心理所合作研究揭示视觉运动中感觉运动皮层功能连接偏侧化特征

大脑左右半球功能不对称性是大脑功能组织的重要特征，功能偏侧化是探索人类认知能力脑机制的关键科学问题。已有研究发现，运动功能主要由左侧大脑主导，且这种左侧化会受到任务和环境因素的调控。但是，以往研究多采用局部脑区激活的测量方法，缺乏从功能连接的角度对偏侧化的研究，尤其缺乏对不同任务状态下功能连接偏侧化变化趋势的研究。

为此，中国科学院心理研究所毕鸿燕研究组副研究员杨炀开展了一项合作研究，分别以成人与儿童为研究对象，系统考察了人类复杂视觉运动过程中（写字与画图）脑功能连接偏侧化模式。同时，通过操作任务因素（运动经验、注意等）探究了连接偏侧化的变化模式。

该研究中，左侧化与右侧化脑区被分为两类模式：分离与整合。分离是指半球内连接为主的分离模式，而整合是指半球内连接合并跨半球连接的加和模式。结果发现，成人大脑的初级运动区、躯体感觉区与颞下回呈现左侧化连接，而顶下小叶、背侧运动前区和楔前叶呈现右侧化连接，且都以整合模式为主（图1）。最重要的是，这些脑区偏侧化在不同任务情境中呈现高度稳定性。这种稳定的连接偏侧化可能编码了基本运动程序，帮助人们在不同任务情境中保持运动水平的稳定性。此外，背侧前运动区呈现左侧化分离与右侧化整合共存的复杂模式，且偏侧化程度随任务情境发生变化。这种灵活的偏侧化模式能够帮助脑功能系统适应不同运动任务的需求，反映了高阶脑运动系统的属性。

图1. 成人被试在手写和画图任务以及静息状态下表现出连接偏侧化的脑区

左侧化整合脑区（A）、左侧化分离脑区（B）、右侧化整合脑区（C）、右侧化分离脑区（D）

与成人的结果不同，在10岁左右的儿童被试中，未观察到感觉运动皮层表现出显著的功能连接偏侧化，更未发现不同任务状态下的功能连接偏侧化的稳定性（图2）。这表明，复杂视觉运动任务中功能连接偏侧化的建立需要相当长时间的发育过程。

图2. 儿童被试在手写和画图任务中表现出功能连接偏侧化的脑区

左侧化整合脑区 (A)、左侧化分离脑区 (B)、右侧化整合脑区 (C) 、右侧化分离脑区(D)

最后，从方法学的角度，该研究探究了功能连接与局部脑激活两种偏侧化指标的关系。结果发现，无论是儿童还是成人，在局部脑激活层面，感觉运动皮层均已表现出显著的偏侧化，而且，偏侧化程度在不同任务状态下呈现出显著变化，这与功能连接偏侧化模式完全不同。相关分析还发现，功能连接与脑激活偏侧化系数相关度很低。这表明，功能连接偏侧化是一种独立的脑功能指标。

综上，该研究系统揭示了不同任务状态下感觉运动皮层功能连接偏侧化特征及其变化模式，加深了人们对人类运动脑功能系统组织模式的认识，强调了功能连接偏侧化的测量在脑功能偏侧化研究中的重要性。

该研究成果已经在线发表于The Journal of Neuroscience，心理所副研究员杨炀为第一作者，北京师范大学周可教授为通讯作者。该研究得到科技创新2030-脑科学与类脑研究重大项目、国家自然科学基金与心理研究所“揭榜挂帅”等支持。

论文信息：

Yang Y, Li J, Zhao K, Tam F, Graham SJ, Xu M and Zhou K (2024). Lateralized functional connectivity of the sensorimotor cortex and its variations during complex visuomotor tasks. The Journal of Neuroscience. DOI: https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.0723-23.2023