人類小腦的層級性認知控制的證據|腦科學頂刊導讀 035期

2020-12-21 腦科學君

頂刊導讀目錄

1，瞳孔大小作為認知神經基礎的窗口

2，人類連接組的個體化擾動揭示與認知相關的網絡動力學的可重現的生物標誌物

3，皮層下捷徑環路（subcortical shortcuts）對感覺和認識加工障礙的影響

4，腦狀態和行為的神經調節

5，人類小腦的層級性認知控制的證據

1，瞳孔大小作為認知神經基礎的窗口

期刊：Trends in Cognitive Science

作者：Freya

控制瞳孔收縮（A）和擴張（B）的神經通路。

認知驅動的瞳孔調節反映了某些潛在的大腦功能。這種認知驅動瞳孔的現象能說明什麼？本文回顧了三種神經系統的關鍵作用：

控制瞳孔光反射的前橄欖核（pretectal olivary nucleus，PON）的皮質調節；介導定向反應的上丘（superior colliculus，SC），包括瞳孔對顯著刺激的改變；藍斑（locus coeruleus，LC）-去甲腎上腺素（norepinephrine，NE）神經調節系統介導了瞳孔相關覺醒與認知的關係。本文討論了如何從激活這些神經系統的角度來解釋瞳孔測量。此外，本文還強調了研究中的注意事項、開放性問題和未來實驗的關鍵方向，以便根據大腦中潛在的神經動力學來改進這些發現和解釋。

2，人類連接組的個體化擾動揭示與認知相關的網絡動力學的可重現的生物標誌物

期刊：PNAS

作者：Loren

人腦是組織複雜的網絡，其相互作用解釋了個體認知能力的變化以及神經和精神障礙的症狀。儘管人腦網絡的活動通常通過記錄自發的大腦活動來測量的，例如，研究通常使用靜息狀態功能磁共振成像(fMRI)來描述大腦網絡。但最近的證據表明，個體在應對幹擾時的大腦模式差異可以更好地反映活動。

本研究使用fMRI引導的經顱磁刺激(TMS)和同步腦電圖(EEG)來描述離散腦網絡中的高時間解析度的大腦動力學。TMS對默認網絡(DMN)和背側注意網絡(DAN)各自定義的節點進行控制擾動。源級腦電圖傳播模式具有網絡特異性，並且在間隔1個月的測試中具有高度重複性。此外，高階認知能力的個體差異與橫跨DAN和DMN的TMS傳播模式的特異性顯著相關，但與靜息狀態腦電動力學無關。

研究結果顯示了基於TMS-EEG的擾動生物標記物在高時間解析度下反映網絡個體大腦動力學的潛力，並有可能為其行為意義提供進一步的洞察。

3，皮層下捷徑環路（subcortical shortcuts）對感覺和認識加工障礙的影響

期刊：Nature Reviews Neuroscience

作者：Sniper

感覺處理過程的最早階段有可能改變我們對環境的感知和反應。這些初始處理的神經環路可以聯合皮層下能夠與皮層信息處理產生複雜相互作用的腦區共同產生作用，例如丘腦和腦幹核團。

這些皮層下環路在人和動物研究中均有發現，它們不只是進化殘留，還具有「捷徑」的作用：確保信息處理效率和重要的生命維持功能，例如傷害避免，適應性社會互動和有效的決策保護。

在本篇綜述中，作者提出這些高階和低階腦區之間的功能性相互作用，對理解和許多神經精神疾病相關的非典型感覺和認知過程有幫助。

4，腦狀態和行為的神經調節

期刊：Annual Review of Neuroscience

作者：Ann Yang

眾所周知，神經活動和行為都是可變的，在重複展示相同的刺激或試驗過程中，反應差異很大。最近人類和動物的最新研究結果表明，這些變化本質上並不是隨機的，實際上可能很大程度上歸因於神經、認知和行為狀態的快速變化。

本文回顧了在理解喚醒狀態快速變化，變化如何產生以及它們如何調節小鼠和人類神經和行為反應方面的最新進展，提出大腦具有一系列可識別的狀態，通過這些狀態以非隨機的方式不斷遊走，這是由於上行調節和快速作用的皮層皮質和皮層下神經通路均具有活動性。這些狀態的變化為大腦提供了可以運行的背景，對它們的理解對於揭示認知和行為基礎的神經機制至關重要。

5，人類小腦的層級性認知控制的證據

期刊：Current Biology

作者：Aleah-Jing

小腦層級性結構支持認知功能的研究假設基礎

在非習慣性情景下，認知控制使行動與短期和長期目標保持一致。認知控制能力與前額葉皮層密切相關，人的前額葉皮層大小相對於其他物種有所擴張，被認為支持了人類卓越的認知控制。相對於非人靈長動物，人類的後外側小腦也已大大擴張，並具有與前額葉皮層組織結構的鏡像關係。然而，小腦對認知控制的貢獻知之甚少。

在本研究中，我們試圖探索小腦的功能是否存在層級處理框架，以及這種框架是否可以闡明小腦對認知控制的貢獻。功能磁共振成像結果顯示後外側小腦存在支持認知控制的梯度；具體來說，運動相鄰的小腦子區域支持對具體的近端動作的控制，而運動遠端的小腦子區域支持抽象的未來的處理。該梯度在功能上是有層級性的，層級較高的區域會影響層級較低區域之間的關係。該功能層級性提供了認知控制的基礎結構，背景信息可以通過該基礎結構來通知當前操作並為將來的目標做準備。

至關重要的是，這些結構層級映射了前額葉皮層內認知控制的層級結構。基於這些發現，我們認為小腦內部包含一個平行但獨立的層級性組織，該組織與前額葉皮層一起支持複雜的認知。

校審：Freya（brainnews編輯部）

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