默認網絡的神經機制、功能假設及臨床應用

李雨　舒華

摘要：認知神經科學的迅速發展使得研究者對大腦的功能有了深刻的認識。近些年來，研究者對大腦在進行外在注意任務時產生的負激活有了更多的了解，默認網絡（Default Mode Network）的概念被提出，并引起了很多神經科學家的關注，關于默認網絡的相關理論也已提出。當前綜述對默認網絡的研究歷史，概念理論，個體和種系發展，及其與疾病的關系以及臨床應用等方面進行了概括總結。未來研究可從默認網絡的個體發展，種系差異，與其他大腦網絡（如注意網絡，視覺網絡，執行控制網絡）的關系以及與具體疾病的關系等角度入手進行研究，共同來探討默認網絡的神經機制。

關鍵詞：默認網絡；負激活；功能連接；臨床應用

分類號：B842

1、引言

近些年，認知神經科學發展迅速，取得了豐碩的成果。功能磁共振成像（fMRI）關注腦區激活（activation），即大腦活動增加。然而，有一些腦區包括內側前額葉（medial prefrontal cortex，MPFC），后扣帶回/前楔葉（PCC/Precuneus），角回（angulargyrus，AG）在很多認知任務實驗條件下幾乎不激活。Shulman等人（1997）綜述了相關正電子發射斷層掃描（PET）的研究，發現這些腦區的大部分在安靜條件下的活動比主動任務條件下高，被試在進行認知任務時，這些腦區總是表現出負激活（deactivation）。隨后，Raichle（2001）提出大腦功能“默認模式（Default mode）”的概念，以指當大腦不加工外在任務時回歸到基線狀態（baseline state），并將支持這一功能的腦區稱之為“默認網絡（Default Mode Network，DMN）”。這一概念逐漸被其他研究者所接受。

近十年來研究者對默認網絡的認識越來越深刻，提出了一些重要的理論，相關的研究日益增多。本文主要綜述默認網絡的研究進展。第一，對默認網絡的神經解剖進行簡要介紹。第二，綜述當前的默認網絡功能理論。第三，綜述默認網絡的個體與種系發展。第四，綜述近些年的相關疾病研究。第五，介紹默認網絡可能的臨床價值。最后，對未來的研究進行預期與展望。在這之前，先簡要介紹研究默認網絡的方法。

近些年，默認網絡的研究方法主要集中于以下幾種。第一，任務誘發激活或負激活（task-induced activation/deactivation），如進行需要外在注意任務時，默認網絡負激活，而進行自我參照加工時，默認網絡正激活。第二，靜息態功能連接（resting state functional connectivity，RSFC），這種方法主要考察安靜狀態下大腦不同區域低頻血氧信號隨著時間變化而同步活動的程度，以血氧信號同步活動推測其神經活動的同步性，主要指標是腦區之間時間序列（time-seriesl信號上的相關系數，這種方法可以研究腦區之間功能整合（Friston，2011）。通常的做法是設定一個種子點（seed），然后計算該腦區和其他腦區的功能連接強度（Koyamaet al.，2011）。第三，低頻振幅（amplitude oflow-frequency fluctuation，ALFF；fractional ALFF，fALFF）和局部一致性（Regional homogeneity，ReHo）（Zang，Jiang，Lu，He，&Tian，2004；Zang etal.，2007），前者是指大腦自發活動的幅度，幅度越大說明腦區活動越強烈，后者是指某一個體素（voxel）與該體素周圍的體素血氧信號同步活動的相關程度。第四，彌散張量成像（diffuse tensorimaging，DTI）技術，這種技術主要研究大腦內部腦區之間神經纖維的連接情況，包括纖維粗細，信息傳遞的效率等指標，比如連接左右半球的胼胝體（corpus callosum）以及連接布羅卡區（Brocasarea）和威爾尼克區（Wernickes area）的弓形束（arcuate fasciculus）就可以通過這種技術測得，存在纖維連接的兩個腦區可能共同對某一個功能起作用。第五，獨立成分分析findependentcomponent analysis，ICA），獨立成分分析主要是對整個大腦的低頻血氧信號進行數據驅動，分解出不同的靜息態網絡（如默認網絡，注意網絡，視覺網絡，感知運動網絡），網絡內部腦區活動具有高度同步性，說明網絡內部腦區可能共同對某一功能起作用（Damoiseaux et al.，2006）。第六，以圖論（Graphic Theory）為主的復雜腦網絡分析技術，圖論分析技術關注整個大腦結構或功能網絡，主要衡量指標有節點度（node degree），集群系數（clustering coefficient），最短路徑長度（shortestpath length），中心度（centrality），模塊化（module）等等，研究發現人類大腦具有小世界（small-world）屬性和無標度（scale-flee）屬性（詳細信息請參考Bullmore&Sporns，2009；Liang，Wang，&He，2010）。這些技術和方法為更好地理解默認網絡的活動規律和功能意義提供了巨大的幫助。

2、DMN的神經解剖

默認網絡是一個大腦系統，它包含一些功能聯系緊密的腦區。這些腦區有后扣帶回/前楔葉（PCC/Precuneus），，內側前額葉（MPFC），雙側角回（bilateral AG），雙側外側顳葉（bilateral lateraltemporal codex，LTC），雙側海馬（bilateralhippocampus，HF+）（Fox et al.，2005；Raichle et al.，2001）。默認網絡的活動和注意網絡（attentionnetwork）的活動相互拮抗（anticorrelation）（如圖1）（Fox et al.，2005）。

關于默認網絡的腦區定位，功能磁共振成像研究的結果基本一致。Mazoyer等人（200 1）的PET研究元分析，以及Shannon（2006）分別對區組設計和事件相關設計的fMRI研究進行的元分析得出的默認網絡腦區均和Shulman等人（1997）的元分析結果非常相似。Greicius，Krasnow，Reiss和Menon（2003）首次使用靜息態功能連接分析發現以默認網絡的重要腦區后扣帶回/前楔葉為種子點，其與剩下的腦區都存在功能連接，說明這些腦區具有同步活動的特性，證實默認網絡的存在。獨立成分分析的研究證明默認網絡的存在，研究發現對大腦低頻血氧信號進行獨立成分分析，可以分離出幾個不同的成分，其中一個成分就是默認網絡，其覆蓋腦區與任務誘發的負激活腦區類似（Greicius，Srivastava，Reiss，&Menon，2004；Damoiseaux et al.，2006）。低頻振幅和局部一致性的研究也發現默認網絡的靜息態下的活動顯著高于其他腦區，具有內部活動的一致性，反映了默認網絡在靜息條件下的新陳代謝較高（zang et al.，2004，2007；Long et al.，2008；Zou et al.，2008）。后來的大量研究包括基于圖論（Graphic Theory）的復雜腦網絡研究發現默認網絡相對獨立于其他網絡模塊，其網絡內部各個腦區的功能連接緊密（Fox，Snyde～Zacks，&Raichle，2006；Fair et al.，2008；Supekar et al.，2010；Liang，Zou，He，&Yang，2013），另外還發現默認網絡中的后扣帶回/前楔葉和內側前額葉是重要的大腦網絡樞紐（hub）（Bullmore&Sporns，2009）。

默認網絡活動一致性有其結構基礎。研究發現默認網絡腦區間存在結構連接（Greicius，Supekar，Menon，&Dougherty，2009；Uddin et al.，2010）。Greicius等人（2009）研究發現PCC和雙側的MTL，PCC和MPFC存在神經纖維連接。van den Heuvel等人（2009）使用神經纖維追蹤的方法研究默認網絡內部的纖維連接，結果和Greicius等人（2009）的發現一致，另外還發現MPFC通過上額枕束（superiorfrontal-occipital fasciculus）和雙側角回相連。Uddin等人（2010）發現默認網絡的角回部分存在結構連接分離，角回后部更多地和默認網絡相連。

默認網絡是一個完整的大腦系統，這個系統包含幾個重要的腦區，系統內部存在中樞（hub）和亞系統（subsystem）（Buckneg Andrews-Hanna，&Schacter，2008；Andrews-Hanna，Reidler，Sepulcre，Poulin，&Buekner，2010；Andrews-Hanna，2012）。彌散張量成像和功能連接的研究表明默認網絡內在地（intrinsically）由不同的亞系統和核心腦區構成的（Buckner et al.，2008）。研究發現，PCC似乎是起著一個關鍵的整合作用，和默認網絡其他區域存在顯著的相關（Fransson&Marrelec，2008），對靜息態功能連接和DTI數據進行圖論分析發現PCC和MPFC在全腦范圍內表現出類似中樞的屬性（Hagmann et al.，2008；Bullmore&Sporns，2009），與Liang等人（2013）的發現一致。Andrews-Hanna等人（2010）使用層次聚類技術，圖論分析，功能連接的方法直接研究了默認網絡中樞和亞系統，和之前的研究結果一致，PCC和MPFC前部表現出最高形式的網絡中樞角色，并且顯著地和默認網絡內部其他腦區相關。對其他腦區進行層次聚類發現，海馬，旁海馬回，壓后皮質層，vMPFC和IPL后部組成“內側顳葉系統fmedial temporal lobe（MTL）subsystem）”，而dMPFC，顙頂聯合區（TPJ），顳葉外側，顳極構成“背內側前額葉系統（dorsalmedial prefrontal codex（dMPFC）subsysteml”，但是PCC和前部內側前額葉（anterior medialprefrontal cortex，aMPFC）都共同對這兩個系統的功能起作用。這說明默認網絡內部具有一致性（convergence）和不一致性（divergence）。

3、DMN的功能理論

默認網絡在有外在注意任務的時候負激活，在進行與自我，道德判斷，情景記憶，未來設想等與內部心理有關的任務時正激活（shulman et al.，1997；Buckner et al.，2008；Foster，Dastjerdi，&Parvizi，2012；Andrews-Hanna et al.，2010）。而且外在任務負載量與默認網絡的負激活呈正相關（supekar et al.，2009；Sala-Llonch et al.，201 1）。默認網絡內部區域的功能連接越強，外在行為表現越好，外在任務誘發的正激活腦區與默認網絡腦區的負向功能連接越強，行為表現越好（Hampson，Driesen，Skudlarski，Gore，&Constable，2006；Wang，Han，He，Liu，&Bi，2012）。

因為大腦被動狀態下不受任何限制，很難研究默認網絡的活動，所以要知道它的確切功能意義存在很多問題。然而，認知神經科學研究者依然根據神經影像和電生理的研究提出了默認網絡的理論。Buckner等（2008）提出兩個重要的假設，默認網絡有兩個明顯對立的功能：自發認知功能（spontaneous cognition）和外部環境監控功能（monitoring the environment）。這兩個假設得到了其他研究者的認同（Mantini&Vanduffel，2013）。