默认网络的神经机制、功能假设及临床应用

李雨　舒华

摘要：认知神经科学的迅速发展使得研究者对大脑的功能有了深刻的认识。近些年来，研究者对大脑在进行外在注意任务时产生的负激活有了更多的了解，默认网络（Default Mode Network）的概念被提出，并引起了很多神经科学家的关注，关于默认网络的相关理论也已提出。当前综述对默认网络的研究历史，概念理论，个体和种系发展，及其与疾病的关系以及临床应用等方面进行了概括总结。未来研究可从默认网络的个体发展，种系差异，与其他大脑网络（如注意网络，视觉网络，执行控制网络）的关系以及与具体疾病的关系等角度入手进行研究，共同来探讨默认网络的神经机制。

关键词：默认网络；负激活；功能连接；临床应用

分类号：B842

1、引言

近些年，认知神经科学发展迅速，取得了丰硕的成果。功能磁共振成像（fMRI）关注脑区激活（activation），即大脑活动增加。然而，有一些脑区包括内侧前额叶（medial prefrontal cortex，MPFC），后扣带回/前楔叶（PCC/Precuneus），角回（angulargyrus，AG）在很多认知任务实验条件下几乎不激活。Shulman等人（1997）综述了相关正电子发射断层扫描（PET）的研究，发现这些脑区的大部分在安静条件下的活动比主动任务条件下高，被试在进行认知任务时，这些脑区总是表现出负激活（deactivation）。随后，Raichle（2001）提出大脑功能“默认模式（Default mode）”的概念，以指当大脑不加工外在任务时回归到基线状态（baseline state），并将支持这一功能的脑区称之为“默认网络（Default Mode Network，DMN）”。这一概念逐渐被其他研究者所接受。

近十年来研究者对默认网络的认识越来越深刻，提出了一些重要的理論，相关的研究日益增多。本文主要综述默认网络的研究进展。第一，对默认网络的神经解剖进行简要介绍。第二，综述当前的默认网络功能理论。第三，综述默认网络的个体与种系发展。第四，综述近些年的相关疾病研究。第五，介绍默认网络可能的临床价值。最后，对未来的研究进行预期与展望。在这之前，先简要介绍研究默认网络的方法。

近些年，默认网络的研究方法主要集中于以下几种。第一，任务诱发激活或负激活（task-induced activation/deactivation），如进行需要外在注意任务时，默认网络负激活，而进行自我参照加工时，默认网络正激活。第二，静息态功能连接（resting state functional connectivity，RSFC），这种方法主要考察安静状态下大脑不同区域低频血氧信号随着时间变化而同步活动的程度，以血氧信号同步活动推测其神经活动的同步性，主要指标是脑区之间时间序列（time-seriesl信号上的相关系数，这种方法可以研究脑区之间功能整合（Friston，2011）。通常的做法是设定一个种子点（seed），然后计算该脑区和其他脑区的功能连接强度（Koyamaet al.，2011）。第三，低频振幅（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），前者是指大脑自发活动的幅度，幅度越大说明脑区活动越强烈，后者是指某一个体素（voxel）与该体素周围的体素血氧信号同步活动的相关程度。第四，弥散张量成像（diffuse tensorimaging，DTI）技术，这种技术主要研究大脑内部脑区之间神经纤维的连接情况，包括纤维粗细，信息传递的效率等指标，比如连接左右半球的胼胝体（corpus callosum）以及连接布罗卡区（Brocasarea）和威尔尼克区（Wernickes area）的弓形束（arcuate fasciculus）就可以通过这种技术测得，存在纤维连接的两个脑区可能共同对某一个功能起作用。第五，独立成分分析findependentcomponent analysis，ICA），独立成分分析主要是对整个大脑的低频血氧信号进行数据驱动，分解出不同的静息态网络（如默认网络，注意网络，视觉网络，感知运动网络），网络内部脑区活动具有高度同步性，说明网络内部脑区可能共同对某一功能起作用（Damoiseaux et al.，2006）。第六，以图论（Graphic Theory）为主的复杂脑网络分析技术，图论分析技术关注整个大脑结构或功能网络，主要衡量指标有节点度（node degree），集群系数（clustering coefficient），最短路径长度（shortestpath length），中心度（centrality），模块化（module）等等，研究发现人类大脑具有小世界（small-world）属性和无标度（scale-flee）属性（详细信息请参考Bullmore&Sporns，2009；Liang，Wang，&He，2010）。这些技术和方法为更好地理解默认网络的活动规律和功能意义提供了巨大的帮助。

2、DMN的神经解剖

默认网络是一个大脑系统，它包含一些功能联系紧密的脑区。这些脑区有后扣带回/前楔叶（PCC/Precuneus），，内侧前额叶（MPFC），双侧角回（bilateral AG），双侧外侧颞叶（bilateral lateraltemporal codex，LTC），双侧海马（bilateralhippocampus，HF+）（Fox et al.，2005；Raichle et al.，2001）。默认网络的活动和注意网络（attentionnetwork）的活动相互拮抗（anticorrelation）（如图1）（Fox et al.，2005）。

关于默认网络的脑区定位，功能磁共振成像研究的结果基本一致。Mazoyer等人（200 1）的PET研究元分析，以及Shannon（2006）分别对区组设计和事件相关设计的fMRI研究进行的元分析得出的默认网络脑区均和Shulman等人（1997）的元分析结果非常相似。Greicius，Krasnow，Reiss和Menon（2003）首次使用静息态功能连接分析发现以默认网络的重要脑区后扣带回/前楔叶为种子点，其与剩下的脑区都存在功能连接，说明这些脑区具有同步活动的特性，证实默认网络的存在。独立成分分析的研究证明默认网络的存在，研究发现对大脑低频血氧信号进行独立成分分析，可以分离出几个不同的成分，其中一个成分就是默认网络，其覆盖脑区与任务诱发的负激活脑区类似（Greicius，Srivastava，Reiss，&Menon，2004；Damoiseaux et al.，2006）。低频振幅和局部一致性的研究也发现默认网络的静息态下的活动显著高于其他脑区，具有内部活动的一致性，反映了默认网络在静息条件下的新陈代谢较高（zang et al.，2004，2007；Long et al.，2008；Zou et al.，2008）。后来的大量研究包括基于图论（Graphic Theory）的复杂脑网络研究发现默认网络相对独立于其他网络模块，其网络内部各个脑区的功能连接紧密（Fox，Snyde～Zacks，&Raichle，2006；Fair et al.，2008；Supekar et al.，2010；Liang，Zou，He，&Yang，2013），另外还发现默认网络中的后扣带回/前楔叶和内侧前额叶是重要的大脑网络枢纽（hub）（Bullmore&Sporns，2009）。

默认网络活动一致性有其结构基础。研究发现默认网络脑区间存在结构连接（Greicius，Supekar，Menon，&Dougherty，2009；Uddin et al.，2010）。Greicius等人（2009）研究发现PCC和双侧的MTL，PCC和MPFC存在神经纤维连接。van den Heuvel等人（2009）使用神经纤维追踪的方法研究默认网络内部的纤维连接，结果和Greicius等人（2009）的发现一致，另外还发现MPFC通过上额枕束（superiorfrontal-occipital fasciculus）和双侧角回相连。Uddin等人（2010）发现默认网络的角回部分存在结构连接分离，角回后部更多地和默认网络相连。

默认网络是一个完整的大脑系统，这个系统包含几个重要的脑区，系统内部存在中枢（hub）和亚系统（subsystem）（Buckneg Andrews-Hanna，&Schacter，2008；Andrews-Hanna，Reidler，Sepulcre，Poulin，&Buekner，2010；Andrews-Hanna，2012）。弥散张量成像和功能连接的研究表明默认网络内在地（intrinsically）由不同的亚系统和核心脑区构成的（Buckner et al.，2008）。研究发现，PCC似乎是起着一个关键的整合作用，和默认网络其他区域存在显著的相关（Fransson&Marrelec，2008），对静息态功能连接和DTI数据进行图论分析发现PCC和MPFC在全脑范围内表现出类似中枢的属性（Hagmann et al.，2008；Bullmore&Sporns，2009），与Liang等人（2013）的发现一致。Andrews-Hanna等人（2010）使用层次聚类技术，图论分析，功能连接的方法直接研究了默认网络中枢和亚系统，和之前的研究结果一致，PCC和MPFC前部表现出最高形式的网络中枢角色，并且显著地和默认网络内部其他脑区相关。对其他脑区进行层次聚类发现，海马，旁海马回，压后皮质层，vMPFC和IPL后部组成“内侧颞叶系统fmedial temporal lobe（MTL）subsystem）”，而dMPFC，颡顶联合区（TPJ），颞叶外侧，颞极构成“背内侧前额叶系统（dorsalmedial prefrontal codex（dMPFC）subsysteml”，但是PCC和前部内侧前额叶（anterior medialprefrontal cortex，aMPFC）都共同对这两个系统的功能起作用。这说明默认网络内部具有一致性（convergence）和不一致性（divergence）。

3、DMN的功能理论

默认网络在有外在注意任务的时候负激活，在进行与自我，道德判断，情景记忆，未来设想等与内部心理有关的任务时正激活（shulman et al.，1997；Buckner et al.，2008；Foster，Dastjerdi，&Parvizi，2012；Andrews-Hanna et al.，2010）。而且外在任务负载量与默认网络的负激活呈正相关（supekar et al.，2009；Sala-Llonch et al.，201 1）。默认网络内部区域的功能连接越强，外在行为表现越好，外在任务诱发的正激活脑区与默认网络脑区的负向功能连接越强，行为表现越好（Hampson，Driesen，Skudlarski，Gore，&Constable，2006；Wang，Han，He，Liu，&Bi，2012）。

因为大脑被动状态下不受任何限制，很难研究默认网络的活动，所以要知道它的确切功能意义存在很多问题。然而，认知神经科学研究者依然根据神经影像和电生理的研究提出了默认网络的理论。Buckner等（2008）提出两个重要的假设，默认网络有两个明显对立的功能：自发认知功能（spontaneous cognition）和外部环境监控功能（monitoring the environment）。这两个假设得到了其他研究者的认同（Mantini&Vanduffel，2013）。