焦虑与执行功能的脑网络与教育转化

罗跃嘉

焦虑障碍是目前我国精神疾病中患病率最高的一种疾病，北京大学第六医院开展过一个大规模的我国精神疾病的流行病调查报告，发表在《柳叶刀：精神病学》杂志上，报告指出在抑郁症、多动症、精神分裂症等常见精神疾病中，焦虑症的终身患病率最高，为7.6%。

当前新型冠状肺炎疫情凸显的焦虑等心理健康问题，引起了全球的广泛关注。对于精神健康问题，我们国家非常重视，中共中央、国务院印发的 《“健康中国2030”规划纲要》明确指出，“加强对抑郁症、焦虑症等常见精神障碍和心理行为问题的干预，加大对重点人群心理问题早期发现和及时干预力度”。

什么是焦虑

焦虑症有多种分类，主要包括广泛性焦虑、社交焦虑、惊恐障碍。如果回顾最近20年发表的论文，可以看出与焦虑相关的论文发表最多，美国国立精神卫生研究院（NIMH）也把焦虑作为重要的研究和工作对象。

什么叫焦虑？简单来说就是一种紧张害怕和不安的体验。焦虑的躯体（生理）表现，或者叫植物神经系统反应，如颜面潮红、出汗、心悸、胸闷、气短、颤抖等;其精神/行为表现为紧张恐惧，搓手顿足，坐立不安，来回踱步，并同时伴有内心焦虑不安。焦虑可分为两类：特质焦虑和状态焦虑。特质焦虑指一种一般性的人格特点或特质，表现为一种比较持续的担心和不安，常用特质焦虑问卷（STAI—T）测量;状态焦虑指因为特定情境引起的暂时的不安状态，如考试焦虑，常用状态焦虑问卷（STAI—S）测量。来自动物研究的结果表明，去甲肾上腺素（NE）驱动的交感神经系统和皮质醇（CR）驱动的HPA轴系统，贯穿基因、脑神经环路和认知行为层面。通俗来讲，应激条件下，交感神经系统的激活或处于高度紧张状态——快速反应，会伴随去甲肾上腺素，以及多巴胺等神经递质水平上升，明显影响大脑神经元正常的兴奋与抑制性平衡，进而改变警觉与高级执行功能等信息加工过程;丘脑—垂体—肾上腺轴的激活或处于高度紧张状态——慢速反应，会伴随皮质醇水平上升，皮质醇穿越血脑屏障进入中枢，进而影响大脑各功能网络活动，尤其是以海马为核心的学习与记忆系统。

焦虑与执行功能的关系

文章的主题是焦虑与执行功能，执行功能是指在完成复杂的认知任务时，对各种认知过程进行协调的一般性控制机制，其本质就是对其他认知过程进行控制和调节，根本目的就是产生协调有序的、具有目的性的行为。研究发现，焦虑和应激等负性情绪对执行控制中的更新、切换和抑制有损害作用。

近年来脑成像研究发现，杏仁核、眶额叶、扣带回、脑岛等结构与社会行为、情绪密切相关，于是有人提出了“社会脑”和“情绪脑”的概念。进一步研究认为，大脑中存在的突显网络包括背侧扣带前回和前脑岛;默认网络包括内侧前额叶，后扣带回，以及外侧顶叶皮层;执行控制网络或额顶网络包括背外侧前额叶和额下回，以及一些具体的腹侧注意网络、背侧注意网络、视觉网络、听觉网络等。焦虑发生时，突显网络的活动增强，而执行控制网络和默认网络的活动减弱。

该研究也发现突显网络内部动态交互的神经振荡机制：如高A频段的神经振荡与突显网络的功能协同高度相关，提示突显网络内部的神经振荡可能是情绪信息动态交互的神经基础。什么是神经振荡？我们观察脑电图会发现各种频谱的脑电波，例如A 频段，在我们闭眼或打瞌睡的时候就可以记录到。

执行控制的脑网络模型

研究也提出了执行控制的脑网络模型：不仅是前额叶单个脑区，而且包含前额叶和顶叶的多个脑区组成的全脑可变功能连接，可通过与其他网络之間功能连接的动态变化。可以认为：高级的执行控制网络、突显网络和默认网络间的动态交互，以及与具体的注意网络、视听网络之间的交互，在认知控制中发挥了关键作用。突显网络主要负责应激、威胁刺激等负性情绪加工，而执行控制网络主要与执行功能相关，蓝斑—去甲肾上腺素调控的神经递质也在深层发挥着重要作用。

因此我们提出了科学问题：在宏观上考察焦虑如何调节执行功能相关的脑网络可塑性变化，包括脑网络功能连接模式、网络间神经振荡和网络间的因果调控关系;在微观上思考神经递质和炎症细胞因子如何参与调控“焦虑与执行功能”以及脑网络交互变化。并由此提出情绪和执行控制动态交互的动态脑网络模型的假说，包含三个意思：一是突显网络与执行控制网络、默认网络，以及感知觉网络动态交互，完成情绪和认知控制信息的加工和资源转化;二是网络间的神经振荡可能负责完成以上的资源转化和信号同步;三是神经调控系统LC—NE系统可能通过神经递质对以上过程进行调控。

对于上面这个假说，我们也得到一些实验的支持。例如，通过对特质焦虑水平与杏仁核形状的相关分析，发现右侧杏仁体的中外侧表面形状与焦虑特质评分存在显著的相关性，具体表现为：焦虑特质越高的人，右侧杏仁体中外侧表面越往外凸。该结果提示了右侧杏仁体的中核与外侧核在焦虑特质的神经机制中具有重要作用。

再如在和美国纽约城市大学的合作研究中，通过对情绪唤醒（皮肤电）与自发脑活动间的关系研究，发现扣带前回和脑岛等任务正相关的突显网络节点脑区的自发神经活动强烈;而扣带回后部和腹内侧前额叶等默认网络节点脑区的自发神经活动较弱。还有，当观看负性图片时，其皮肤电等自主神经活动动态波动。同时突显网络内部的功能连接在动态变化，两者变化高度协同，提示突显网络的动态性可能是情绪加工动态性的神经基础。这还需要大量的研究直接验证，比如在应激和焦虑对执行功能调节的任务中，加入瞳孔直径的直接测量，另外，可以使用药物操作，调节LC—NE水平，考察情绪网络和执行控制网络交互的变化。

在与美国同行的合作研究中，我们发现炎症通过以腹内侧前额叶为中枢的脑网络来影响行为特征。关于炎症网络机制的前期研究基础。基于分割的网络分析，包括63个连接，47个脑区。4种抑郁症状所对应的炎症网络以及它们在预测症状时的准确率。腹侧纹状体—腹内前额叶功能连接能预测快感缺失;背侧尾状核—腹内前额叶功能连接能预测精神运动迟滞;杏仁核—腹内侧前额叶功能连接能预测焦虑评分;抑郁（纹状体）和焦虑（杏仁核）两个环路可能交汇在腹侧纹状体，这一点尚需证实。

决策的不确定因素对于焦虑的发生有重要作用

我们最近完成了一项元分析工作，从500篇文献中筛选出29个研究项目进行元分析。发现情绪网络与认知控制网络和情绪调节网络之间的功能连接减弱，具体表现在焦虑者的执行控制网络和默认网络之间功能连接减弱。这个发现刚好符合前面提到的三种常见的焦虑，其中广泛性焦虑占40%，社交焦虑占43%，惊恐障碍占10%，其他类型的焦虑只有7%。这个研究于2019年发表在国际《神经科学与生物研究综述》杂志上。

我们发现决策的不确定因素对于焦虑的发生也有重要作用。在一项对高低焦虑者的博弈任务中，发现高焦虑者对“输”（负性结果）的神经反应，反映在一个叫作“反馈负波”的脑电成分，比低焦虑者更小，说明在高焦虑人群中，对输赢结果产生的脑反应更小，可能他们是一种更为悲观的态度。

我们又设置了不确定状态，发现结果发生了倒转：高焦虑者在不确定结果条件下反馈负波更大，说明他们对“输赢”的反应强于低焦虑者，换句话说，他们往往把不确定的结果认为是负性的结果。

磁共振成像研究表明，焦虑与恐惧对未来不确定威胁的预期引发更强的情绪反应：激活背内侧前额叶、岛叶和海马等;高焦虑个体在额顶叶执行控制网络以及丘脑和海马旁回的激活更强，可能与执行控制补偿和过度的情绪加工有关。使用心理生理交互分析（PPI）技术，发现杏仁核和背外侧前额叶，颞上回、丘脑、枕叶的功能连接在高焦虑者的不确定预期加工中异常增强。这样就建立了杏仁核脑网络与焦虑不确定加工的关联，证明了不确定威胁加工的脑网络异常可能是焦虑产生的核心机制。在一项对考試焦虑的脑成像研究中，我们关注核心的三个脑网络，突显网络，执行控制网络与默认网络的激活，网络内部与网络之间的功能连接，通过功能连接测量考察应激和焦虑对网络内部和网络间交互的影响。结果发现：高焦虑人群在长期应激下，突显网络和执行控制网络的协同减弱了，执行控制网络和默认网络之间的对抗也减弱了。

焦虑与执行功能的研究对于教育转化的应用

最后，谈谈以上研究对于教育的转化应用。可以利用技术具备的先进性和系统性，例如通过多场景认知测评、多模态脑成像和多靶点神经调控，来满足临床、教育方面的需求。我们认为，脑与学习的核心产品体系在于多种设备和硬件，例如可通过磁共振成像、脑电、近红外、多导生理记录，以及磁刺激、电刺激、光刺激，进行脑数据的测试和神经调控。在软件方面包括中国情绪材料库、双生子基因和行为数据库、青少年认知作业、情绪任务等多种数据库的完善而实现。在这方面，中国心理学和认知神经科学研究者在大脑结构功能解析、高效学习的认知神经原理。认知训练、神经调控等方面都有可喜的进展。实施的范围覆盖北京、浙江、四川、重庆、广东等地，这必将在教育领域和医疗领域发挥越来越重要的作用。