人類行為展現(xiàn)出高度的適應(yīng)性和靈活性。這種行為時而基于變化的環(huán)境規(guī)則，時而依賴于穩(wěn)定的長期知識。這兩種認(rèn)知模式需要不同甚至可能相互競爭的腦部資源。因此，一個關(guān)鍵的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)問題是：大腦如何協(xié)調(diào)這兩種模式，以支持我們的靈活性行為？

為探索這個問題，中國科學(xué)院認(rèn)知與發(fā)展心理學(xué)研究室杜憶研究組通過一項合作研究，運用多模態(tài)磁共振成像技術(shù)，探討了大腦皮層的拓?fù)浣M織模式如何影響其動態(tài)協(xié)作模式，從而促進(jìn)人腦的靈活性行為。該研究特別聚焦于額頂控制網(wǎng)絡(luò)（frontal-parietal control network，F(xiàn)PCN），因為這一網(wǎng)絡(luò)在維持大腦靈活性方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

前人研究發(fā)現(xiàn)，額頂控制網(wǎng)絡(luò)FPCN可分為兩個子網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)PCN-A和FPCN-B。該研究首先發(fā)現(xiàn)，這兩個子網(wǎng)絡(luò)在拓?fù)浣M織模式上存在系統(tǒng)差異：FPCN-A更靠近感知覺皮層和背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)（dorsal attention network，DAN），F(xiàn)PCN-B更靠近負(fù)責(zé)長時記憶的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)（default mode network，DMN）（圖1）。這些拓?fù)渖系牟町惒粌H體現(xiàn)在物理距離上，還表現(xiàn)在解剖層級、功能層級和進(jìn)化層級上（圖1）。

圖1. 人腦的皮層拓?fù)浣M織模式：FPCN-A更靠近感覺運動系統(tǒng)和背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)；FPCN-B更靠近負(fù)責(zé)長時記憶的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)。

研究還發(fā)現(xiàn)，額頂控制網(wǎng)絡(luò)的兩個子網(wǎng)絡(luò)FPCN-A和FPCN-B在拓?fù)浣M織模式上的位置與它們的交互模式相對應(yīng)。FPCN-A更靠近DAN，也與其有更強的協(xié)作關(guān)系；FPCN-B更靠近DMN，也與其有更強的協(xié)作關(guān)系（圖2）。這種協(xié)作模式主要體現(xiàn)在三個方面：特征相似性、信息共享和功能連接（圖2）。

圖2. FPCN-A和FPCN-B分別與不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作。FPCN-A與DAN共享更多的信息和更強的功能連接；而FPCN-B與DMN共享更多的信息和更強的功能連接。

額頂控制網(wǎng)絡(luò)的獨特拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使其能夠支持多種功能行為模式。例如，當(dāng)當(dāng)前任務(wù)主要依賴工作記憶時，額頂控制網(wǎng)絡(luò)會分成兩個不同的子系統(tǒng)。在這種情況下，F(xiàn)PCN-A與背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)（DAN）的合作變得更加緊密。相反，如果任務(wù)主要依賴長期記憶，額頂控制網(wǎng)絡(luò)則表現(xiàn)為一個更加統(tǒng)一的系統(tǒng)，此時FPCN-A和FPCN-B之間的協(xié)作增強（圖3）。

圖3. FPCN-A的協(xié)作模式受到任務(wù)調(diào)節(jié)。在依賴工作記憶的非語義任務(wù)中，F(xiàn)PCN-A與DAN特征更相似，共享更多的信息，有更強的功能連接；而在依賴長時記憶的語義任務(wù)中，F(xiàn)PCN-A與FPCN-B有更強的協(xié)作。

該研究據(jù)此提出并完善了大腦皮層拓?fù)浣M織模式如何影響網(wǎng)絡(luò)動態(tài)協(xié)作模式的理論模型(圖4)。在該模型中，F(xiàn)PCN-A和FPCN-B位于背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)（DAN）和默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)（DMN）之間，受到這些鄰近網(wǎng)絡(luò)的影響。這種位置分布使得額頂控制網(wǎng)絡(luò)能夠在支持工作記憶的目標(biāo)導(dǎo)向注意機制（DAN的作用）與從長期記憶中檢索信息（DMN的功能）之間實現(xiàn)平衡。FPCN-A的特殊位置——位于DAN和FPCN-B之間——使其可以根據(jù)任務(wù)需求改變其與注意系統(tǒng)或記憶系統(tǒng)的交互方式。在不斷變化的環(huán)境中，當(dāng)外向的注意機制被激活時，F(xiàn)PCN-A更傾向于與DAN而非FPCN-B協(xié)作，這有助于FPCN-A更專注于工作記憶任務(wù)，避免受到長時記憶的干擾。而當(dāng)任務(wù)依賴長期記憶時，F(xiàn)PCN-A傾向于與FPCN-B合作，這雖減弱了其跟蹤環(huán)境變化的能力，但有利于整合DMN提供的信息。該模型解釋了人腦如何平衡具有潛在競爭關(guān)系的認(rèn)知資源，具備了高度的適應(yīng)性和靈活性。

圖4. 大腦皮層的拓?fù)浣M織模式如何使得人腦能夠靈活的根據(jù)任務(wù)需求調(diào)整協(xié)作模式的模型。

該研究獲得國家科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項目（2021ZD0201500），國家自然科學(xué)基金（32300881），中國科學(xué)院心理研究所自主部署項目（E2CX3625CX) 和心理所青年人才啟動項目（E1CX4725CX）等項目的支持。

心理所助理研究員王秀祎為第一作者；王秀祎和杜憶研究員為共同通訊作者。文章已在線發(fā)表于Journal of Neuroscience。

論文信息：?

Wang, X.*, Krieger-Redwood, K., Lyu, B., Lowndes, R., Wu, G., Souter, N. E., ... Du, Y.* & Jefferies, E. (2024). The brain's topographical organization shapes dynamic interaction patterns to support flexible behavior. Journal of Neuroscience.?https://www.jneurosci.org/content/44/22/e2223232024