神經(jīng)科學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)是理解人腦如何根據(jù)不同情境靈活地提取相關(guān)的語(yǔ)義信息。以往的研究主要關(guān)注大腦如何存儲(chǔ)語(yǔ)義信息以及如何控制認(rèn)知以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。然而，目前有關(guān)概念表征和認(rèn)知控制的腦網(wǎng)絡(luò)的描述，尚未能充分解釋我們?nèi)绾紊啥鄻拥拇竽X狀態(tài)，以支持不同的語(yǔ)義提取模式。

為探索這一問題，中國(guó)科學(xué)院心理研究所認(rèn)知與發(fā)展心理學(xué)研究室杜憶研究組與英國(guó)約克大學(xué)Elizabeth Jefferies教授研究團(tuán)隊(duì)開展了一項(xiàng)合作研究，運(yùn)用多模態(tài)磁共振成像技術(shù)，研究與控制相關(guān)的腦區(qū)和網(wǎng)絡(luò)在皮層表面和全腦狀態(tài)空間中如何參與以提取不同的語(yǔ)義信息。該研究通過操縱兩種語(yǔ)義任務(wù)——語(yǔ)義關(guān)聯(lián)判斷和語(yǔ)義特征匹配——的難度，并將這些任務(wù)的難度效應(yīng)與非語(yǔ)義任務(wù)的難度效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，以揭示潛在的神經(jīng)機(jī)制。

研究結(jié)果首先發(fā)現(xiàn)，語(yǔ)義關(guān)聯(lián)任務(wù)和語(yǔ)義特征匹配任務(wù)的難度效應(yīng)存在系統(tǒng)性拓?fù)洳町悾焊y的語(yǔ)義關(guān)聯(lián)任務(wù)在左側(cè)前額葉、內(nèi)側(cè)前額葉、和顳葉前部的激活較強(qiáng)；而難度較大的語(yǔ)義特征匹配任務(wù)則在這些區(qū)域的后部激活更強(qiáng)（圖1），并且這些腦區(qū)與支持非語(yǔ)義任務(wù)的通用控制腦區(qū)有較多重疊（圖2）。與語(yǔ)義關(guān)聯(lián)任務(wù)難度效應(yīng)相關(guān)的腦區(qū)距離感覺運(yùn)動(dòng)皮層更遠(yuǎn)，而與特征匹配任務(wù)難度效應(yīng)相關(guān)的腦區(qū)更靠近感覺運(yùn)動(dòng)皮層（圖2）。

圖1. 語(yǔ)義關(guān)聯(lián)任務(wù)和語(yǔ)義特征匹配任務(wù)的難度效應(yīng)及其比較。更難的語(yǔ)義關(guān)聯(lián)任務(wù)在左側(cè)前額葉、內(nèi)側(cè)前額葉、和顳葉前部激活較多，而難度較大的語(yǔ)義特征匹配任務(wù)則產(chǎn)生了更多的后部激活。

圖2. 語(yǔ)義任務(wù)與非語(yǔ)義任務(wù)難度效應(yīng)的重疊以及相關(guān)腦區(qū)到感知覺皮層的距離。與語(yǔ)義特征匹配任務(wù)的難度效應(yīng)相關(guān)的腦區(qū)與支持非語(yǔ)義任務(wù)的通用控制腦區(qū)有更多重疊，距離感覺運(yùn)動(dòng)皮層更近。

這些結(jié)果在全腦狀態(tài)空間分析中得到了進(jìn)一步印證，揭示了不同的腦活動(dòng)模式支持不同類型的語(yǔ)義加工。該研究通過功能連接定義的前三個(gè)維度定義了一個(gè)全腦狀態(tài)空間，其中維度一是主梯度，區(qū)分感覺運(yùn)動(dòng)皮層和聯(lián)合皮層；維度二區(qū)分感覺運(yùn)動(dòng)皮層和視覺皮層；維度三區(qū)分控制網(wǎng)絡(luò)腦區(qū)和默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的腦區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)，人腦至少存在兩種宏觀尺度的大腦狀態(tài)支持語(yǔ)義認(rèn)知的控制：一種狀態(tài)，即主梯度，支持語(yǔ)義關(guān)聯(lián)判斷任務(wù)，并同等程度地涉及到執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)和默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)；另一種狀態(tài)，即維度三支持語(yǔ)義特征匹配任務(wù)，更有選擇性地激活控制區(qū)域，同時(shí)伴隨較少的默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的激活（圖3）。該研究為認(rèn)知控制在神經(jīng)狀態(tài)空間中的組織方式提供了新的視角，深化了我們對(duì)大腦中多種控制網(wǎng)絡(luò)和功能分離模型的理解。

圖3. 語(yǔ)義任務(wù)難度效應(yīng)與內(nèi)在功能連接的前三個(gè)維度之間的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系。維度一區(qū)分感覺運(yùn)動(dòng)區(qū)域（紫藍(lán)）與多模態(tài)聯(lián)合皮層（紅白）。維度二區(qū)分聽覺運(yùn)動(dòng)皮層（紫藍(lán)）與視覺皮層（紅白）。維度三區(qū)分控制網(wǎng)絡(luò)（紫藍(lán)）與默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)區(qū)域（紅白）。語(yǔ)義關(guān)聯(lián)任務(wù)的難度效應(yīng)與維度一有更強(qiáng)的相關(guān)，而語(yǔ)義特征匹配任務(wù)的難度效應(yīng)與維度三有更強(qiáng)的相關(guān)。

該研究獲得國(guó)家科技創(chuàng)新2030-“腦科學(xué)與類腦研究”重大項(xiàng)目（2021ZD0201500）、國(guó)家自然科學(xué)基金（32300881，31822024）、中國(guó)科學(xué)院心理研究所揭榜掛帥項(xiàng)目和心理所青年人才啟動(dòng)項(xiàng)目（E1CX4725CX）等項(xiàng)目的支持。

文章已在線發(fā)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(guó)約克大學(xué)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