人类大脑中与控制相关的神经系统

人类大脑中与控制相关的神经系统

摘要

这是一篇关于任务控制的脑系统的综述，先介绍了一个任务控制的心理模型，并且讨论了不同任务之间共同的神经成像信号，即开始线索，任务维持，错误相关。作者用对控制区域的脑成像进行分析，指出至少有2个分离的任务控制系统，额顶系统和盖状带系统，在整个大脑的背景下，分析了这两个任务系统如何与其他脑网络系统的进行区分和练习，得出结论，认为控制系统组成了大脑某些基础系统水平上的组织单元。作者通过与其他研究者进行对比分析，认为任务控制系统可以进一步划分成更精细的子系统。

导言

大脑在执行任务时，主要分为2个系统：加工器系统和控制器系统。加工器主要负责专门的运算，而控制器则负责指导加工器怎么样进行运算。Posner和Petersen认为，脑区之间网络的协同运作为人的注意提供支持，这些脑区在解剖上是分离的并且各种处理特定的信息输入，个别的脑区涉及到注意中特定的认知运作。他们强调了上顶叶皮质（superior parietal cortex）对定向功能和前扣带回皮质（ACC）对执行功能的重要作用。

而Corbetta and Shulman提出了腹侧注意系统和背侧注意系统。腹侧注意系统位于顶叶，负责自上而下的加工，背侧注意系统位于额叶，负责自下而上的加工。认知控制的层级理论关注于背外侧额叶皮质（DLPFC）。冲突监测理论关注ACC对冲突的觉察和DLPFC的执行控制。其他一些理论则认为任务控制的区域遍布整个大脑，包括额叶、顶叶、扣带回、脑岛、皮下层，甚至小脑。

控制脑区的特征

大脑在执行任务时，控制脑区会发出3种信号，开始线索，任务维持和与错误相关的活动。作者通过对10个任务态fMRI的数据集进行元分析。在跨任务之间，都能检测到3种信号，而且信号来源于整个大脑。背侧前扣带回和背侧前脑岛都检测到3种信号，认为是任务控制系统的核心。计算控制脑区的RSFC（resting state functional connectivity MRI），作者发现，控制区域可以划分出两个系统。带状盖系统（cingulo-opercular），除了核心区域外，还包含前额叶皮质，并且检测到开始线索、认为维持和错误相关3种信号。额顶系统（fronto-parietal）主要包括额叶和顶叶，但是在在额顶区在任务维持的过程中并没有检测到维持活动的信号。

额顶系统的RSFC在系统内有高相关，而与其他系统间是低相关。根据这些结果，作者认为带状盖系统和额顶系统是相对独立的系统，带状盖系统在可能在长时间尺度上进行运作，并且在对任务集的维持起核心作用，额顶系统优先在短时间尺度上运作，并即时对任务集进行调整。

在全脑尺度背景下的控制系统

前面讨论的只是从局部脑区上来区分出的系统，但是有这些区域在功能上的联结有可能恨死由于特定的选择方法造成的，并不是真实上的相关。所以作者重新选取了264脑区并且计算了他们之间的RSFC。结果显示，控制系统确实是大脑功能性组织的基本系统层级元素，并且这些系统包含了更广的脑区。例如，带状盖系统不仅包括AI,AC,APFC,而且还包括缘上回（supramarginal gyrus）。RSFC在方法参数表示一定程度的灵活性，因此，依据RSFC划分的系统能够分解为更小的子系统。

全脑网络与其他关于控制网络理论的整合

Corbetta和Shulman提出了背侧和腹侧的注意系统，分别负责自上而下的视空注意加工和自下而上的再定位加工。但是从全脑的角度看，这些网络都能划分为更多的子网络。Seeley 等也提出了与额顶系统相似的执行系统和与盖状带系统相似的突出系统。salience system 中也出现了与开始线索，任务维持，错误相关的活动，并对盖状带区域中出现的这些与控制

信号类似的信号给出了不同的解释：这种信号与自动的唤醒有关，而不是与控制有关。全脑网络理论为这两种理论提供了潜在的解释：在modified voxelwise analysis中，至少存在两种盖状带网络。即作者认为，这2种网络是盖状带网络中联系而又有区别的子网络。

对于控制的心理模型，处理器对特定类型的输入进行自动加工，而控制器则是影响处理器的运作。有理由认为加工区域只与相关的加工器有关，而控制器与广泛的控制区域和广泛的加工器有关。事实上也是如此，例如视觉的加工区域与网络的其他区域有紧密联系，但他们在解剖上是相对分离的，而额定控制系统处于网络的中心。额顶系统的广泛性特质，而且这个系统的某些区域在数学推理认为和记忆提取任务中的进行特定认知活动，这些都表明额顶系统在控制和加工而言方面的结构是很有趣的，或者在这个系统中控制和加工的区分并不明显。

认知控制解释的挑战

并不是所有的认知控制的解释都得到了网络分析结果的支持。DLPFC是控制区域，是以rostrocaudal gradient的方式层级组织的，复杂的任务需要额叶皮质的前部，而简单的任务需要的是额叶皮质的后部。在功能性连接网络中，并没有发现支持这个层级组织的证据。相反，DLPFC包含于许多不同的网络。

目前，DLPFC的层级组织陈述受到目标任务f MRI实验更大的挑战。而冲突监测的陈述也受到实验的挑战。

结论

任务控制的层级控制理论和任务冲突监测理论越来越受到实验的挑战，而其他的涉及更广泛区域的理论需要更多的实验证据。可以确定的是，人脑包含许多分离的系统，其中的一些系统所包含的区域发出的信号与任务控制信号是一致的。