心理所合作研究發現宏觀尺度的大腦狀態支持語義控制

神經科學的一個關鍵目標是理解人腦如何根據不同情境靈活地提取相關的語義信息。以往的研究主要關注大腦如何存儲語義信息以及如何控制認知以實現目標。然而，目前有關概念表征和認知控制的腦網絡的描述，尚未能充分解釋我們如何生成多樣的大腦狀態，以支持不同的語義提取模式。

為探索這一問題，中國科學院心理研究所認知與發展心理學研究室杜憶研究組與英國約克大學Elizabeth Jefferies教授研究團隊開展了一項合作研究，運用多模態磁共振成像技術，研究與控制相關的腦區和網絡在皮層表面和全腦狀態空間中如何參與以提取不同的語義信息。該研究通過操縱兩種語義任務——語義關聯判斷和語義特征匹配——的難度，并將這些任務的難度效應與非語義任務的難度效應進行對比，以揭示潛在的神經機制。

研究結果首先發現，語義關聯任務和語義特征匹配任務的難度效應存在系統性拓撲差異：更難的語義關聯任務在左側前額葉、內側前額葉、和顳葉前部的激活較強；而難度較大的語義特征匹配任務則在這些區域的后部激活更強（圖1），并且這些腦區與支持非語義任務的通用控制腦區有較多重疊（圖2）。與語義關聯任務難度效應相關的腦區距離感覺運動皮層更遠，而與特征匹配任務難度效應相關的腦區更靠近感覺運動皮層（圖2）。

圖1. 語義關聯任務和語義特征匹配任務的難度效應及其比較。更難的語義關聯任務在左側前額葉、內側前額葉、和顳葉前部激活較多，而難度較大的語義特征匹配任務則產生了更多的后部激活。

圖2. 語義任務與非語義任務難度效應的重疊以及相關腦區到感知覺皮層的距離。與語義特征匹配任務的難度效應相關的腦區與支持非語義任務的通用控制腦區有更多重疊，距離感覺運動皮層更近。

這些結果在全腦狀態空間分析中得到了進一步印證，揭示了不同的腦活動模式支持不同類型的語義加工。該研究通過功能連接定義的前三個維度定義了一個全腦狀態空間，其中維度一是主梯度，區分感覺運動皮層和聯合皮層；維度二區分感覺運動皮層和視覺皮層；維度三區分控制網絡腦區和默認網絡的腦區。研究發現，人腦至少存在兩種宏觀尺度的大腦狀態支持語義認知的控制：一種狀態，即主梯度，支持語義關聯判斷任務，并同等程度地涉及到執行控制網絡和默認網絡；另一種狀態，即維度三支持語義特征匹配任務，更有選擇性地激活控制區域，同時伴隨較少的默認網絡的激活（圖3）。該研究為認知控制在神經狀態空間中的組織方式提供了新的視角，深化了我們對大腦中多種控制網絡和功能分離模型的理解。

圖3. 語義任務難度效應與內在功能連接的前三個維度之間的空間對應關系。維度一區分感覺運動區域（紫藍）與多模態聯合皮層（紅白）。維度二區分聽覺運動皮層（紫藍）與視覺皮層（紅白）。維度三區分控制網絡（紫藍）與默認模式網絡區域（紅白）。語義關聯任務的難度效應與維度一有更強的相關，而語義特征匹配任務的難度效應與維度三有更強的相關。

該研究獲得國家科技創新2030-“腦科學與類腦研究”重大項目（2021ZD0201500）、國家自然科學基金（32300881，31822024）、中國科學院心理研究所揭榜掛帥項目和心理所青年人才啟動項目（E1CX4725CX）等項目的支持。

文章已在線發表于Communications Biology。心理所助理研究員王秀祎為第一作者，王秀祎、心理所杜憶研究員和英國約克大學Elizabeth Jefferies教授為共同通訊作者。

論文信息：?

Wang, X.*, Krieger-Redwood, K., Cui, Y., Smallwood, J., Du, Y.*, & Jefferies, E*. (2024). Macroscale brain states support the control of semantic cognition. Communications Biology. https://www.nature.com/articles/s42003-024-06630-7