张 芬 王穗苹 杨娟华 冯刚毅
(华南师范大学心理应用研究中心/心理学院,广州510631)
自闭症谱系障碍(Autism spectrum disorders,ASD)是一种常见的神经发育障碍,属于广泛性发育障碍的一种。近几年来,ASD群体的数目持续增长,越来越多的儿童被确诊为ASD(Blumberg et al.,2013)。在3~17岁少年人群中,平均每68人中就有1个人可能患有ASD(Centers for Disease Control and Prevention,2012)。ASD主要表现为三大典型症状,包括社会交往障碍(social deficits)、言语交流困难(communication difficulties)、兴趣狭窄及重复刻板行为(restricted interests and repetitive behavior)(American Psychiatric Association,2013;Johnson&Myers,2007),这些症状严重危害ASD儿童的身心健康,影响他们正常的社会交往和学习就业,给自身、家庭和社会带来负担。
迄今为止,仍然没有一个统一的理论框架可以清楚地解释ASD的症状表现。Müller(2007)提出“分散性障碍(distributed disorder)”的观点,认为自闭症状并不是由单个神经系统或大脑网络的改变引起的,而是涉及基因、神经解剖学特征、大脑功能组织及后天教育等多个方面。探讨ASD背后的神经生物学机制,了解其大脑的异常改变,是ASD研究的关注热点。随着神经影像学的进步,多种研究技术被用于探讨异常的ASD大脑,例如功能磁共振成像(Functional Magnetic Resonance Imaging,fMRI),扩散张量成像(Diffusion Tensor Imaging,DTI),近红外光学成像(Functional Near Infrared Spectroscopy,fNIRS)等脑成像技术。这些研究表明(Kana,Uddin,Kenet,Chugani,&Müller,2014;Park&Friston,2013;Zhu,Fan,Guo,Huang,&He,2014),与同龄的正常人相比,ASD大脑在功能和结构上都发生了异常变化。
近年来,ASD大脑异常的功能连接模式颇受关注和争议。大脑功能连接(functional connectivity)通过计算大脑激活的相关性检查脑区间的神经交互作用。人们在执行任务时,离不开负责特定功能的脑区间的整合,分析大脑功能连接是了解大脑功能整合性的方法之一(Friston,2011)。结合近年来对ASD的功能磁共振研究,不难发现ASD大脑的功能连接呈现一种混乱的模式——既存在过度连接也有连接不足(Maximo,Cadena,&Kana,2014)。ASD这种像被打乱似的大脑连接及其与症状之间的关系,是未来ASD研究的关注重点。
在ASD功能连接的研究中,常用远距离连接(long-distantConnectivity)和局部连接(local connectivity)作为区分不同空间距离的指标。远距离连接是指在解剖空间上相距较远(一般为14 mm以上)的脑区间的功能连接,反映脑区间信息整合的指标;局部连接是指感兴趣区与其相邻的脑区(一般为14 mm以内)间的功能连接,反映局部信息交流的指标(Sepulcre et al.,2010;Vissers,Cohen,&Geurts,2012)。无论是在静息态下还是任务态下,ASD大脑在这两个指标上都表现出异常,并与他们在社交、语言和行为等方面的障碍有关(Wass,2011)。静息态的功能连接研究,主要用于探讨大脑固有的功能连接。而结合不同的任务状态,可以考察与任务有关的大脑功能连接模式。因此,我们将结合静息态与任务态两方面的证据,阐述ASD大脑远距离连接和局部连接的异常表现以及有关的理论假说。
相比正常人而言,ASD大脑皮层不同区域间的功能连接明显降低,尤其是在进行高级的社会认知活动时。即是说,ASD表现出远距离脑区间的功能连接不足。
ASD大脑远距离功能连接在静息状态下有显著的降低(Abrams et al.,2013;Verly et al.,2014)。在社交方面,ASD受损的社交能力和情绪体验可能与他们涉及情绪加工的脑区的远距离功能连接异常有关。例如,在静息态下,ASD大脑杏仁核与脑岛间远距离功能连接的降低(Ebisch et al.,2011)。而ASD大脑中涉及奖赏功能的多巴胺环路与两侧后颞上沟的功能连接也显著降低(Abrams et al.,2013)。这个静息态研究结果提示我们ASD被试可能难以把环境中的语音信息作为愉快的刺激接收。除了与社交有关的网络外,在ASD大脑的语言网络中也发现了类似的远距离功能连接降低的现象。分析语言受损的ASD-LI(ASD-Language Impairment)被试在静息态时的语言网络(language network),发现ASD大脑中负责语言加工的脑区间的连接显著低于正常组,如大脑两侧布洛卡区与背外侧前额叶间的连接,负责语言监控的脑区与右侧小脑之间的连接(Verly et al.,2014)。在静息态中的经典网络——默认网络(default mode network,DMN)也发现了远距离脑区间的连接下降,如后扣带回与额上回、颞叶之间(Weng et al.,2010)。
在进行高层次的认知活动时,ASD大脑远距离区域间的功能连接也表现出不同程度的降低。研究发现,在进行涉及执行功能的任务时,ASD大脑额-顶远距离功能连接显著低于正常组(Just,Cherkassky,Keller,Kana,&Minshew,2007)。ASD的重复刻板行为可能与他们存在这种反应执行困难有关。运用反向眼跳范式,Agam,Joseph,Barton和Manoach(2010)探讨了ASD反应抑制障碍与刻板行为的关系,发现ASD在额眼区和背侧前扣带回间的功能连接显著低于控制组,这两个脑区分别涉及自主性眼跳和自上而下加工。在社会交往方面,前人的研究发现ASD被试缺乏相应的“心理理论(Theory of Mind,ToM)”,即理解和推理他人心理状态的一种重要社交能力(Baron-Cohen,Leslie,&Frith,1985)。脑成像的研究结果发现,在对动态几何图像进行心理归因时,成年ASD组ToM网络中额叶和脑后区域的连接显著低于正常发育组,尤其是额中回、旁扣带回前部、眶额叶和右侧颞中/上回间的连接(Kana,Keller,Cherkassky,Minshew,&Just,2009)。在辨别社会线索的任务中,高功能ASD组不同脑区间的连接程度也显著小于正常组,特别是额中回、右侧顶上小叶、颞上回等脑区间的连接(Schipul,Williams,Keller,Minshew,&Just,2012)。
针对ASD大脑远距离连接不足的现象,Just,Cherkassky,Keller,Kana和Minshew(2004)提出了“连接不足假说(underconnectivity theory)”, 这是最早针对ASD大脑功能连接提出的假说之一。他们发现在句子理解任务中,高功能ASD被试负责语言加工的脑区间的功能连接显著低于正常组。该假说认为,ASD的认知和神经障碍是由信息整合环路的功能连接下降引起的,尤其是额叶与其它脑区间的连接。而ASD在认知、语言和社交方面的障碍都属于高层次加工,它们都需要对不同脑区的信息进行即时加工。如果负责信息整合的功能连接受到损伤,就不能有效地对感知到的信息进行整合。这个假说可用于解释ASD儿童在心理理论与执行功能中所表现出的缺陷,并为 “弱中央一致性理论(weak central coherence,WCC)”与“知觉增强理论(enhanced perceptual functioning,EPF)”提供脑神经方面的证据。随后的研究中,Just等人补充了上述理论,认为ASD大脑的功能连接不足主要表现在额叶与大脑后部区域之间(Just et al.,2007;Just,Keller,Malave,Kana,&Varma,2012)。研究发现,在进行伦敦塔任务(Tower of London task)时,ASD组被试大脑额叶与顶叶间的功能连接显著低于正常发育组,额-顶连接越低其自闭症状越严重。即是说,ASD大脑前额叶和后部脑区间的功能连接显著降低,而这些脑区间的功能协调性影响了ASD高层次的认知加工,进而表现出异常的社交、语言等行为。
ASD不仅表现出大脑皮质间的连接不足,还存在连接过度增强的现象(Rudie&Dapretto,2013),这种过度连接主要存在于短距离脑区间。
ASD被试在静息态下大脑局部功能连接的模式主要表现为异常的增强,尤其在大脑后部区域。使用静息态功能连接和图论(graph theory)的分析方法,研究发现ASD大脑后部区域的局部功能连接显著大于正常组,尤其在两侧颞叶-枕叶区域。这种过度连接的程度和ASD症状的严重程度呈正相关(Keown et al.,2013)。在高功能ASD被试的颞叶皮层也发现局部功能连接增强的现象(Tyszka,Kennedy,Paul,&Adolphs,2014)。对 ASD大脑表层的局部一致性(surface-based ReHo method,2dReHo)的研究分析发现,ASD大脑在右侧颞上沟以及额中沟、左侧楔前叶的局部功能一致性明显高于正常大脑。这种局部功能连接的异常增强,表明ASD大脑可能存在功能分离性降低的现象(Jiang,Hou,Yang,Yang,&Zuo,2014)。此外,ASD儿童大脑默认网络内的局部连接也增强了,特别是在DMN节点内及视觉、运动网络内(Washington et al.,2014)。
ASD被试不仅表现出某些认知功能上的缺陷,部分ASD个体还在机械记忆、音乐绘画等方面具有特殊才能。研究指出,ASD被试的“孤岛能力(islet of ability)”可能与他们大脑局部功能连接的增强有关(Keehn,Shih,Brenner,Townsend,&Müller,2013;Maximo,Keown,Nair,&Müller,2013)。例如,在视觉搜索任务中,需要负责目标指向与抑制无关信息的注意网络的参与。ASD被试在注意网络的局部功能连接显著增强,尤其是枕叶的局部功能连接(Keehn et al.,2013)。这个结果提示我们,大脑局部连接增强可能是对ASD认知缺陷的补偿,使他们在某些认知领域的能力相对提高。
ASD大脑不仅存在连接不足还存在连接过度的现象,相比于“连接不足假说”而言,“皮质连接紊乱假说(disrupted cortical connectivity theory)”补充说明了ASD大脑功能连接的异常改变(Kana,Libero,&Moore,2011)。“皮质连接紊乱假说”提出几个核心观点。首先,认为ASD被试降低的脑功能连接(1)主要存在于皮质以及皮质下的远距离脑区之间,而不是短距离大脑皮质间;(2)主要体现在复杂的认知和社会功能中,而不包括低水平的感知任务;(3)可能是生理解剖学上的异常引起的,如白质的完整性;(4)在复杂的任务状态和静息状态下都能够被发现。其次,认为ASD大脑的局部连接过度与远距离连接不足互为因果关系。其中一种观点认为额-颞等区域间的功能连接下降是由于这些脑区局部连接增强引起的,即过度的局部连接导致这些脑区变得更加自主和孤立,进而影响脑区间的信息传递(Courchesne&Pierce,2005;Rinaldi,Silberberg,&Markram,2008)。另一种观点认为,ASD大脑为了适应远距离功能连接的下降而使局部区域变得更独立,大脑局部连接增强是为了补偿远距离连接下降导致的信息整合不良(Just et al.,2012)。Kana等人(2014)支持后者,证据来自于ASD大脑颞叶区域内的过度连接提高了对视觉空间信息的加工,而减少对听觉、触觉等其它信息的依赖。
虽然ASD大脑异常的功能连接模式一般表现为远距离连接降低与局部连接增强(Barttfeld et al.,2011;Minshew&Keller,2010),但仍有部分研究的发现与此不一致。例如,在远距离连接方面,研究发现在视觉搜索任务中,ASD大脑背/腹侧注意功能相关的脑区功能连接增强,尤其是枕叶与额叶之间的连接(Keehn et al.,2013)。在局部连接方面,也有研究发现ASD被试在情绪面孔加工任务中,梭状回内的局部功能连接显著降低(Khan et al.,2013)。这些不一致的研究结果,表明了ASD大脑功能连接可能受到多种因素的影响。临床研究也发现,ASD的症状显示出巨大的个体差异(American Psychiatric Association,2013;Johnson&Myers,2007)。但是,到目前为止,并没有文章对这些因素进行系统的总结和考察。在下面,我们将从结构异常、扫描状态(任务对比静息)、被试的个体发展(年龄)、数据分析方法等方面进行系统剖析。
ASD不同于正常人的大脑结构,是其异常脑功能连接模式的生物学基础之一(Courchesne,Mouton,et al.,2011;Zikopoulos&Barbas,2013)。研究发现,ASD儿童大脑的整体体积、密度(Courchesne,Campbell,&Solso,2011)和前额叶神经元数量(Courchesne,Mouton,et al.,2011)都显著大于正常儿童。ASD这种脑结构上的异常可能与皮质机能的兴奋性异常有关(Rubenstein&Merzenich,2003)。而这种兴奋抑制机能的异常,与大脑网络内以及网络间的功能连接改变有关,即同一功能网络内的局部连接增强,而与远距离区域之间的连接下降(Zikopoulos&Barbas,2013)。ASD异常的功能连接模式,除了与大脑体积和密度有关外,还与大脑白质和灰质有密切关系。例如,Mueller等人(2013)发现ASD大脑右侧颞顶连接和左侧额叶的FA值(Fractional Anisotropy)显著低于正常被试,同时观察到两侧颞上回功能连接的降低与颞叶灰质体积的减小有关。而且,这些脑区的白质连通性与其社交障碍、语言困难等症状的严重程度有显著相关。此外,在对高功能ASD大脑白质的研究中发现,ASD青少年组的FA值下降了,尤其是额叶至枕叶的纤维束和上下纵向纤维束(Wolff et al.,2012)。同时,功能连接的研究发现,ASD大脑枕叶与额叶间远距离功能连接异常(Keehn et al.,2013)。上述研究结果提示我们,ASD大脑结构的异常与功能连接的异常可能存在某种关系。但是,目前仍缺乏直接的证据说明ASD异常的大脑结构与大脑功能之间的关系,将二者相结合的研究分析相对较少。
ASD群体的症状有很高的异质性,造成这种高异质性的部分原因可能是ASD儿童在成长过程中大脑发育轨迹的非典型变化(Anagnostou&Taylor,2011)。在行为症状方面,随着年龄的增长,ASD被试的社会交往能力(如社会归因)逐渐落后于同龄人(Bal et al.,2013)。在大脑结构方面,与正常儿童大脑体积的发育轨迹相比,ASD全脑体积在早期婴儿阶段过度增长,青少年期时增长速度减慢,最终接近或大于正常成人(Courchesne,Mouton,et al.,2011)。在功能连接方面,元分析研究发现,与年龄匹配的正常被试相比,虽然青少年与成年ASD组普遍存在功能连接不足的现象,但是ASD儿童更多表现为大脑功能连接过度增强。而且,ASD儿童的年龄越小,异常增强的功能连接就越显著(Uddin,Supekar,&Menon,2013)。也有研究对不同年龄段的ASD和正常被试进行对比分析,发现ASD组大脑的DMN在早期与正常组没有显著差异,而在青少年时期则表现出DMN远距离功能连接的下降。这可能与ASD在青春期时大脑远距离功能连接的发育异常有关(Washington et al.,2014)。总的来说,不同年龄阶段的ASD大脑功能连接模式有较大差别。ASD在儿童期较多表现为过度增强的功能连接,而在生理快速增长的青春期常被发现功能连接不足。因此,在探讨ASD大脑局部连接和远距离连接变化时,需要进一步区分不同年龄阶段的特点。
ASD大脑功能连接的异常与其所处的任务状态有密切关系(Barttfeld et al.,2012;You et al.,2013)。ASD被试在不同任务状态下呈现不同的功能连接异常模式(Barttfeld et al.,2012)。例如,当任务要求注意指向内部刺激时,ASD大脑网络的功能连接显著增强。而当任务要求注意指向外部刺激时,ASD大脑网络的功能连接有明显降低。而且,You等人(2013)的研究进一步指出,ASD儿童异常的脑功能连接还表现在对不同认知状态的调节过程中。由静息状态转变为注意任务状态时,ASD儿童在左侧前额叶、前运动区、右侧顶叶等脑区间的远距离连接显著增强,但正常儿童在这些脑区间的连接却降低了。即进入任务状态之后,正常儿童大脑中与注意任务有关的脑区间的连接有选择性地增强,而与任务无关的脑区间的连接变弱。这种任务导向的动态连接模式有利于高效地完成任务。但是,ASD儿童的大脑表现出松散的功能连接模式,不能很好地激活与任务有关的网络。这些结果表明,正常大脑是一个动态灵活的功能网络系统,涉及脑区间(远距离)和脑区内(局部)的信息交流。随着加工任务的不同,不同层级的脑功能连接模式也发生变化。而ASD被试在这种大脑功能连接的任务切换的适应性上相对缺乏灵活性。因此,在ASD大脑功能连接的研究中,需要注意不同任务状态的影响。
ASD对比正常人在功能连接上的不一致发现可能与研究中被试选取的局限性和代表性有密切联系。首先,ASD的不同亚型在症状上具有较大差异。例如孤独症(autistic disorder,AU)具有明显的语言交流问题,而阿斯伯格综合征(Asperger Syndrome,AS)却没有明显的语言障碍。以往的ASD功能连接研究并没有根据被试的亚型特征进行分类和比较,因此要根据实验目的有选择性地对被试进行筛查。其次,在社交、语言等实验任务中,为了配合任务对被试智力和认知能力的要求,常选用高功能ASD被试作为研究对象,而忽略了智力和认知障碍更严重的低功能ASD被试,限制了研究结果在群体中的普遍适用性。研究发现,症状严重的ASD组大脑后侧有显著的局部功能连接增强的现象,而症状较轻的ASD组仅在颞枕区域表现出过度连接(Keown et al.,2013)。此外,每一个单独的研究中使用样本数量较少(Nielsen et al.,2014)。而ASD的个体差异性大和被试数量少,使得研究结果缺乏代表性。因此,研究者可以运用多种方法对大量的被试数据进行分析,既提高统计效力,也有利于对数据结果进行重复检验。
经典的ASD功能连接分析,常根据解剖学的空间距离划分远距离连接和局部连接。这种方法的局限性在于如何定义连接距离。不同空间划分标准会直接影响到研究结果之间的可比性和重复性。以局部功能连接分析为例,Maximo等(2013)分析了不同空间距离时大脑的局部连接。结果发现当空间距离划分标准不同时,ASD与正常人大脑的局部连接差异反映在不同的大脑区域上。例如,在半径为6毫米的条件下,观察到右侧旁中央皮质局部功能连接增强。而在14毫米的条件下,发现右侧颞极局部功能连接明显增强以及后扣带回局部功能连接降低。因此,如果不同研究采用不同的距离划分标准,不利于研究结果间的相互比较。在分析ASD脑功能连接时,要慎重地选择空间标准。
目前对ASD大脑功能连接不一致的研究结果提示我们要结合多种分析方法、考虑不同年龄和亚群体被试的差异,进一步考察ASD被试异常的功能连接。接下来我们将紧密结合上述的各种影响因素,阐述未来开展ASD功能连接研究的几个重要分支方向和跨领域结合的可能性。
对ASD大脑功能连接的研究,可以结合大脑结构连接的分析作进一步的探讨。前人的研究使用计算模型和成像数据都发现正常人的功能连接和结构连接有密切关系,并在一定程度上受到大脑结构的限制(Guye,Bettus,Bartolomei,&Cozzone,2010;Honey et al.,2009)。在 ASD中同样发现异常的大脑功能连接与脑结构的异常发育有关(Mueller et al.,2013)。基于DTI的结构连接研究发现,高功能ASD儿童涉及口语加工的脑区内的短距离结构连接增强,而且这些脑区局部连接越强他们的口语表达成绩越好(Li,Xue,Ellmore,Frye,&Wong,2014)。因此,未来的研究在分析ASD大脑功能连接异常的同时需要考察ASD大脑的结构连接模式。例如,结合DTI白质纤维追踪技术,考察远距离和局部功能连接的异常改变是否伴随着白质纤维连通性的改变。此外,还可以结合大脑体积、白质和灰质等结构数据分析不同模态数据下ASD和正常人之间的差异及其与ASD症状的关系。
ASD大脑功能连接的异常既和所处的任务状态有关,也与不同任务间的转换有关(Barttfeld et al.,2012;You et al.,2013)。不同层级的认知任务可能依赖于不同模式的功能连接。低层次的感知觉加工任务可能更依赖于局部连接,而高层次的加工任务更依赖于远距离功能连接(Just et al.,2012;Kana et al.,2011)。ASD被试在感知觉脑区局部连接的增强和高级加工脑区远距离连接的降低,可能分别反映了他们在初级感知觉任务上的优势(如音调知觉优势)(邓志洲,王穗苹,于洛迪,2011)和在高水平认知任务中存在的障碍(如社交和语言交流困难)(Ricketts,Jones,Happé,&Charman,2013)。但目前针对不同层级任务的ASD大脑功能连接的研究分析相对较少。此外,ASD儿童异常的脑功能连接还受到认知状态的调节(You et al.,2013)。除了探讨从静息态向任务态转换的过程外,还可以关注ASD被试在高级任务之间切换时大脑功能连接的异常变化。因此,未来的研究要注意区分不同任务下以及任务间切换时ASD大脑功能连接的异常。
ASD大脑功能连接的探索,一方面需要加强发展性的追踪研究,另一方面需要进一步探讨与认知能力发展的关系。随着年龄的增长,ASD大脑功能连接可能发生两种不同的改变。一种是功能连接降低。这种连接降低可能与ASD儿童在成长过程中社交困难、兴趣狭隘和缺乏某些技能方面的训练有关(Abrams et al.,2013)。另一种是功能连接的增强。为了适应环境ASD儿童可能发展出不同于正常发育儿童的大脑网络组织方式来代偿其功能障碍,例如视觉区域局部功能连接的增强(Kana et al.,2014)。针对以上可能性,未来的研究需要采用追踪设计考察ASD大脑功能连接的发展性异常。另外,与正常人相似,ASD被试的各种认知能力随年龄增长而改变。与正常人不同的是,ASD可能在某些认知能力发展的关键期偏离正常的发展轨迹,反映在功能连接上表现为某个年龄阶段突发的异常改变。例如,在生理快速发育的青春期,ASD大脑默认网络的功能连接显著低于正常组(Washington et al.,2014)。ASD大脑功能连接与不同认知能力发展轨迹上的关系仍然是未知的。随年龄和认知能力的发展,ASD大脑在哪些区域表现出异常的功能连接模式,以及这种异常连接模式的变化趋势与认知行为的发展变化之间的关系仍需进一步探讨。
ASD异常脑功能连接的研究结果除了受到自身大脑结构和年龄的影响外,还受到其它因素的影响。近年来ASD大脑功能连接研究中所采用的连接指标和空间划分标准并不完全相同。一方面,不同指标可能反映大脑功能连接的不同信息。例如,局部一致性(regional homogeneity,ReHo)和图论中分析局部密度(local density)的方法都可用于测量局部连接,前者通过计算相邻体素(voxels)的BOLD(blood oxygen level dependent,BOLD)信号在时间序列上的相关性,后者通过计算节点(node)、边(edges)的数量占预期边数量的比例。另一方面,不同的空间距离标准,也会影响ASD大脑功能连接研究结果的效应量及存在显著差异的脑区(Maximo et al.,2013)。希望未来的研究能够制定统一的标准,例如通过分析ASD组与正常组大脑功能连接在多种指标和不同大脑空间距离条件下的差异,比较何种指标和距离最能反映ASD异常的大脑功能连接。
此外,在ASD大脑功能连接的研究中,被试取样存在很大的局限性。由于ASD群体的被试获取有一定困难,以及部分ASD被试在研究中的配合度有限,目前ASD大脑功能连接研究中采用的被试数量相对较少。而ASD群体内的个体差异性大,样本量小会影响结果的稳定性和可重复性。另外,ASD群体内存在不同的亚型分类和症状差异。未来的研究需要通过比较亚群体被试之间大脑功能连接的差异,进一步探讨ASD症状与脑功能连接之间的关系。因此,建立ASD脑成像的公共数据库以及分享其行为测量数据,是未来深入研究ASD异常大脑功能连接的一个重要举措。
总的来说,ASD是高度异质性的疾病,要通过心理学、遗传学、认知神经科学等多领域的综合探索,才能了解它背后的病理生理机制。近年来对ASD大脑成像的一系列研究结果表明,ASD大脑表现出非典型的功能连接模式,尤其是远距离连接降低和局部连接增强。这种异常的大脑功能连接模式和ASD社交、语言及行为等障碍存在密切关系。而ASD大脑功能连接的异常改变可能受到多种因素的影响。因此,在未来的研究中,需要整合分析ASD大脑功能连接与结构连接的关系,关注ASD大脑功能连接的发展性变化,并且有效地控制任务状态、空间划分标准、被试取样等因素。
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