lián)結(jié)類別，都與電擊匹配或都與聲音匹配）。不同刺激之間的相似性的特點(diǎn)在于關(guān)注共同的結(jié)果而不是關(guān)注單個(gè)預(yù)測(cè)因素，更反映了一種基于高階認(rèn)知過程的學(xué)習(xí)（圖2）。

圖1 恐懼學(xué)習(xí)過程中，上額額回相同刺激（對(duì)角線）與不同刺激之間的模式相關(guān)性。不同刺激的相關(guān)包括：屬于同一類別或聯(lián)結(jié)的刺激相同。

圖2 不同刺激對(duì)之間的相關(guān)性，包括屬于同一類別（原始類別，都是面孔或都是房屋）的刺激以及結(jié)果相同（基于學(xué)會(huì)的聯(lián)結(jié)類別，都與電擊匹配或都與聲音匹配）。

研究結(jié)果

圖3 在不同的實(shí)驗(yàn)階段，神經(jīng)模式相似度與平均激活度之間的關(guān)系（a，b）。 ACC（前扣帶回皮層），杏仁核和SFG（上額額回）中刺激模式的相似度（相同分類刺激或相同聯(lián)結(jié)結(jié)果刺激）（a）和平均單試次激活（面部和房屋的平均值）（b）揭示了恐懼聯(lián)結(jié)學(xué)習(xí)的形成，重建及消退。與基于單個(gè)體素的分析方法相比，相似性分析的敏感性高，揭示了傳統(tǒng)恐懼回路之外的大腦區(qū)域環(huán)路。
表1：在六個(gè)解剖ROI中學(xué)習(xí)階段（n = 38，受試者內(nèi)部ANOVA）的fMRI數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)摘要。所有顯著值（P <0.05）用斜體表示，達(dá)到FDR校正顯著性的用粗體表示。

NT =未檢驗(yàn)：沒有顯著刺激類型主效應(yīng)的腦區(qū)沒有檢驗(yàn)試次效應(yīng)。

上標(biāo)a代表不是由CS+ neg刺激值明顯較高引起的效果。

逐試次相似性分析的應(yīng)用揭示了清晰的學(xué)習(xí)曲線，該曲線反應(yīng)了關(guān)聯(lián)恐懼的形成（刺激內(nèi)：試次[6]×刺激[3]，刺激間：試次[7]×刺激[4]；所有P≤0.004，Pη2在0.06-0.22之間；圖3a，表1）（譯者注，文中未列出試次主效應(yīng)的表格，但按文章思路應(yīng)為顯著）。被試在2-6周后返回，進(jìn)行記憶階段實(shí)驗(yàn)（平均= 22.18±6.4天）。在沒有連接電極的情況下，暴露于先前學(xué)習(xí)的CS + neg刺激不會(huì)引起不同的模式相似性。裝上電極后，會(huì)再次出現(xiàn)不同的模式相似性，并且由于不再提供厭惡的結(jié)果，模式相似性最終消失。為了將我們的方法與標(biāo)準(zhǔn)單變量分析進(jìn)行比較，研究者檢查了在ROI中所有體素上平均的單試次激活。盡管交互作用效應(yīng)未達(dá)到FDR校正的顯著性（所有P≥0.033；表1），但是這產(chǎn)生了與在ACC和腦島的相似性分析所獲得的相似的學(xué)習(xí)曲線和消失曲線。（圖3b）。

圖4.長(zhǎng)期程序性恐懼記憶將學(xué)生的瞳孔擴(kuò)張和神經(jīng)模式相似性分開。學(xué)生的瞳孔擴(kuò)張反應(yīng)（n = 35）顯示出差異性學(xué)習(xí)和恐懼消退。根據(jù)消退階段前三項(xiàng)試次中瞳孔反應(yīng)的差異，將參與者分為保留組（對(duì)于瞳孔數(shù)據(jù)，n = 19；對(duì)于MRI數(shù)據(jù)，n =22 a；）或不保留組（n = 16；b）。盡管學(xué)習(xí)過程中瞳孔反應(yīng)的差異并不能預(yù)測(cè)隨后的瞳孔反應(yīng)，但是在包括vmPFC（b）在內(nèi)的幾個(gè)大腦區(qū)域中，差異模式的相似性確實(shí)如此。

與相似性分析的結(jié)果類似的是，在調(diào)節(jié)過程中，與CS+neut（伴隨聲音）和CS-（單獨(dú)出現(xiàn)）刺激相比，CS+neg（伴隨電擊）刺激引起的瞳孔擴(kuò)大增加也證明成功的恐懼調(diào)節(jié)（試次[13]×刺激[3]，F24,816 =9.15，P <0.0005，Pη2= 0.21）。在沒有連接電極的情況下，先前學(xué)習(xí)過的CS+neg刺激的存在并不會(huì)引起瞳孔反應(yīng)的增強(qiáng)。安裝電極后，再次出現(xiàn)差異的瞳孔反應(yīng)（刺激主效應(yīng)，P <0.0005，Pη2=0.43），并最終消失（試次[13]×刺激[3]，F24,816 = 2.49，P <0. 0005 ，Pη2=0.07）。這些發(fā)現(xiàn)證實(shí)了條件性瞳孔擴(kuò)張反應(yīng)作為恐懼行為的量度的有效性。即恐懼學(xué)習(xí)過程還可通過瞳孔擴(kuò)張來反應(yīng)出來：恐懼學(xué)習(xí)階段，被試的瞳孔逐漸擴(kuò)張；記憶測(cè)試階段，瞳孔逐漸縮??；記憶保存測(cè)試階段（固定上電極片之后）后，被試表現(xiàn)出恐懼重建，瞳孔又出現(xiàn)擴(kuò)張反應(yīng)，電擊一直不出現(xiàn)導(dǎo)致消退效應(yīng)出現(xiàn)，瞳孔逐漸縮小。

在消退階段的前三個(gè)試次之后，瞳孔差異反應(yīng)迅速減弱（第二次消退對(duì)第三次消退試次，F1,37 = 0.14，P = 0.713；第三次消退對(duì)第四次消退試次，F1,37 = 8.10，P = 0.007），表明消退學(xué)習(xí)在第三次試次后開始。為了預(yù)測(cè)恐懼記憶的長(zhǎng)期表達(dá)，研究者根據(jù)38名參與者的恐懼記憶行為表達(dá)對(duì)其進(jìn)行了分類（圖4a），這些恐懼記憶是在消退學(xué)習(xí)變得明顯之前的前三個(gè)保留試次中平均得到的。如果與四個(gè)對(duì)照刺激中的任何一個(gè)相比，如果參與者對(duì)CS+neg面部刺激以及對(duì)CS+neg房屋刺激表現(xiàn)出較強(qiáng)的瞳孔反應(yīng)，則將他們分配給保留組（n=22）。其余的參與者被分配到無保留組（n=16）。各組在主觀和程序變量上沒有差異。

對(duì)于刺激之間的模式相似性，研究發(fā)現(xiàn)保留組在初始恐懼學(xué)習(xí)過程中的刺激活動(dòng)差異大于無保留組（ACC、腦島、杏仁核、海馬、vmPFC；SFG有這種趨勢(shì)但不顯著）。而刺激內(nèi)的模式相似性，在組間沒有顯著差異。值得注意的是，記憶保留組與記憶無保留組的瞳孔反映在恐懼學(xué)習(xí)階段的無顯著差異。

兩組的隨訪測(cè)試分別顯示，在所有區(qū)域的保留組中，都有強(qiáng)烈的恐懼學(xué)習(xí)能力（表現(xiàn)為差異化的模式相似性）。但無保留組表現(xiàn)出出不同的模式。對(duì)于這組被試，在杏仁核，海馬和vmPFC中未觀察到恐懼學(xué)習(xí)，但在ACC，腦島和SFG中觀察到一些恐懼學(xué)習(xí)。連續(xù)評(píng)估模式相似性的預(yù)測(cè)值顯示，恐懼學(xué)習(xí)期間ACC，腦島，vmPFC和SFG的刺激模式相似性之間的差異與保留試次間隨后的瞳孔擴(kuò)大之間存在線性關(guān)系。同樣地，恐懼學(xué)習(xí)過程中瞳孔反應(yīng)的差異并不能預(yù)測(cè)測(cè)試中瞳孔反應(yīng)的差異。

至關(guān)重要的是，研究者發(fā)現(xiàn)平均激活并不能預(yù)測(cè)恐懼記憶在任何ROI或大腦其他任何地方的后期表達(dá)。同時(shí)，研究者僅對(duì)任務(wù)有響應(yīng)的體素重復(fù)了ROI分析。這增強(qiáng)了模式相似性和均值激活的學(xué)習(xí)效應(yīng)，但也再次說明，程序性恐懼記憶的預(yù)測(cè)僅限于刺激之間的模式相似性。盡管刺激內(nèi)模式相似性不能清楚地預(yù)測(cè)程序性恐懼記憶，但研究者通過證明在海馬體中，相對(duì)于之后被記住的刺激，其內(nèi)刺激模式相似性高于之后被遺忘的刺激，這和重復(fù)陳述性記憶的其他發(fā)現(xiàn)相一致。

總而言之，對(duì)單個(gè)刺激的表征（刺激內(nèi)）似乎與更高級(jí)的恐懼聯(lián)結(jié)（刺激之間的相似性）是不一樣的。只有刺激之間的神經(jīng)模式相似性可以預(yù)測(cè)恐懼記憶的后期行為表達(dá)。高階認(rèn)知的恐懼表達(dá)以神經(jīng)模式變化來表征學(xué)習(xí)可能為檢查恐懼記憶是否形成提供證明。

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