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学习笔记-后扣带皮层中存在其他脑区域的回音(echoes)

已有 6451 次阅读 2013-12-29 18:01 |个人分类:学习笔记|系统分类:科研笔记| PCC

阅读笔记(Leech et al. 2012 J. NeuroSci)。要点:PCC中的信号来自大脑的不同网络。

后扣带皮层(posterior cingulate cortex, PCC)是大脑中被称为默认模式网络(default mode network, DMN) 中的主要节点。PCC的功能目前尚不明确。

DMN包括了一系列脑区:PCC, Medial prefrontal cortex (MPFC), 以及内侧颞叶 (medial temporal lobe, MTL)(Greicius et al. 2009)。在休息时(苏醒但不进行特定任务,wakeful rest),DMN比较活跃,而在被试者执行某些认知任务时,比如,凝视面前的十字线 (fixation cross hair)时,它的活动水平会降低 (Raichle et al. 2001)。

PCC和其它脑区域有着广泛的结构性连接(structural connection, Hagmann et al. 2008)。PCC的功能性连接会随任务难度而发生改变(Leech et al. 2011),这提示了其在认知控制功能中存在一定作用。电生理实验显示,部分PCC神经元的神经发放率可以预测之后的反应速度及正确率,较高的发放率预示了较慢的,或者是错误的反应(Hayden et al. 2009, in macaque monkeys)。这显示了PCC可能参与了收集信息并控制行为的过程。

为了变化的环境中做出灵活的反应,需要某个器官从大脑的各个分系统中收集并整合信息。如果PCC扮演了这样一个整合器的角色,则PCC的活动应该会反应出大脑其它系统的活动才对。为了验证这个假设,Leech et al.尝试将PCC的活动分解成为数个独立的信号,然后调查这些独立信号与大脑其他系统的功能性连接(通过测试相关性)。除此之外,Leech et al.还进一步研究了这些独立信号是否同样在执行任务时受到抑制,就像PCC整体的活动一样。

实验对象:
16名健康成年人(7男,27~58岁)    
行为实验:十字线250ms,指示箭头1400ms,interstimulus interview1750ms,被试者应在看到箭头后尽快按压对应方向的按键。
每个人进行4次 response trials,之后是5blocks的response trials(14trials)+rest trials(14trials).共计74trials。
结果:
1.休息状态下的PCC神经活动被分离成相互独立的10个子信号(ICA分析)。每个信号包含了一个空间分布矩阵和一个时间变化信号(使用GLM计算得到)。每个空间分布可以用一个子区域来表示(高于一定阈值的部分?)。
(图2a左半部分)

2.计算休息状态下每个子信号的时间变化信号与大脑其他部分活动的相关性(使用GLM),得到对应的功能性连接:(1)与DMN其余部分的连接(ROI1)(2)与其余功能性网络的连接,如:ROI3和ROI9与frontoparietal network的连接。(3)某些子区域与任何别的已知脑网络都没有太强的功能性连接(原文是“享有低空间相似性”,有疑义)。
 以上结果基于10个子区域。基于7个,或者15个子区域的分析给出了相似的功能性连接(图3)。
3.基于response task中的fMRI数据可以得出和基于休息状态时相似的功能性连接(图4b)。
 另一方面,10个子信号中,只有两个子信号(对应左右dorsal PCC)的时系列信号在任务中被显著抑制。没有显著增强的信号。
4.多元回归(这里指的应该是对基于ICA分离出的独立空间分布矩阵进行多元回归得出对应的时间序列信号)和单变量分析(传统方法,直接对10个子区域的神经活动信号取平均)在功能性连接分析中的应用比较:图5a显示了对两种由不同方法得出时序列信号分别做相关分析的结果,每个图表示一个相关系数矩阵(计算方法:任意一对信号的相关系数做fisher z 变换后,对所有被试者取平均,然后再变回相关系数)。5a左:基于单变量方法得出的信号相互之间有很强的相关性。5a右:基于多元分析得出的信号,大部分信号之间没有强的相关。5b,两种不同方法得出的与脑其它区域的功能性连接图。单变量方法得出的功能性连接非常广泛,且与子区域的选取无关。5c,采用单变量方法,任务中,所有子区域的活动都显著降低了。

讨论:
 本研究直接证实了PCC的活动与大脑的不同网络有关。PCC在任务中活动受到抑制,这种变化主要源于对应左右背侧PCC子区域的两个独立信号。背侧PCC子区域与被认为跟注意有关的frontoparietal network存在功能性连接,因此PCC可能与保持分散性注意力有关。PCC可能被用来整合来自大脑不同部分的信息,以监视环境的快速变化。一旦刺激信号被确定,开始执行特定任务,PCC的活动就会下降。
 与之前的研究不同,本研究显示,PCC活动中的大部分成分在任务中并无明显变化,仍然保持活跃。这与其它研究中,PCC的代谢率虽然在任务中降低但仍高于多数大脑区域的结果相符合(Pfefferbaum et al. 2011)。
 除了PCC外,大脑中还存在其它的hub区域,如thalamus和anterior cingulate。一个可能性是:大脑中有很大一部分区域都存在广泛的连接,就像PCC一样。(参见此论文作者的最新论文,Braga et al. 2013。其它区域包括:temporoparietal and temporo-occipito-parietal junction, rightmiddle frontal gyrus, 和 dorsalanterior cingulate cortex)

References:

Greicius M, Supekar K, Menon V, Dougherty R (2009) Resting-state functional connectivity reflects structural connectivity in the default mode network. Cereb Cortex 19(1):72–78. Epub 2008 Apr 9

Hagmann P, Cammoun L, Gigandet X, Meuli R, Honey C, Wedeen V, Sporns O (2008) Mapping the structural core of human cerebralcortex. PLoS Biol 6(7):e159

Hampson M, Driesen NR, Skudlarski P, Gore JC, Constable RT (2006) Brain connectivity related to working memory performance. J Neurosci26:13338–13343.

Hayden BY, Smith DV, Platt ML (2009) Electrophysiological correlates of default-mode processing in macaque posterior cingulate cortex. Proc Natl Acad Sci U S A 106:5948–5953

Leech R, Kamourieh S, Beckmann CF, Sharp DJ (2011) Fractionating the default mode network: distinct contributions of the ventral and dorsal posterior cingulate cortex to cognitive control. J Neurosci 31:3217–3224.

Leech R, Braga R, Sharp DJ (2012) Echoes of the brain within the posteriorcingulate cortex. J Neurosci 32:215–222.

Pfefferbaum A, Chanraud S, Pitel AL,Mu¨ller-Oehring E, Shankaranarayanan A, Alsop DC, Rohlfing T, Sullivan EV (2011) Cerebral blood flow in posterior cortical nodes of the default mode network decreases with task engagement but remains higher than inmost brain regions. CerebCortex 21:233–244

Braga RM, Sharp DJ, Leeson C, Wise RJ, Leech R (2013) Echoes of the BrainwithinDefault Mode, Association, and Heteromodal Cortices. J Neurosci 33(35):14031–14039



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