楔前葉/后扣帶皮層在靜息態功能網絡中起關鍵節點作用的研究進展

邵輝麗，杜小霞

1 靜息態默認腦功能網絡

基于血氧水平依賴(blood oxygen level dependent,BOLD)效應的功能磁共振成像(fMRI)已廣泛應用于腦神經科學、認知和心理等方面的臨床和基礎研究中。

功能連接定義為兩個空間上遠離的腦區之間的時域相關性,空間上分離的腦區，在神經生理活動過程中，如果區域之間的信號波動表現出高度的時間一致性，那么可以認為這些區域組成了一個緊密相關的神經網絡。選擇腦區中的一個或若干個體素作為“種子點”，將該種子區與相應全腦做相關分析，當某些腦區與“種子點”腦區顯示出高度時域相關性時，那么可以認為這些腦區與“種子點”共同構成了一個與大腦某種功能相關的網絡。

在Shulman[1]和Mazoyer[2]等研究的基礎上，Raichle[3]提出了靜息態默認腦活動網絡假說：大腦某些功能腦區在無任務的清醒，即所謂的靜息狀態下就存在比較強的活動，對于不同的任務或刺激，這些特定腦區出現了一致性的衰減，它們共同組成了一個特定的功能性神經網絡，靜息態默認腦活動網絡。靜息狀態下的默認腦網絡可能與人腦的意識，記憶等高級功能有密切的關系。默認網絡被認為是一個高度有序的功能網絡，在被動休息時激活，在一些認知任務時去激活。最近研究發現：默認腦網絡作為一個內在的注意網絡參與陳述性記憶功能[4]。眾多的研究一致認為：內前額葉皮層的背側和腹側，楔前葉/后扣帶皮層(precuneus/posterior cingulated cortex，pC/pCC)，側頂葉，顳葉皮層和內側顳葉共同組成了默認功能網絡[5]。

2 靜息態網絡中的關鍵節點pC/pCC

大腦是生物體內結構和功能最復雜的器官，是精巧和完善的信息處理系統，是由軸突相連結的神經細胞網絡，而細胞本身，又是由生化反應相連結的分子網絡，所以，大腦是一個解剖上極為復雜的網絡。目前采用復雜網絡對靜息態腦活動的研究表明靜息態腦功能網絡具有無標度特性和小世界網絡(small world network)拓撲性質，是一個無尺度網絡(scale-free network)，該網絡具有相對較高的簇系數(cluster coeffi cient)和較小的路徑長度(path length)[6]。靜息態默認腦網絡(default mode network,DMN)中各個腦區作用大小并不相同，通過對腦內體素及腦區按度值和介數值排序，發現pC/pCC 都占比較大的比例。對該網絡作進一步統計分析發現[7]：度值(degree)最大的10個節點中有6個位于扣帶回/楔前葉；介數值(betweenness)最大的10個節點中有4個位于扣帶回/楔前葉。由此我們可以推測pC/pCC在DMN網絡中扮演了重要角色，是靜息狀態下大腦活動的關鍵性區域[7]。

任務驅動神經影像研究和DMN結構功能分析表明默認功能網絡可以分為兩個相互作用的子系統[5]。內在精神活動需要一個神經平臺，而這個平臺需要這兩個子系統之間的相互作用[5]。內側顳葉子系統根據已往經歷以記憶和聯想的形式提供信息，這些記憶和聯想是構建心理模擬活動的基本模塊。內側前額葉皮層子系統在構建“自我相關”的心理模擬過程中則使得這些信息的運用變得更加靈活。這兩個子系統集中在pC/pCC這個靜息態默認網絡中關鍵“中心”(Hub)附近[5]。Fransson[8]等利用偏相關分析方法(partial correlation analysis)研究結果指出pC/pCC可能是靜息態默認網絡中惟一與其他節點直接相互作用的網絡節點。

在靜息狀態時，pC/pCC在調節默認網絡內在活動中起重要作用，這與其在靜息態“自參考”相關的內在思考過程中維持自我意識功能是一致的。另一方面在任務時，“自參考”心理思考任務典型地激活DMN的前部和pC/pCC[9]。許多早期影像研究證明pC/pCC參與各種涉及自我處理相關的各種認知活動。從代謝和生理機制角度來看，pC/pCC也被證明在DMN中起重要作用。如PET研究證明pC/pCC靜息態時代謝活動比其他腦區要高[10]。pC/pCC節點和DMN中其他結點間的廣泛聯系和強互連性使pC/pCC扮演了兩個子系統信息傳輸“樞紐站”的角色[9]。利用偏相關分析方法發現：pC/pCC、內側前額葉(medial prefrontal cortex，MPFC)、兩側右下頂葉一起構成了DMN網絡的“核心”，這些核心腦區之間有強的相關性，而與DMN網絡中的其他腦區間的相關性相對來說顯得稍弱多，比如與顳葉皮層和內側顳葉間相關性較弱[5]。

研究表明,后扣帶回皮層和鄰近的楔前葉負責不斷地從我們自身和周圍世界收集信息，并自動地對這些信息進行分配。在靜息狀態下，楔前葉和扣帶皮層都是腦區代謝活動最大的腦區之一。楔前葉后部區域還與有意識的短時記憶回想有關[11]。中國科學技術大學腦科學研究中心fMRI 研究結果證實[12]，至少有3 個重要的腦區：左外側前額葉皮層、扣帶回、枕內皮層在工作記憶的注意轉移中起到了關鍵的作用。對動物的研究也指出后扣帶回,楔前葉對環境的定位起重要作用[13]。

3 多種疾病相關的默認功能網絡中pC/pCC與其他節點的異常連接

不同領域的研究發現，很多復雜網絡擁有共同的重要特性：大部分節點只有少數幾個連結，而某些節點卻擁有與其他節點的大量連結。這些具有大量連結的節點稱為“集散節點”，其所擁有的連結可能高達數百、數千甚至數萬。很多網絡都是由少數一些具有眾多連結的節點所支配的，包括萬維網、細胞代謝系統，通常稱之為“無尺度”(scale free)網絡。與那些幾乎連結所有節點的集散節點相此，那些不重要的節點只擁有少量的連結，因而去除它們不會對網絡拓撲結構產生重大的影響。但是，對集散節點的依賴，也帶來了一個嚴重問題，只要去除少數幾個主要集散節點，就可導致整個網絡癱瘓。靜息狀態網絡是無尺度網絡，具有小世界特性，是否遵循同樣的運行規則？

從醫學角度來看，網絡異常和病理生理有關，DMN已成為表征和確定靜息態網絡活動異常的一個主要工具，有可能發展成為評價腦區不正常功能連接和某些神經疾病的臨床前期診斷的一個生物學指標。pC/pCC節點功能異常可能導致某些生理病變：基于種子感興趣區關聯分析表明精神分裂癥患者pC/pCC內在fMRI信號振蕩發生改變[14]。孤獨癥患者pC/pCC，MPFC和右下頂葉之間的內在功能連接發生改變[15]。多動癥(attention-defi cit/hyperactivity disorder，ADHD)患者靜息態下pC/pCC內在功能連接與正常對照組相比出現減弱[16]。有輕度遺忘傾向的患者靜息態默認功能網絡的功能連接和pC/pCC的區域同質性出現衰減，這些患者后期可能面臨阿爾茨海默病(AD)的風險[17]。早期的感覺動作處理任務研究發現：阿爾茨海默病患者與正常健康組相比，pCC和內側顳葉等區域的靜息態活動明顯減少[18]。pCC在事件記憶回憶中起重要作用，這與pCC是阿爾茨海默病患者最早代謝減弱腦區的結論是一致的[19]。植物人的pCC與額葉前區的功能連接遭到破環[20]。最近我國的研究亦發現顳葉癲癇患者的pC/pCC無論是功能還是結構的連接均顯著降低[21]。我國的科研工作者利用靜息態功能磁共振成像技術研究缺血性腦卒中患者康復治療前后運動功能網絡連接變化的特點，結果發現康復治療后左側和右側的運動皮層功能連接均降低，并且功能連接系數的降低與腦卒中患者上肢運動功能的改善相關[22]。

本文從復雜網絡的角度入手，由統計結果可以得到楔前葉/后扣帶皮層是靜息狀態下默認網絡的關鍵區域，是靜息態默認腦功能網絡中的重要集散節點。與2004年Greicius等利用感興趣區之間的相關性分析得到的結果具有一致性，即后扣帶回，額葉是大腦默認網絡中的關鍵區域[18,23]。目前的相關研究仍然面臨著困難和挑戰，大腦默認網絡中的關鍵區域與意識和認知功能的關系還不是很清楚；另外靜息態默認腦功能網絡的更確切的生理意義以及疾病狀態下異常網路與病理相關性需要進一步探索。

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