心理所合作研究发现宏观尺度的大脑状态支持语义控制

神经科学的一个关键目标是理解人脑如何根据不同情境灵活地提取相关的语义信息。以往的研究主要关注大脑如何存储语义信息以及如何控制认知以实现目标。然而，目前有关概念表征和认知控制的脑网络的描述，尚未能充分解释我们如何生成多样的大脑状态，以支持不同的语义提取模式。

为探索这一问题，中国科学院心理研究所认知与发展心理学研究室杜忆研究组与英国约克大学Elizabeth Jefferies教授研究团队开展了一项合作研究，运用多模态磁共振成像技术，研究与控制相关的脑区和网络在皮层表面和全脑状态空间中如何参与以提取不同的语义信息。该研究通过操纵两种语义任务——语义关联判断和语义特征匹配——的难度，并将这些任务的难度效应与非语义任务的难度效应进行对比，以揭示潜在的神经机制。

研究结果首先发现，语义关联任务和语义特征匹配任务的难度效应存在系统性拓扑差异：更难的语义关联任务在左侧前额叶、内侧前额叶、和颞叶前部的激活较强；而难度较大的语义特征匹配任务则在这些区域的后部激活更强（图1），并且这些脑区与支持非语义任务的通用控制脑区有较多重叠（图2）。与语义关联任务难度效应相关的脑区距离感觉运动皮层更远，而与特征匹配任务难度效应相关的脑区更靠近感觉运动皮层（图2）。

图1. 语义关联任务和语义特征匹配任务的难度效应及其比较。更难的语义关联任务在左侧前额叶、内侧前额叶、和颞叶前部激活较多，而难度较大的语义特征匹配任务则产生了更多的后部激活。

图2. 语义任务与非语义任务难度效应的重叠以及相关脑区到感知觉皮层的距离。与语义特征匹配任务的难度效应相关的脑区与支持非语义任务的通用控制脑区有更多重叠，距离感觉运动皮层更近。

这些结果在全脑状态空间分析中得到了进一步印证，揭示了不同的脑活动模式支持不同类型的语义加工。该研究通过功能连接定义的前三个维度定义了一个全脑状态空间，其中维度一是主梯度，区分感觉运动皮层和联合皮层；维度二区分感觉运动皮层和视觉皮层；维度三区分控制网络脑区和默认网络的脑区。研究发现，人脑至少存在两种宏观尺度的大脑状态支持语义认知的控制：一种状态，即主梯度，支持语义关联判断任务，并同等程度地涉及到执行控制网络和默认网络；另一种状态，即维度三支持语义特征匹配任务，更有选择性地激活控制区域，同时伴随较少的默认网络的激活（图3）。该研究为认知控制在神经状态空间中的组织方式提供了新的视角，深化了我们对大脑中多种控制网络和功能分离模型的理解。

图3. 语义任务难度效应与内在功能连接的前三个维度之间的空间对应关系。维度一区分感觉运动区域（紫蓝）与多模态联合皮层（红白）。维度二区分听觉运动皮层（紫蓝）与视觉皮层（红白）。维度三区分控制网络（紫蓝）与默认模式网络区域（红白）。语义关联任务的难度效应与维度一有更强的相关，而语义特征匹配任务的难度效应与维度三有更强的相关。

该研究获得国家科技创新2030-“脑科学与类脑研究”重大项目（2021ZD0201500）、国家自然科学基金（32300881，31822024）、中国科学院心理研究所揭榜挂帅项目和心理所青年人才启动项目（E1CX4725CX）等项目的支持。

文章已在线发表于Communications Biology。心理所助理研究员王秀祎为第一作者，王秀祎、心理所杜忆研究员和英国约克大学Elizabeth Jefferies教授为共同通讯作者。

论文信息： 

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