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脑连接网络是基于图论理论对fMRI分析并构建的,图论方法可以用来描述局部全局网络功能的性质,可应用于结构或功能定义的网络。描述网络指标的度量有:

  • modularity:表示整个脑网络下,不同子网络见的分离程度。
  • local efficiency:子网络的连接性
  • gobal efficiency:子网络的连接性

定义:

rs-fMRI利用脑血流的自发低频波动来测量脑区内部和脑区之间的相关性1

常见的脑连接网络:

1. 感觉运动网络 Sensorimotor System(SEN)

Keywords:传感器

感觉运动网络作为大脑的传感器,感觉运动网络负责感知物理输入,并将其转换为在整个脑网络中传播的电子信号,然后启动物理反应。

主要脑区:

感觉运动网络包括初级运动皮层、扣带皮层、前运动皮层和辅助运动区的功能区 。它还包括顶叶的初级与感觉皮层。

具体功能:

感觉运动网络负责监督我们对外部刺激的反应,比如对沙子的感觉;体感皮层则处理来自身体内部和身体周围的体验,比如感受阳光的温度。体感反应可以是外部的,比如温度、压力和振动,但也可以是内部的本体感觉,比如平衡和协调;或内脏感觉 ,如消化不良或肠易激综合症伴随的疼痛。

2. 中央执行网络 Central Executive Network(CEN)

  • 外在心智

中央执行网络负责任务和决策工作,中央执行网络 (CEN) 作为大脑的主导控制网络之一,CEN 负责执行高层次的认知任务,并与其他六个主要的大脑网络协同工作或相互关联。

具体功能:

作为任务选择和行为的主导控制脑网络,CEN利用来自其它脑网络的输入来评估内部驱动和个人偏好,从而指导个体的选择。当你开始感到饥饿,并想着在晚餐前吃点可口的小吃时,你的感觉运动网络和边缘系统正在处理这些基本感觉。

3 . 默认模式网络 Default Mode Network(DMN)

Keyword:内在心智

默认模式网络是七个主要大脑网络中最活跃且最具有持续性的脑网络,在认知中不仅发挥着重要作用。

主要脑区:

由楔前叶(Prec),后扣带皮层(PCC)、内侧顶叶皮层(MPC)、外侧顶叶皮层(LPC)、下顶叶皮层(IPC)、内侧前额叶皮层(mPFC)和内侧颞回(MTG)组成。

Diagnostic power of resting-state fMRI for detection of network connectivity in Alzheimer’s disease and mild cognitive impairment: A systematic review

具体功能:

参与冥想(深沉、连续思索想象),内省(self-reflective)(对自我思想、情感、经验的自我考察)等活动。

相关疾病:

它被认为和阿尔茨海默氏症、孤独(自闭)症、精神分裂症和癫痫等广泛的神经精神类疾病相关。

  1. 默认模式网络的活动降低与孤独症相关,而精神分裂症患者中则观察到过度活动(激活);
  2. 在阿尔茨海默症患者脑中淀粉样沉积的出现使默认模式网络首先受到危害;
  3. 在DMN中,内侧前额叶皮层与外向/内向人格特质有关,外向的人长时记忆参数更小,表现出更快速的在线信息处理与更新能力。

Disease and the brain’s dark energy

4. 突显网络 Salience Network(SN)

Keywords:解调器

突显网络对外部世界进行监测并谨慎决定其他脑网络对于新信息与刺激的反应。

主要脑区:

突显网络的主要功能区或节点位于前扣带、前脑岛,和前辅助运动区。突显网络还包括杏仁核、下丘脑、腹侧纹状体、丘脑和特定的脑干核、前扣带皮层 (ACC)、内侧颞叶网络、海马旁回、嗅叶和腹侧盖区 (VTA) 的节点。

其中,主要三个节点:左右前脑岛、前扣带皮层。

具体功能:

突显网络对于感觉运动信息的处理、总体认知以及情感、疼痛和身体动作之间的协调起到不可或缺的作用。突显网络作为调解器,会对 DMN 与 CEN 之间的活动进行调节,就像主持人每次仅允许一位演讲者发言。

然而,当 SN 变得过度活跃或者在处理网络切换或情绪调节时发生异常,它可能会对大脑产生负面影响。这些异常现象可能会导致精神疾病,如精神分裂症、抑郁症、焦虑症和创伤后应激障碍。

相关疾病:

精神分裂症、抑郁、肥胖

  1. 偏执型精神分裂症最主要的症状就是现实歪曲(reality distortion),而突显网络被认为在现实歪曲中起到了非常重要的作用
  2. 对于抑郁症患者,突显网络中右侧脑岛的过度活动(激活)导致了对中性的事情进行负性的解读
  3. 突显网络参与了对食物刺激的检测,但肥胖的人却可能抑制不住对事物的渴望的,尽管他们的内心是拒绝的。

5. 背侧注意网络 Dorsal Attention Network(DAN)

背侧注意网络是一个双侧脑网络,用于维持注意力的稳定,且以多种形式参与人类智力的发展

主要脑区:

背侧注意网络则分布在大脑的两侧。它在外侧枕叶、中央前沟、额上沟最背侧部分的额叶视野 (FEF)、腹侧前运动皮层、顶上小叶、顶内沟和运动感应的中颞区等区域之间表现出高度连接性。

人类大脑不断地在接收感官输入信号,大脑无法在每个时刻对每个信号都给予同等关注。因此,DAN 会将大脑的注意力聚焦在某一特定时刻中最重要的感官输入信号。回到这个比喻,在决定如何取景与构图时,你会集中注意力在眼前的视觉素材上。

具体功能:

注意:自上而下的注意定向;

外源性:参与外源性任务的完成中,在线索提示了何时、何处、以何种形式进行反应时,会持续的活动

6. 边缘/旁边缘系统 Limbic/Paralimbic System

边缘系统可以调节大脑的许多核心功能,包括回应、反应、行为、情感、记忆和学习等。边缘系统在整个进化过程中是不断在发展的,以调节哺乳动物和人类大脑中的核心功能

主要脑区:

边缘系统一般包括杏仁核、丘脑、下丘脑、海马体,以及许多在功能上和解剖上相关的区域,这些区域被视为旁边缘结构。这些区域包括前额叶-边缘系统、前扣带皮层 (ACC)、内侧颞叶网络、海马旁回、嗅叶和腹侧盖区 (VTA)。

网络间的协同性

大脑加工过程涉及脑网络之间复杂的交互作用。在执行任务时,网络间通过突触传递信息,协同作用,共同激发和参与所需的认知和运动功能。

在七个主要的大脑网络中,占主导地位的中央执行网络(CEN)最为活跃。CEN关注外部目标,并通过外部活动负责记忆的主动合成。另一方面,默认模式网络 (DMN) 是 CEN 的备用网络。它是大脑中最稳定的网络,控制着大脑的被动内部状态,作用于内在思考和想法评估。

这两个网络代表大脑的内部和外部状态,它们与其他网络协同工作,如视觉、感觉运动、边缘和注意网络。它们一起处理外部视觉和声音、内部情绪或其他可能导致内部思维或外部活动任务的刺激。尽管 CEN 和 DMN 由于其主导作用始终处于活动状态,但它们并不会同时运行。大脑根据外部或内部信息加工的需要,不断地在 CEN 和 DMN 之间进行切换。

Reference

  1. Yeo BT, Krienen FM, Sepulcre J, et al. The organization of the human cerebral cortex estimated by intrinsic functional connectivity. J Neurophysiol. 2011;106(3):1125-1165. doi:10.1152/jn.00338.2011.
  2. Androulakis XM, Krebs KA, Jenkins C, et al. Central Executive and Default Mode Network Intranet work Functional Connectivity Patterns in Chronic Migraine. J Neurol Disord. 2018; 6 (5): 393. Doi: 10.4172/2329-6895.1000393.*