楔前叶/后扣带皮层在静息态功能网络中起关键节点作用的研究进展

邵辉丽，杜小霞

1 静息态默认脑功能网络

基于血氧水平依赖(blood oxygen level dependent,BOLD)效应的功能磁共振成像(fMRI)已广泛应用于脑神经科学、认知和心理等方面的临床和基础研究中。

功能连接定义为两个空间上远离的脑区之间的时域相关性,空间上分离的脑区，在神经生理活动过程中，如果区域之间的信号波动表现出高度的时间一致性，那么可以认为这些区域组成了一个紧密相关的神经网络。选择脑区中的一个或若干个体素作为“种子点”，将该种子区与相应全脑做相关分析，当某些脑区与“种子点”脑区显示出高度时域相关性时，那么可以认为这些脑区与“种子点”共同构成了一个与大脑某种功能相关的网络。

在Shulman[1]和Mazoyer[2]等研究的基础上，Raichle[3]提出了静息态默认脑活动网络假说：大脑某些功能脑区在无任务的清醒，即所谓的静息状态下就存在比较强的活动，对于不同的任务或刺激，这些特定脑区出现了一致性的衰减，它们共同组成了一个特定的功能性神经网络，静息态默认脑活动网络。静息状态下的默认脑网络可能与人脑的意识，记忆等高级功能有密切的关系。默认网络被认为是一个高度有序的功能网络，在被动休息时激活，在一些认知任务时去激活。最近研究发现：默认脑网络作为一个内在的注意网络参与陈述性记忆功能[4]。众多的研究一致认为：内前额叶皮层的背侧和腹侧，楔前叶/后扣带皮层(precuneus/posterior cingulated cortex，pC/pCC)，侧顶叶，颞叶皮层和内侧颞叶共同组成了默认功能网络[5]。

2 静息态网络中的关键节点pC/pCC

大脑是生物体内结构和功能最复杂的器官，是精巧和完善的信息处理系统，是由轴突相连结的神经细胞网络，而细胞本身，又是由生化反应相连结的分子网络，所以，大脑是一个解剖上极为复杂的网络。目前采用复杂网络对静息态脑活动的研究表明静息态脑功能网络具有无标度特性和小世界网络(small world network)拓扑性质，是一个无尺度网络(scale-free network)，该网络具有相对较高的簇系数(cluster coeffi cient)和较小的路径长度(path length)[6]。静息态默认脑网络(default mode network,DMN)中各个脑区作用大小并不相同，通过对脑内体素及脑区按度值和介数值排序，发现pC/pCC 都占比较大的比例。对该网络作进一步统计分析发现[7]：度值(degree)最大的10个节点中有6个位于扣带回/楔前叶；介数值(betweenness)最大的10个节点中有4个位于扣带回/楔前叶。由此我们可以推测pC/pCC在DMN网络中扮演了重要角色，是静息状态下大脑活动的关键性区域[7]。

任务驱动神经影像研究和DMN结构功能分析表明默认功能网络可以分为两个相互作用的子系统[5]。内在精神活动需要一个神经平台，而这个平台需要这两个子系统之间的相互作用[5]。内侧颞叶子系统根据已往经历以记忆和联想的形式提供信息，这些记忆和联想是构建心理模拟活动的基本模块。内侧前额叶皮层子系统在构建“自我相关”的心理模拟过程中则使得这些信息的运用变得更加灵活。这两个子系统集中在pC/pCC这个静息态默认网络中关键“中心”(Hub)附近[5]。Fransson[8]等利用偏相关分析方法(partial correlation analysis)研究结果指出pC/pCC可能是静息态默认网络中惟一与其他节点直接相互作用的网络节点。

在静息状态时，pC/pCC在调节默认网络内在活动中起重要作用，这与其在静息态“自参考”相关的内在思考过程中维持自我意识功能是一致的。另一方面在任务时，“自参考”心理思考任务典型地激活DMN的前部和pC/pCC[9]。许多早期影像研究证明pC/pCC参与各种涉及自我处理相关的各种认知活动。从代谢和生理机制角度来看，pC/pCC也被证明在DMN中起重要作用。如PET研究证明pC/pCC静息态时代谢活动比其他脑区要高[10]。pC/pCC节点和DMN中其他结点间的广泛联系和强互连性使pC/pCC扮演了两个子系统信息传输“枢纽站”的角色[9]。利用偏相关分析方法发现：pC/pCC、内侧前额叶(medial prefrontal cortex，MPFC)、两侧右下顶叶一起构成了DMN网络的“核心”，这些核心脑区之间有强的相关性，而与DMN网络中的其他脑区间的相关性相对来说显得稍弱多，比如与颞叶皮层和内侧颞叶间相关性较弱[5]。

研究表明,后扣带回皮层和邻近的楔前叶负责不断地从我们自身和周围世界收集信息，并自动地对这些信息进行分配。在静息状态下，楔前叶和扣带皮层都是脑区代谢活动最大的脑区之一。楔前叶后部区域还与有意识的短时记忆回想有关[11]。中国科学技术大学脑科学研究中心fMRI 研究结果证实[12]，至少有3 个重要的脑区：左外侧前额叶皮层、扣带回、枕内皮层在工作记忆的注意转移中起到了关键的作用。对动物的研究也指出后扣带回,楔前叶对环境的定位起重要作用[13]。

3 多种疾病相关的默认功能网络中pC/pCC与其他节点的异常连接

不同领域的研究发现，很多复杂网络拥有共同的重要特性：大部分节点只有少数几个连结，而某些节点却拥有与其他节点的大量连结。这些具有大量连结的节点称为“集散节点”，其所拥有的连结可能高达数百、数千甚至数万。很多网络都是由少数一些具有众多连结的节点所支配的，包括万维网、细胞代谢系统，通常称之为“无尺度”(scale free)网络。与那些几乎连结所有节点的集散节点相此，那些不重要的节点只拥有少量的连结，因而去除它们不会对网络拓扑结构产生重大的影响。但是，对集散节点的依赖，也带来了一个严重问题，只要去除少数几个主要集散节点，就可导致整个网络瘫痪。静息状态网络是无尺度网络，具有小世界特性，是否遵循同样的运行规则？

从医学角度来看，网络异常和病理生理有关，DMN已成为表征和确定静息态网络活动异常的一个主要工具，有可能发展成为评价脑区不正常功能连接和某些神经疾病的临床前期诊断的一个生物学指标。pC/pCC节点功能异常可能导致某些生理病变：基于种子感兴趣区关联分析表明精神分裂症患者pC/pCC内在fMRI信号振荡发生改变[14]。孤独症患者pC/pCC，MPFC和右下顶叶之间的内在功能连接发生改变[15]。多动症(attention-defi cit/hyperactivity disorder，ADHD)患者静息态下pC/pCC内在功能连接与正常对照组相比出现减弱[16]。有轻度遗忘倾向的患者静息态默认功能网络的功能连接和pC/pCC的区域同质性出现衰减，这些患者后期可能面临阿尔茨海默病(AD)的风险[17]。早期的感觉动作处理任务研究发现：阿尔茨海默病患者与正常健康组相比，pCC和内侧颞叶等区域的静息态活动明显减少[18]。pCC在事件记忆回忆中起重要作用，这与pCC是阿尔茨海默病患者最早代谢减弱脑区的结论是一致的[19]。植物人的pCC与额叶前区的功能连接遭到破环[20]。最近我国的研究亦发现颞叶癫痫患者的pC/pCC无论是功能还是结构的连接均显著降低[21]。我国的科研工作者利用静息态功能磁共振成像技术研究缺血性脑卒中患者康复治疗前后运动功能网络连接变化的特点，结果发现康复治疗后左侧和右侧的运动皮层功能连接均降低，并且功能连接系数的降低与脑卒中患者上肢运动功能的改善相关[22]。

本文从复杂网络的角度入手，由统计结果可以得到楔前叶/后扣带皮层是静息状态下默认网络的关键区域，是静息态默认脑功能网络中的重要集散节点。与2004年Greicius等利用感兴趣区之间的相关性分析得到的结果具有一致性，即后扣带回，额叶是大脑默认网络中的关键区域[18,23]。目前的相关研究仍然面临着困难和挑战，大脑默认网络中的关键区域与意识和认知功能的关系还不是很清楚；另外静息态默认脑功能网络的更确切的生理意义以及疾病状态下异常网路与病理相关性需要进一步探索。

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