2019年2月15日，北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院吳艷紅課題組在NeuroImage在線發(fā)表論文Anterior insular cortex is a bottleneck of cognitive control。該研究綜合采用了功能性磁共振成像實驗和腦損傷病人的行為測試，揭示了認(rèn)知控制容量的神經(jīng)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)前島葉(anterior insular cortex)作為認(rèn)知控制網(wǎng)絡(luò)的瓶頸腦區(qū)，對個體的認(rèn)知控制容量起到了決定性的作用。

認(rèn)知控制是人類認(rèn)知中協(xié)調(diào)心理操作和行動的核心過程，其神經(jīng)基礎(chǔ)是大腦中的認(rèn)知控制網(wǎng)絡(luò)(cognitive control network, CCN)，包括額頂子網(wǎng)絡(luò)（包括前眼野和頂內(nèi)溝等區(qū)域）和扣帶回-額蓋子網(wǎng)絡(luò)（包括前扣帶回和前島葉等區(qū)域），以及皮層下區(qū)域（包括丘腦、尾狀核和基底神經(jīng)節(jié)等區(qū)域）。認(rèn)知控制系統(tǒng)在單位時間內(nèi)能處理的信息量，即認(rèn)知控制容量（Cognitive control capacity, CCC），是有限的?；谛畔⒄摽蚣?，已有研究發(fā)現(xiàn)人類認(rèn)知控制容量約為3-4比特/秒，但決定認(rèn)知控制容量的神經(jīng)機(jī)制尚不明確。本文作者提出，認(rèn)知容量可能是被認(rèn)知控制網(wǎng)絡(luò)中的某個瓶頸區(qū)域或子網(wǎng)絡(luò)所限制的。當(dāng)需要同時處理的信息超過了該區(qū)域可用的資源上限時，無法及時處理的信息就會丟失，從而造成處理準(zhǔn)確程度的下降。由于“木桶效應(yīng)”的存在，整個網(wǎng)絡(luò)的處理效率會被這一瓶頸區(qū)域所限制。該瓶頸區(qū)域很可能是大腦網(wǎng)絡(luò)中的樞紐，可能由于同時參與了多種相互競爭的加工過程而導(dǎo)致本身資源緊張。本文作者認(rèn)為前島葉是認(rèn)知控制容量瓶頸腦區(qū)的最佳候選者，因為它是大腦中的整合樞紐：基于該腦區(qū)與大腦中其它區(qū)域的廣泛解剖連接，前島葉參與了接收來自各種感覺通道和多個認(rèn)知領(lǐng)域的信息的過程，并將這些信息進(jìn)行整合后重新表征成高級的抽象概念。

吳艷紅課題組和紐約市立大學(xué)皇后學(xué)院的范津教授以及北京天壇醫(yī)院的高之憲主任合作對這一解說進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)驗證。研究團(tuán)隊采用后掩蔽多數(shù)函數(shù)任務(wù)來操縱認(rèn)知負(fù)載（即需要處理的信息率）。在任務(wù)中，被試需要在一定時間內(nèi)判斷一組朝左/右箭頭（5個）中多數(shù)箭頭的朝向。研究者通過變化信息量（不一致箭頭的比例）和呈現(xiàn)時間來操縱每個試次的信息率（信息率=信息量/呈現(xiàn)時間）?；谡J(rèn)知負(fù)載和反應(yīng)正確率下降間的關(guān)系，個體的認(rèn)知控制容量可以通過計算建模的方法來估計。功能性磁共振成像研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，認(rèn)知控制網(wǎng)絡(luò)各個區(qū)域的活動隨著認(rèn)知負(fù)載的增加而單調(diào)增加。當(dāng)認(rèn)知負(fù)載上升到一定程度時，右側(cè)前島葉的活動首先達(dá)到平臺期，并伴隨反應(yīng)正確率的下降。同時，基于個體差異的分析發(fā)現(xiàn)右側(cè)前島葉的激活水平跟個體的認(rèn)知控制容量存在顯著相關(guān)。腦損傷病人研究發(fā)現(xiàn)，單側(cè)島葉損傷的病人表現(xiàn)出顯著的認(rèn)知控制容量的損傷。

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析發(fā)現(xiàn)，前島葉是認(rèn)知控制網(wǎng)絡(luò)的樞紐節(jié)點。對前腦島的模擬損傷會導(dǎo)致認(rèn)知控制網(wǎng)絡(luò)的全局效率降低。這些結(jié)果表明，作為認(rèn)知控制網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵樞紐，前側(cè)島葉皮層在認(rèn)知控制加工中發(fā)揮了重要的瓶頸作用。

紐約市立大學(xué)皇后學(xué)院的吳婷婷博士，北京天壇醫(yī)院的王興朝博士，和北京大學(xué)心理與認(rèn)知科學(xué)學(xué)院畢業(yè)生吳瓊博士為論文的共同第一作者，吳艷紅教授、高之憲博士和范津教授為論文的共同通訊作者。該研究由美國國立衛(wèi)生研究院國家精神衛(wèi)生研究所、中國國家自然科學(xué)基金和北京市醫(yī)院管理局青年人才培養(yǎng)“青苗”計劃資助完成。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811919301387

2019-06-10