焦慮與執行功能的腦網絡與教育轉化

羅躍嘉

焦慮障礙是目前我國精神疾病中患病率最高的一種疾病，北京大學第六醫院開展過一個大規模的我國精神疾病的流行病調查報告，發表在《柳葉刀：精神病學》雜志上，報告指出在抑郁癥、多動癥、精神分裂癥等常見精神疾病中，焦慮癥的終身患病率最高，為7.6%。

當前新型冠狀肺炎疫情凸顯的焦慮等心理健康問題，引起了全球的廣泛關注。對于精神健康問題，我們國家非常重視，中共中央、國務院印發的 《“健康中國2030”規劃綱要》明確指出，“加強對抑郁癥、焦慮癥等常見精神障礙和心理行為問題的干預，加大對重點人群心理問題早期發現和及時干預力度”。

什么是焦慮

焦慮癥有多種分類，主要包括廣泛性焦慮、社交焦慮、驚恐障礙。如果回顧最近20年發表的論文，可以看出與焦慮相關的論文發表最多，美國國立精神衛生研究院（NIMH）也把焦慮作為重要的研究和工作對象。

什么叫焦慮？簡單來說就是一種緊張害怕和不安的體驗。焦慮的軀體（生理）表現，或者叫植物神經系統反應，如顏面潮紅、出汗、心悸、胸悶、氣短、顫抖等;其精神/行為表現為緊張恐懼，搓手頓足，坐立不安，來回踱步，并同時伴有內心焦慮不安。焦慮可分為兩類：特質焦慮和狀態焦慮。特質焦慮指一種一般性的人格特點或特質，表現為一種比較持續的擔心和不安，常用特質焦慮問卷（STAI—T）測量;狀態焦慮指因為特定情境引起的暫時的不安狀態，如考試焦慮，常用狀態焦慮問卷（STAI—S）測量。來自動物研究的結果表明，去甲腎上腺素（NE）驅動的交感神經系統和皮質醇（CR）驅動的HPA軸系統，貫穿基因、腦神經環路和認知行為層面。通俗來講，應激條件下，交感神經系統的激活或處于高度緊張狀態——快速反應，會伴隨去甲腎上腺素，以及多巴胺等神經遞質水平上升，明顯影響大腦神經元正常的興奮與抑制性平衡，進而改變警覺與高級執行功能等信息加工過程;丘腦—垂體—腎上腺軸的激活或處于高度緊張狀態——慢速反應，會伴隨皮質醇水平上升，皮質醇穿越血腦屏障進入中樞，進而影響大腦各功能網絡活動，尤其是以海馬為核心的學習與記憶系統。

焦慮與執行功能的關系

文章的主題是焦慮與執行功能，執行功能是指在完成復雜的認知任務時，對各種認知過程進行協調的一般性控制機制，其本質就是對其他認知過程進行控制和調節，根本目的就是產生協調有序的、具有目的性的行為。研究發現，焦慮和應激等負性情緒對執行控制中的更新、切換和抑制有損害作用。

近年來腦成像研究發現，杏仁核、眶額葉、扣帶回、腦島等結構與社會行為、情緒密切相關，于是有人提出了“社會腦”和“情緒腦”的概念。進一步研究認為，大腦中存在的突顯網絡包括背側扣帶前回和前腦島;默認網絡包括內側前額葉，后扣帶回，以及外側頂葉皮層;執行控制網絡或額頂網絡包括背外側前額葉和額下回，以及一些具體的腹側注意網絡、背側注意網絡、視覺網絡、聽覺網絡等。焦慮發生時，突顯網絡的活動增強，而執行控制網絡和默認網絡的活動減弱。

該研究也發現突顯網絡內部動態交互的神經振蕩機制：如高A頻段的神經振蕩與突顯網絡的功能協同高度相關，提示突顯網絡內部的神經振蕩可能是情緒信息動態交互的神經基礎。什么是神經振蕩？我們觀察腦電圖會發現各種頻譜的腦電波，例如A 頻段，在我們閉眼或打瞌睡的時候就可以記錄到。

執行控制的腦網絡模型

研究也提出了執行控制的腦網絡模型：不僅是前額葉單個腦區，而且包含前額葉和頂葉的多個腦區組成的全腦可變功能連接，可通過與其他網絡之間功能連接的動態變化。可以認為：高級的執行控制網絡、突顯網絡和默認網絡間的動態交互，以及與具體的注意網絡、視聽網絡之間的交互，在認知控制中發揮了關鍵作用。突顯網絡主要負責應激、威脅刺激等負性情緒加工，而執行控制網絡主要與執行功能相關，藍斑—去甲腎上腺素調控的神經遞質也在深層發揮著重要作用。

因此我們提出了科學問題：在宏觀上考察焦慮如何調節執行功能相關的腦網絡可塑性變化，包括腦網絡功能連接模式、網絡間神經振蕩和網絡間的因果調控關系;在微觀上思考神經遞質和炎癥細胞因子如何參與調控“焦慮與執行功能”以及腦網絡交互變化。并由此提出情緒和執行控制動態交互的動態腦網絡模型的假說，包含三個意思：一是突顯網絡與執行控制網絡、默認網絡，以及感知覺網絡動態交互，完成情緒和認知控制信息的加工和資源轉化;二是網絡間的神經振蕩可能負責完成以上的資源轉化和信號同步;三是神經調控系統LC—NE系統可能通過神經遞質對以上過程進行調控。

對于上面這個假說，我們也得到一些實驗的支持。例如，通過對特質焦慮水平與杏仁核形狀的相關分析，發現右側杏仁體的中外側表面形狀與焦慮特質評分存在顯著的相關性，具體表現為：焦慮特質越高的人，右側杏仁體中外側表面越往外凸。該結果提示了右側杏仁體的中核與外側核在焦慮特質的神經機制中具有重要作用。

再如在和美國紐約城市大學的合作研究中，通過對情緒喚醒（皮膚電）與自發腦活動間的關系研究，發現扣帶前回和腦島等任務正相關的突顯網絡節點腦區的自發神經活動強烈;而扣帶回后部和腹內側前額葉等默認網絡節點腦區的自發神經活動較弱。還有，當觀看負性圖片時，其皮膚電等自主神經活動動態波動。同時突顯網絡內部的功能連接在動態變化，兩者變化高度協同，提示突顯網絡的動態性可能是情緒加工動態性的神經基礎。這還需要大量的研究直接驗證，比如在應激和焦慮對執行功能調節的任務中，加入瞳孔直徑的直接測量，另外，可以使用藥物操作，調節LC—NE水平，考察情緒網絡和執行控制網絡交互的變化。

在與美國同行的合作研究中，我們發現炎癥通過以腹內側前額葉為中樞的腦網絡來影響行為特征。關于炎癥網絡機制的前期研究基礎。基于分割的網絡分析，包括63個連接，47個腦區。4種抑郁癥狀所對應的炎癥網絡以及它們在預測癥狀時的準確率。腹側紋狀體—腹內前額葉功能連接能預測快感缺失;背側尾狀核—腹內前額葉功能連接能預測精神運動遲滯;杏仁核—腹內側前額葉功能連接能預測焦慮評分;抑郁（紋狀體）和焦慮（杏仁核）兩個環路可能交匯在腹側紋狀體，這一點尚需證實。

決策的不確定因素對于焦慮的發生有重要作用

我們最近完成了一項元分析工作，從500篇文獻中篩選出29個研究項目進行元分析。發現情緒網絡與認知控制網絡和情緒調節網絡之間的功能連接減弱，具體表現在焦慮者的執行控制網絡和默認網絡之間功能連接減弱。這個發現剛好符合前面提到的三種常見的焦慮，其中廣泛性焦慮占40%，社交焦慮占43%，驚恐障礙占10%，其他類型的焦慮只有7%。這個研究于2019年發表在國際《神經科學與生物研究綜述》雜志上。

我們發現決策的不確定因素對于焦慮的發生也有重要作用。在一項對高低焦慮者的博弈任務中，發現高焦慮者對“輸”（負性結果）的神經反應，反映在一個叫作“反饋負波”的腦電成分，比低焦慮者更小，說明在高焦慮人群中，對輸贏結果產生的腦反應更小，可能他們是一種更為悲觀的態度。

我們又設置了不確定狀態，發現結果發生了倒轉：高焦慮者在不確定結果條件下反饋負波更大，說明他們對“輸贏”的反應強于低焦慮者，換句話說，他們往往把不確定的結果認為是負性的結果。

磁共振成像研究表明，焦慮與恐懼對未來不確定威脅的預期引發更強的情緒反應：激活背內側前額葉、島葉和海馬等;高焦慮個體在額頂葉執行控制網絡以及丘腦和海馬旁回的激活更強，可能與執行控制補償和過度的情緒加工有關。使用心理生理交互分析（PPI）技術，發現杏仁核和背外側前額葉，顳上回、丘腦、枕葉的功能連接在高焦慮者的不確定預期加工中異常增強。這樣就建立了杏仁核腦網絡與焦慮不確定加工的關聯，證明了不確定威脅加工的腦網絡異常可能是焦慮產生的核心機制。在一項對考試焦慮的腦成像研究中，我們關注核心的三個腦網絡，突顯網絡，執行控制網絡與默認網絡的激活，網絡內部與網絡之間的功能連接，通過功能連接測量考察應激和焦慮對網絡內部和網絡間交互的影響。結果發現：高焦慮人群在長期應激下，突顯網絡和執行控制網絡的協同減弱了，執行控制網絡和默認網絡之間的對抗也減弱了。

焦慮與執行功能的研究對于教育轉化的應用

最后，談談以上研究對于教育的轉化應用?？梢岳眉夹g具備的先進性和系統性，例如通過多場景認知測評、多模態腦成像和多靶點神經調控，來滿足臨床、教育方面的需求。我們認為，腦與學習的核心產品體系在于多種設備和硬件，例如可通過磁共振成像、腦電、近紅外、多導生理記錄，以及磁刺激、電刺激、光刺激，進行腦數據的測試和神經調控。在軟件方面包括中國情緒材料庫、雙生子基因和行為數據庫、青少年認知作業、情緒任務等多種數據庫的完善而實現。在這方面，中國心理學和認知神經科學研究者在大腦結構功能解析、高效學習的認知神經原理。認知訓練、神經調控等方面都有可喜的進展。實施的范圍覆蓋北京、浙江、四川、重慶、廣東等地，這必將在教育領域和醫療領域發揮越來越重要的作用。