心理所研究揭示經顱直流電刺激與腦損傷重塑大腦網絡動態性的規律

大腦是一個復雜的動態系統，其活動和連接性會隨時間和空間不斷變化，這種波動與個體的認知和行為特征密切相關，并且在精神和神經疾病中呈現特定的動態模式。以往針對大腦網絡動態性的研究表明，大腦區域之間的功能連接隨時間的變化并非隨機，而是與大腦皮層功能梯度的空間分布密切相關。然而，當大腦受到外界擾動時，網絡動態性如何重新組織？是否遵循特定的組織規律？是否存在相關的生物學基礎？這些問題仍有待深入探討。

中國科學院心理研究所涂毅恒研究組基于三個功能磁共振數據集，系統探究了靜息態大腦網絡動態性的組織規律，并通過擾動大腦皮層梯度（感覺運動-聯合軸）的兩端，即前額葉和運動區，研究不同信息加工過程受到干擾時，大腦網絡動態性的變化特征。研究一利用人類連接組計劃（HCP）中健康年輕人的數據，分析靜息態大腦網絡動態性的組織原則；研究二通過在前額葉區域施加經顱直流電刺激（tDCS），探討神經調控如何影響大腦網絡動態性的組織規律及其關聯的微觀屬性；研究三以運動通路受損的中風患者為研究對象，探究腦損傷對大腦網絡動態性組織原則的影響、潛在的生物學基礎，以及其臨床意義（圖1）。

圖1. 經顱直流電刺激與腦損傷對大腦網絡動態性的重塑規律

研究一使用HCP數據，探究靜息態大腦網絡動態性的組織原則。研究發現，靜息態網絡動態性呈現從初級感覺區域向高級認知區域逐漸增強的分布模式。其中，網絡動態性高的區域主要位于眶額皮質、顳下回和前額葉皮質，而網絡動態性低的區域主要位于中央前回、中央后回和枕上回（圖2）。

圖2. 靜息態大腦網絡動態性的空間分布

在確定了具有高、低水平網絡動態性的區域后，研究二、研究三針對特定區域施加相應的擾動。首先，使用tDCS對左側眶額葉進行刺激。眶額葉位于感覺運動-聯合軸的高級認知區域，不僅在研究一中表現出較高的網絡動態性，也是非侵入性神經調控的常用靶點。研究搭建了神經調控與腦影像同步記錄平臺，神經調控組接受20分鐘1.5毫安tDCS持續刺激，而假刺激組僅在實驗開始和結束時短暫施加電流，兩組均在刺激前后進行了功能磁共振數據采集。研究結果表明，tDCS刺激后，感覺運動區和視覺皮層的網絡動態性增加，而額上回和額下回的網絡動態性降低（圖3a）。這種變化與感覺運動-聯合軸呈顯著負相關（圖3b），并與神經遞質受體和轉運體的空間分布密切相關（圖3c）。

圖3. tDCS對眶額葉擾動引發的大腦網絡動態性重組

基底神經節局部病灶性腦損傷通過影響基底神經節-丘腦-皮質回路，進一步影響運動皮層功能。運動皮層位于感覺運動-聯合軸的初級區域，在研究一中表現出較低的網絡動態性。為探究運動通路受損對網絡動態性的影響，研究三分析了腦損傷患者的網絡動態性變化。研究結果表明，腦損傷患者的感覺運動皮層、內側顳葉和枕葉的網絡動態性減弱，后扣帶皮層、外側顳葉和內側前額葉的網絡動態性增強（圖4a）。這種變化與感覺運動-聯合軸呈顯著正相關（圖4b），與神經遞質受體和轉運體的空間分布密切相關（圖4c）。此外，雙側運動區的網絡動態性能夠顯著預測腦損傷患者的下肢運動功能（圖4e）。

圖4. 腦損傷擾動運動區引發的大腦網絡動態性重組

研究發現通過神經調控和腦損傷分別擾動感覺運動-聯合軸的兩端，即前額葉和運動區，能夠沿該軸引發相反的網絡重組模式。這種重組模式與大腦的微觀屬性，尤其是神經遞質受體與轉運體的分布，存在密切關聯。研究闡明了大腦網絡動態性的重組規律，為開發針對腦部疾病的治療方案提供了理論依據。

該研究獲得了國家自然科學基金項目（32171078，32322035）、科技創新2030-腦科學與類腦研究重大項目（2022ZD0206400）、中國科協青年人才托舉工程和中國科學院心理研究所研究經費的資助。

相關成果已在線發表于Fundamental Research。心理所涂毅恒研究組博士生陳婕和王飛雪為論文共同第一作者，北京中醫藥大學曹瑾副教授和心理所涂毅恒研究員為論文共同通訊作者。

論文信息：Chen, J.*, Wang, F.X.*, Zhao, L., Zhang, H.J., Wang, Z.Y., Tang, Y.L., Chang, X.Y., Ma, W.W., Qiu, Y., Yi, Y.Y., Fu, F.Z., Yao, Y.P., Cui, F.Y., Zou, Y.H., Cao, J. # & Tu, Y.H. #, Transcranial direct current stimulation and lesions hierarchically reorganize brain network dynamics with biological annotations, Fundamental Research, https://doi.org/10.1016/j.fmre.2025.02.017