大腦從健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧膊顟B(tài)的原因是什么？這種轉(zhuǎn)變是如何影響刺激的處理方式的？以及哪種物理神經(jīng)動(dòng)力學(xué)變化推動(dòng)了這種轉(zhuǎn)變？為了解決這些問(wèn)題，作者借鑒David Marr的分析模型，提出了一個(gè)三級(jí)計(jì)算算法復(fù)雜框架，該框架以自上而下（TD）和自下而上（BU）處理的轉(zhuǎn)變?yōu)橹行模越忉尳箲]和抑郁作為不同疾病狀態(tài)的產(chǎn)生原理。自下而上（bottom-up）是最初的快速處理模式，它在很大程度上依賴于對(duì)來(lái)自環(huán)境的顯著刺激的即時(shí)、無(wú)意識(shí)的和情緒反應(yīng)。自上而下（top-down）是一種緩慢的處理模式，依賴于認(rèn)知、環(huán)境、先驗(yàn)知識(shí)和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)的方法來(lái)評(píng)估刺激。

近日，美國(guó)加利福利亞薩爾克生物研究所Kay M. Tye等發(fā)表綜述，闡述了基底外側(cè)杏仁核信號(hào)和投射在自下而上處理中的作用，和內(nèi)側(cè)前額葉皮層內(nèi)部信號(hào)和投射在上而下處理中的作用。

1、計(jì)算環(huán)境（吸引子狀態(tài)動(dòng)力學(xué)）的變化解釋大腦功能的轉(zhuǎn)變

大腦是一個(gè)依賴于多個(gè)隱藏變量的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，我們只能觀察到其中的少數(shù)變量。單個(gè)細(xì)胞正在進(jìn)行的活動(dòng)由輸入的組合控制：它們的振幅、位置、時(shí)間、離子通道的調(diào)節(jié)以及來(lái)自神經(jīng)調(diào)控的較慢信號(hào)。在更大的范圍內(nèi)，一個(gè)細(xì)胞接收來(lái)自數(shù)萬(wàn)個(gè)其他神經(jīng)元的輸入，這些神經(jīng)元的連接和活動(dòng)是未知的。神經(jīng)活動(dòng)中如此大量的隱藏變量需要能夠準(zhǔn)確地表示生物活動(dòng)的計(jì)算模型——將大腦理解為一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)以解釋這些無(wú)法觀察到的隱藏變量。該模型包含“吸引子狀態(tài)（attractor states）”，吸引子是狀態(tài)空間中的最小狀態(tài)集，所有附近的狀態(tài)最終都隨著時(shí)間流向該狀態(tài)集。

越來(lái)越多的證據(jù)表明，神經(jīng)集合表現(xiàn)出類似于吸引子狀態(tài)模型的活動(dòng)。吸引子網(wǎng)絡(luò)（不同于吸引子狀態(tài)）是一種隨著時(shí)間的推移向穩(wěn)定性發(fā)展的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)。診斷為焦慮和抑郁的患者表現(xiàn)出不同的大腦狀態(tài)，這說(shuō)明焦慮和抑郁存在于不同的吸引子狀態(tài)中。有趣的是，焦慮活動(dòng)增加的區(qū)域在抑郁癥患者中活動(dòng)減少，焦慮活動(dòng)減少的區(qū)域在抑郁患者中活動(dòng)增加。

這些獨(dú)立的大腦狀態(tài)說(shuō)明，存在可以代表焦慮和抑郁的雙穩(wěn)態(tài)吸引子狀態(tài)[Fig.1]。健康個(gè)體可以在TD和BU處理狀態(tài)之間平穩(wěn)地交替，以適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)行為。在病理?xiàng)l件下，吸引子狀態(tài)的深度增加，使得網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)嚴(yán)重偏向于TD（在抑郁癥中）或BU（在焦慮癥中）。

Figure 1 吸引子狀態(tài)自下而上、自上而下處理的動(dòng)力學(xué)

2、在算法層面刺激和價(jià)值處理維持和擾亂大腦功能

吸引子狀態(tài)動(dòng)力學(xué)的變化可能導(dǎo)致刺激處理方式的重大變化。在算法層面，作者區(qū)分兩個(gè)反饋回路，當(dāng)平衡時(shí)，這兩個(gè)回路對(duì)刺激進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑u(píng)估和響應(yīng)?？焖俸蛦蜗虻腂U-反饋回路對(duì)感覺(jué)刺激做出即時(shí)反應(yīng)，而緩慢和復(fù)雜的TD反饋回路進(jìn)行更復(fù)雜的環(huán)境評(píng)估和微調(diào)行為。這些循環(huán)分為三個(gè)主要步驟：感官檢測(cè)、處理和輸出[Fig.2]。

在焦慮狀態(tài)下，系統(tǒng)在沒(méi)有足夠的TD調(diào)節(jié)的情況下，壓倒性地向BU處理轉(zhuǎn)變，擾亂了目標(biāo)導(dǎo)向的行為。這導(dǎo)致過(guò)度的生理和心理喚醒，并增加了對(duì)環(huán)境刺激的敏感性，促使刺激偏向于威脅。通常被認(rèn)為是中性的刺激可能會(huì)引發(fā)與焦慮相關(guān)的心理癥狀，包括過(guò)度警覺(jué)和擔(dān)憂，以及生理癥狀，如心率加快、出汗和肌肉緊張。在抑郁癥中，TD認(rèn)知過(guò)程控制情緒反射過(guò)程，并過(guò)度抑制BU循環(huán)。這可能導(dǎo)致無(wú)法適當(dāng)?shù)嘏c環(huán)境接觸，或無(wú)法達(dá)到對(duì)相關(guān)刺激采取行動(dòng)的喚醒閾值。表現(xiàn)為缺乏動(dòng)力和快感缺乏。而患有焦慮抑郁共病個(gè)體的雙向過(guò)度補(bǔ)償導(dǎo)致BU和TD偏向處理之間的不適應(yīng)交替。

Figure 2 刺激處理過(guò)程中自下而上和自上而下反饋回路的相互作用

3、關(guān)鍵大腦結(jié)構(gòu)對(duì)大腦能力變化的作用

人類研究表明，情緒和注意力處理會(huì)激活大腦中不同的活動(dòng)模式，這取決于是否出現(xiàn)TD或BU誘導(dǎo)刺激。BU誘導(dǎo)刺激，如可以快速引發(fā)自動(dòng)情緒反應(yīng)的圖像，已被證明會(huì)激活大腦區(qū)域，如杏仁核，而TD誘導(dǎo)的刺激（言語(yǔ)和想象活動(dòng)）與PFC有關(guān)。作者分別將杏仁核和PFC作為BU和TD處理的代表，以闡明生物學(xué)機(jī)制如何在計(jì)算和算法層面實(shí)現(xiàn)慢性變化[Fig.3]。

焦慮癥可能源于自下而上區(qū)域的功能亢進(jìn)。穩(wěn)態(tài)水平下的BU處理對(duì)于動(dòng)物保持警惕和謹(jǐn)慎是必要的；然而，與適應(yīng)性焦慮處理相關(guān)的區(qū)域活動(dòng)的病理性增加會(huì)導(dǎo)致不適應(yīng)的焦慮癥狀和行為。在BU處理的背景下，杏仁核是大腦中進(jìn)行聯(lián)想學(xué)習(xí)、BU處理和覺(jué)醒的關(guān)鍵區(qū)域。

抑郁癥可能源于自上而下區(qū)域的功能亢進(jìn)。mPFC一直與情緒障礙有關(guān)，該區(qū)域的連通性與抑郁癥有關(guān)。

Figure 3 神經(jīng)調(diào)控對(duì)吸引子狀態(tài)深度和突觸可塑性的影響

4、神經(jīng)遞質(zhì)平衡驅(qū)動(dòng)吸引子狀態(tài)和精神狀態(tài)穩(wěn)定

谷氨酸和γ-氨基丁酸（GABA）分別是參與活性激發(fā)和抑制的主要神經(jīng)遞質(zhì)。神經(jīng)調(diào)節(jié)劑的表達(dá)水平與精神狀態(tài)之間有著密切的關(guān)系。大腦中神經(jīng)調(diào)質(zhì)的釋放與焦慮和抑郁有關(guān)，并提供了對(duì)精神疾病如何編碼的見(jiàn)解。正如吸引子狀態(tài)的計(jì)算理論家所說(shuō)，吸引子狀態(tài)的穩(wěn)定性類似于該區(qū)域的可塑性水平。因此，通過(guò)解釋可塑性的選擇性變化如何改變吸引子狀態(tài)的穩(wěn)定性，神經(jīng)調(diào)節(jié)劑的存在和身份為模型提供了信息。

作者提出了一個(gè)模型，在該模型中，神經(jīng)調(diào)節(jié)的區(qū)域功能障礙會(huì)導(dǎo)致焦慮和抑郁癥狀，從而鞏固超穩(wěn)定的吸引子狀態(tài)。認(rèn)為焦慮是由超穩(wěn)定吸引子狀態(tài)引起的，該狀態(tài)鞏固了BU偏向的處理。這種狀態(tài)是由于BLA及其谷氨酸能投射mPFC的超興奮性引起的。相反，抑郁癥是由超穩(wěn)定的TD偏向的吸引子狀態(tài)引起的，其中E/I失衡是mPFC中紊亂的神經(jīng)調(diào)質(zhì)介導(dǎo)的。

總結(jié)與展望

在這里，作者將研究的計(jì)算、算法和實(shí)施層面聯(lián)系起來(lái)，以連接每個(gè)領(lǐng)域提出的概念框架。在計(jì)算層面上，大腦在健康和疾病中的功能可以與吸引子狀態(tài)進(jìn)行比較，類似于大腦狀態(tài)。在算法層面上，探索了TD或BU大腦狀態(tài)如何代表由神經(jīng)回路介導(dǎo)的心理處理途徑。在實(shí)施層面上，探索了突觸變化如何改變神經(jīng)動(dòng)力學(xué)，并沿著多個(gè)不同的參數(shù)改變大腦狀態(tài)。

雖然吸引子狀態(tài)建模表明了焦慮和抑郁狀態(tài)是如何持續(xù)的，但問(wèn)題仍然存在：這些疾病狀態(tài)是如何發(fā)展的，是什么導(dǎo)致了向這些狀態(tài)的轉(zhuǎn)變？神經(jīng)元處理需要數(shù)千個(gè)輸入的整合和重新分布，其動(dòng)力學(xué)被稱為神經(jīng)元雪崩。這一理論表明，當(dāng)群體接近臨界閾值時(shí)，可觀察到的行為不會(huì)改變，直到一個(gè)單位超過(guò)閾值，并導(dǎo)致許多其他單位依次改變。雖然吸引子狀態(tài)解釋了給定狀態(tài)的穩(wěn)定性和持續(xù)性，但神經(jīng)元雪崩和更廣泛的臨界腦假說(shuō)解釋了從一種吸引子狀態(tài)到另一種吸引子的過(guò)程。在一個(gè)健康的系統(tǒng)中，神經(jīng)元雪崩可以引發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換；然而，在一個(gè)不健康的系統(tǒng)中，神經(jīng)元群體將難以達(dá)到狀態(tài)轉(zhuǎn)換所需的臨界點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

LeDuke, Deryn O et al. “Anxiety and depression: A top-down, bottom-up model of circuit function.” Annals of the New York Academy of Sciences, 10.1111/nyas.14997. 2 May. 2023, doi:10.1111/nyas.14997

編譯作者：Young（brainnews創(chuàng)作團(tuán)隊(duì)）

校審：Simon（brainnews編輯部）

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