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_60

DMN:大脑的默认网络

近日，来自哈佛大学心理学部的Randy L. Buckner教授在《Nature Reviews Neuroscience》杂志上发文，系统地讨论了默认网络的研究路径（即发展历程）、最新的研究发现、分布式网络的网络连接特征、猴脑及啮齿类动物模型中的默认网络同系物带来的研究启示、默认网络的解剖证据、默认网络可能的发展路径以及可能的控制环路。在这一整套完整的系统化的思维表述的背后，是Buckner教授对近年来围绕默认网络所做的相关工作所发现的结果和证据之间的微妙的相互关系的仔细观察。正是这种仔细的观察以及对各方面信息及证据的整合才构建起了这样一座造型宏大、内部结构精细的精美“建筑”。在读这篇文章的时候，一定要将自己的学术视野放大，将各个方面（如神经影像学、生理学、医学解剖、数学统计、图像处理、人工智能等等）的知识都调动起来，不要受到“路径依赖”思维的影响，才能从这篇内容丰富但逻辑缜密的文章中吸取到“独特”的养分，这份“独特”的养分一定会给你带来超出于paper之外的灵感！ 在过去20年的研究中，我们发现这样一个现象。在需要外界注意的任务中，分布在整个联合皮层(通常被称为默认网络)的部分区域会受到抑制（在早期，这甚至被认为是因研究方法而带来的一种观察误差），而在记忆、想象未来和做出社会推断时，这些区域处于活跃状态。正是这个意外的但是频繁出现的难以解释的问题引发了研究人员的极大兴趣，从而产生了我们今天所称的“默认网络”！ 这篇文章描述了对处于这些关联区域网络中的脑区的组织和功能方面的研究进展。对单个个体进行详细的高分辨率分析表明，默认网络并不像以往研究中描述的那样是一个单一的网络，而是由多个相互交织的网络组成（其实如果大家做静息态的ICA时就会发现，默认网络可能会被分为两个网络或三个网络，这并不是偶然）。 我们观察到的这种多个网络共享一个共同的组织模式(即默认网络，值得注意的是，这种特征在狨猴和猕猴解剖回路中也很明显)，可能依赖于其内部构造形成的一般处理功能而不是由外部约束表示。 每个独立的交织在一起的网络可能都专门用于一个不同的处理领域（即默认网络可能存在多个子网络，作者在文中主要认为分为两个）。同时，人类和猴子的直接神经记录揭示了内部（默认网络）和外部导向网络（其他高级功能网络，如注意网络）之间竞争关系的证据。 而对啮齿类动物研究的结果则表明，丘脑可能对控制通过特定的丘脑网状神经元(包括拮抗亚群)参与的网络至关重要。作者认为，这些联系网络(可能还有丘脑皮层回路)在人类大脑中不断扩展，同时，可能特别容易受到与精神疾病有关的失调的影响。在最后，作者讨论了默认网络研究中仍旧存在的缺陷，并对未来的发展方向进行了一些讨论。 默认网络的发现是认知神经科学的研究人员的一个意外发现，他们在使用fMRI来研究人类大脑功能时，发现当参与者执行需要积极注意力的任务时，相对于他们在被动条件下的活动水平，联合皮层的大片区域表现出活动减少（即负激活）的现象。这部分区域包括额叶、后中线和顶叶下叶的广泛部分，被称为大脑的默认网络(或默认模式网络)。具体来说，是由离散的、双侧的和对称的皮层区域组成，位于人类、非人灵长类动物、猫和啮齿动物大脑的内侧和外侧顶叶、内侧前额叶、内侧和外侧颞叶皮质。 该研究最初是用正电子发射断层扫描(positron emission tomography)进行的。在正电子发射断层扫描中，研究者将各种新奇的、需要注意力的、非自我参照的任务，与闭上眼睛安静休息或简单的视觉固定相比较。与这些放松的非任务状态下的活

动相比，默认模式网络始终会减少其活动。此外，构成默认网络的分布区域内的自发活动波动（从静息态数据观察所得）相互关联，说明它们形成了一个相互作用的网络。 并且，一些依赖于内部表示的任务(包括记忆、展望未来和做出社会推断等)在默认网络区域的活动增加，超过了被动条件（即注视点条件时）下观察到的激活状况。这些功能性的观察提出了一种可能性，即默认网络在人类思维的高级阶段（这里指一些高级认知功能）是活跃的。 尽管有这些可重复的观察结果，关于默认网络的许多发现仍难以整合。这个过程中出现的一个主要困难是对默认网络的经验观察反映的现象并不是单一的，甚至反映的不是单个网络的行为。但一个统一的理论解释是必要的，即明确默认网络的功能与其相关的行为反应之间的一个系统的科学假设。然而，一个关键的新发现是，默认网络可能由多个并立的独立网络组成，而不是像最初设想的那样是一个单一的整体网络。 另一个挑战则与过度依赖人类神经影像学研究的相关发现有关，因为这些研究本身就模棱两可（这是由于目前所使用的技术手段所带来的，例如fMRI中大量噪声的存在以及仍然有限的分辨率问题，还有技术处理等等问题的存在）。 在本文中，作者提出了在默认网络中存在多个网络的证据，并探讨了这些新发现的含义。作者关注了在神经影像学研究中观察到的不同现象，以及从人类神经生理记录和在猴子和啮齿类动物模型中的探索中得到的趋同发现。同时，作者还推荐感兴趣的读者阅读补充评论，讨论默认网络对自发认知形式和定向任务的处理贡献（但这不是本综述的重点，因此只在补充评论中详细讨论，这篇文章中作者并未提及）。 1. 默认网络相关研究的发展历程 在探索关于大脑默认网络的新观点之前，作者首先调查了四类以往的研究发现，每一类都是基于不同时期对默认网络概念演变的不同经验观察（例图一）。分别是：任务抑制、内在功能连接、负相关（anticorrelations）和内在任务的正向调节（即激活）。 在这个部分，作者重点介绍了用于进行不同观测（即上一段提出的四种不同观察方法）的实验方法，并强调了它们在解释时的模糊性。同时还讨论了这些不同的观察是如何相互关联的，以及如何通过在解剖学和神经生理学相关发现的背景下解释它们，从而来阐明它们的起源。（1）任务抑制（任务态） 现在被称为“默认网络”的大脑区域最初是在独立的PET研究中发现的，后来在两篇评论文章中强调了这两个区域。正电子发射断层扫描(PET)数据显示，在积极的外部任务（例如单词判断或视觉对象分类）相对于控制条件（比如被动地看东西或者盯着交叉的十字注视点）下的活动时（即任务condition>控制condition），这些区域始终处于稳定的“负激活（deactive）”状态。 为了解释这些影响，研究者提出了两类假设:这种情况的出现，要么是在被动条件下被试对任务加工进行的过程激活了这些区域，要么是大脑参与主动任务时通过直接的抑制，抑制了这些区域（文中的被动条件指的是类似于注视点这样的条件，这些条件往往会被用来作为控制条件，但从当前看来，这种做法可能是错误的。控制条件的设置对于任务态激活的结果解释来说，至关重要！）。 由于PET对大脑活动的测量是相对的(因为他们比较的是一种任务状态和另一种任务状态下的血液灌注模式)。因此，他们的发现对于神经刺激或突触活动(即兴奋性或抑制性)其真实情况下对观察到的结果的影响能力在解释方面必然是模棱两可的。 因此，不可能从相对差的初始观测中确定这种效应是否对称（这里效应对称的意思是说，想要判断这些“负激活”区域是否是由那些主要由被动任务所涉及的流程驱动的任务导致的需要形成一个逻辑上的对称关系，因为我们认为这些任务应当引起的相关加工脑区的激活，而这些负激活的脑区是不符合我们的逻辑假设的，如

果要证明这些区域的负激活时由被动任务所涉及的相关任务导致的，那就需要明确这些任务引起的“激活区域”和这里的“负激活”区域之间的“对称关

系”），或者判断出现激活的任务是否通过激活机制（即任务态的理论基础）引起大规模脑网络的广泛抑制。也有研究者认为是其他原因导致的，例如血液供应的重新分配(偷血，blood stealing)，但这种假设是不符合生理原理的，因为它们与血管储备的已知特性不一致。同时，这个网络可以通过依赖于葡萄糖代谢而不是血液灌注的成像方法来识别也说明了这种假设的不可能性。 对被动任务中大脑认知可能出现的过程的探索提供了一种见解，该见解为该领域未来的大量工作提供了指导:在神经成像研究中实施被动任务时，被试的思维方式会趋向于一种固定的刻板状态（这并不难以理解，因为实验任务中出现的控制条件往往一种模式的，例如rest、盯着十字看或者盯着无意义的图看等）。 然后，在一项早期研究中，该研究专门探讨了默认网络在自发思维中的作用，即对任务的瞬时行为的测量，这一观察结果在其他研究中得到了证实。通过集中观察默认网络与控制(或休息)条件之间的关系，一个强调网络在自发认知事件中的活动的方向出现了。此类事件是与默认网络区域中的活动相关的几个功能之一。 定向记忆、展望未来以及某些形式的社会推理也激活了与默认网络重叠的区域。这些观察清楚地表明，默认网络参与的范围比无定向认知的范围更广。

图一 不同方式下观察到的默认网络的活动 a为被动任务激活状态下观察到的被抑制的默认网络（即负激活），b为静息态数据中观察到的功能连接，c为内在任务下（如推断他人的想法和信仰）激活的默认网络激活模式

（2）内在功能连接（静息态） 自发的大脑活动在默认网络的所有分布区域都有很强的选择性关联。研究者发现，当默认网络中的一个区域的活动水平(通过fMRI间接测量)增加时，其他区域的活动水平也会增加。虽然这通常是在被动休息时进行测量的，但这些自发的关联（即功能连接）在所有的任务状态中都是普遍存在的，也包括那些需要外界注意的任务状态中。这一观察表明，支撑这些相关性的机制与最初用于通过任务抑制发现默认网络的机制是不同的（即这种自发的波动并不是由外在注意任务所引起的抑制而特异引发的）。 通过分析任务抑制和功能连接所提供的观察结果，可以发现在组平均数据中这两种方式发现的默认网络收敛于类似的解剖模式(图1)。默认网络的多个分布区域之间存在着很强的相关性，这一发现表明，这组区域可能是一个网络或大脑系统，该系统与其他具有解剖连接和共享功能依赖关系的分布式系统（例如听觉系统等）非常相似。 （3）负相关 关于默认网络的第三个主要观察来自于对其功能连接性的研究。除了网络内部各区域之间表现出很强的正相关关系外，它们还表现出与外部注意加工的相关区域之间的负相关关系。最初揭示这一发现的两项研究都使用了相同的一般方法:从静止的fMRI信号中提取后中线脑区的fMRI信号的时间序列，然后它们的研究发现，大脑中与所选区域正相关的区域再现了默认网络。 而与同一脑区负相关的区域显示出完全不同的模式，该模式包括沿顶叶沟的区域、靠近额部及框额皮质的区域以及靠近颞中区域的视外侧皮质。该文章对这些与后中线脑区存在负相关的区域进行检测时，形成了一个强正相关的区域网络。该通常被称为背侧注意网络，在面向外部、需要注意力的任务中发挥功能。 这些研究结果表明，默认网络与另一个主要网络是对立的，后者通过对外部感官环境的积极关注而参与内部形式的心理状态和自发认

知。同样重要的是，这种对立可以通过分析独立于外部任务需求的任何变化的内在活动的信号波动来揭示，这提出了大脑当中可能存在支持网络之间竞争关系的稳定机制的可能性（这种可能性为“中央瓶颈理论”提供了可能的生理基础，这对研究心理与认知机制来说至关重要）。 然而，从人类功能连接数据推断出这种“竞争机制”是一个挑战。因为，在最初的研究和随后的许多研究中，都是在对局部fMRI信号时间过程进行归一化后估计相关性，其中包括对全局信号波动的回归。这个处理步骤迫使大脑所有区域的相关性分布以零为中心，这意味着一半的相关性将被赋值为正，一半被赋值为负。如果不进行这样的标准化，整个大脑的信号就会存在一种低水平的正相关，这种正相关被认为是影响fMRI测量的神经元信号和非神经元噪声信号的结合导致的。随之而来的便是一场关于如何解释负相关关系的广泛辩论，随后提出了新的标准化方法和新的研究焦点。 从发现负相关关系和随后的辩论中我们可以吸取两个教训。首先，观察到的网络之间的差异是鲁棒的。无论是否从机械的角度来解释这些“负相关”关系，与大脑中的其他网络相比，与外部注意相关的网络与默认网络的关联性更小，这一点仍然是正确的。 其次，在解释这种相对的相关值时是有很大的模糊性的。尽管鲁棒的“负相关”关系的存在提出了网络之间存在“竞争关系”的重要可能性，但需要功能连接性研究之外的数据源来确认这些关系并深入了解它们的机制（这一点是极为重要的，这对于我们确认这种负相关关系的神经基础而言是决定性的！）。 （4）正向任务调节（任务态） 尽管我们将其命名为“默认网络”，但是，默认网络的相应区域在特定形式的定向任务期间确实增加了活动（即任务态的正激活）。 抑制默认网络活动的任务往往是面向外部的（前文已经描述过），也就是说，他们要求被试要有选择地关注和回应环境中的刺激。相反，增加默认网络活动的任务往往依赖于基于内部构造的信息，也就是说，心理表征是由记忆和图式灵活构建的，该任务远远超出了直接的感官环境。在早期的研究中出现了这类任务的两个突出例子，一个是自传体记忆，另一个是需要某种形式的社会或自我参照推理的任务。在这两类任务中，默认网络被发现出现了广泛激活。 自传体记忆任务要求个体回忆过去事件的细节。当以组平均数据进行分析时，自传体记忆任务会激活与默认网络非常相似的分布式区域。自传体记忆任务的几个有趣的特性提供了对这个网络功能的深入了解。首先，它们依赖陈述性记忆(即内侧颞叶依赖)，其次，从任务-需求的观点来看，它们落在外部-内部导向统一体的极端内部末端（即基本不需要外部导向）。虽然外部提示常常在任务指导过程中提供指导，但参与者很快就进入了一种内部心理状态，在这种状态下，记忆的进展只需要来自外部世界的最小输入。这项工作的扩展指出，当个人想象未来的假想场景时，默认网络的类似区域也参与其中（这是因为当人们的注意力从当前的外部环境转移到丰富的真实或想象事件的内部表现上时，他们的注意力就会转向内部）。 涉及社会推理的任务也会增加默认网络区域的活动。社会推理任务有多种形式，不太可能涉及单一的心理结构。其中一类经过充分研究的任务探究了人类表征他人心理状态的能力，这种能力通常被称为心智理论（theory of mind）。心智理论任务需要一个基本一致的大脑区域网络，这些区域与默认网络重叠。这些任务需要理解一个中间人的信念，而不是由直接环境中的线索提供的现实刺激。在这类任务中，被试必须暂停他们自己的观点(也称为解耦)来考虑另一个人无法观察到的想法、信仰或感受。 涉及社会认知和自我认知的其他方面的任务也揭示了与默认网络区域重叠的解剖结构。了解一个人的内心或了解另一个人的内心是类似的认知任务，因为它们都需要灵活地采用不

同于当前经验世界的观点。 这些集体观察提高了一种可能性，即默认网络广泛地参与依赖于内部心理状态的高级思维和推理形式。一个有待解决的问题是，这些不同的内部心理状态任务在多大程度上依赖于真正共享的(而不是相关的，甚至是可分离的)过程。 在下一节，作者调查了过去十年的观察结果，发现不同观察形式之间发现的默认网络活动的特定解剖区域存在一定差异，这对它们的功能专门化提出了一些新的问题。 如果您对任务态、静息态以及脑网络（图论，FNC)感兴趣，可点击以下文字了解思影科技的相关课程：

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2. 功能异质性 对激活默认网络的任务的研究最开始强调了它们发现中的共性。这些探索使用了群体平均数据和研究之间的粗略比较来证明，范围广泛的内部心理状态任务(包括记忆、展望未来和推断他人的信念)激活了一组类似的分布区域。 这种原始的观察集中在广泛的皮层区域，以及这些区域共享的性质和功能，并以不同于典型的感觉运动网络的方式运作。然而，这些粗略的描述并没有详细探讨网络中不同区域的嵌入式系统、不同区域的功能和网络的体系结构。 当在同一实验中操作内部心理状态任务的形式时，不同的任务类别会激活不同的并列区域。尽管这些研究的结果仍然受到群体平均导致的空间模糊的限制，但当涉及记忆的任务与需要对他人的想法和信念(心智理论)进行推断的任务进行对比时，一个特别明显的区别就显现了出来。利用自传体记忆的任务优先涉及海马旁皮质和后中线的腹侧部分，靠近后压部皮质。在顶叶下部，涉及记忆的任务也更多地涉及后部区域(即尾侧)，而思维理论任务则优先涉及前部区域(即吻侧)，后者还延伸至颞顶叶交界处。 操纵记忆回溯任务的两项研究揭示了典型(即组定义方式)的默认网络内子区域功能分离的明显例子。在这两项研究中，都对人与地点进行了判断，而最具说服力的专业化证据是通过分析个体参与者的空间细节得出的。在第一项研究中，受试者被要求使用高场强(7T)、高分辨率fMRI扫描，任务是判断两个已知的地点(附近的城市)中哪一个在空间上离他们更近，或者两个已知的人中哪一个离他们更近。尽管这两个任务都在典型的默认网络中广泛激活，但它们在空间上明显分离，包括在后中线附近。面向人的判断激活后扣带皮层的一个中心区域，而面向空间的判断则优先激活腹侧后扣带皮层、后压部皮质和背侧区域的多个周围区域。这些响应的交错提供了证据，证明在默认网络的紧密并列区域之间存在差异的专门化。同样，在另一项研究中，受试者在回忆名人VS熟人(汤姆汉克斯，他们的朋友)与知名地点VS他们熟知的地点(时代广场，他们的工作场所)时，当参与者回忆来自这两个领域的信息时，典型默认网络的多个区域处于活跃状态，但在涉及人和地点的任务之间的后中线脑区内再次出现了明显的分隔，该研究复制了2015年研究中发现的相邻区域的功能专门化。