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大腦中無時無刻不在進行的動態(tài)神經(jīng)活動，是人類一切心理和行為的生理基礎(chǔ)。近年來，發(fā)展自系統(tǒng)工程領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)控制理論被大量應(yīng)用于心理學(xué)和腦科學(xué)研究，通過將大腦視為一個復(fù)雜系統(tǒng)，探究神經(jīng)動態(tài)活動跨腦區(qū)傳播的網(wǎng)絡(luò)機制。基于大腦的結(jié)構(gòu)連接網(wǎng)絡(luò)特征，網(wǎng)絡(luò)控制理論不僅可以鑒別哪些腦區(qū)更容易對其它腦區(qū)施加影響，還可以通過模擬大腦狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，探索這些動態(tài)進程中大腦的能耗，也稱為控制能量（control energy）。作為一個工程學(xué)概念，控制能量指的是驅(qū)動系統(tǒng)狀態(tài)改變所需的輸入；當(dāng)應(yīng)用于模擬大腦的動態(tài)進程時，這一“輸入”究竟對應(yīng)何種大腦生理活動，卻一直沒有答案。生理基礎(chǔ)的不足，難免會給網(wǎng)絡(luò)控制理論在心理學(xué)和腦科學(xué)研究中的適配性帶來質(zhì)疑，并阻礙其進一步發(fā)展。

2022年11月9日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)心理學(xué)系何曉松特任研究員等在Science Advances雜志上發(fā)表了題為Uncovering the biological basis of control energy: Structural and metabolic correlates of energy inefficiency in temporal lobe epilepsy的研究論文，通過將單側(cè)顳葉癲癇作為損傷模型，結(jié)合彌散加權(quán)成像和正電子發(fā)射斷層掃描等多模態(tài)影像技術(shù)，揭示了患者大腦中控制能量消耗異常與葡萄糖代謝異常的關(guān)聯(lián)，為網(wǎng)絡(luò)控制理論在心理學(xué)和腦科學(xué)研究中的應(yīng)用提供了潛在的生理基礎(chǔ)。

作為重量占比僅2%的人體器官，大腦需要消耗超過人體日均能耗20%的能量以驅(qū)動其動態(tài)活動，行使日常功能。那么，這種生物學(xué)形式的能量消耗，如葡萄糖代謝，是否與工程學(xué)意義上的“控制能量”存在聯(lián)系？為了回答這個問題，團隊借鑒神經(jīng)心理學(xué)研究思路，探索了腦疾病相關(guān)的病理性損害，是否會帶來控制能量和葡萄糖代謝的共變性擾動。基于顳葉癲癇患者和健康對照的大腦結(jié)構(gòu)連接網(wǎng)絡(luò)，團隊通過網(wǎng)絡(luò)控制理論模擬了兩種具有代表性的大腦動態(tài)進程，并估算了這些進程中大腦所需消耗的控制能量（圖1）。

圖1 研究方法示意圖

結(jié)果發(fā)現(xiàn)，患者在模擬邊緣系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（癲癇發(fā)作和傳播的核心區(qū)域）激活過程中所需消耗的控制能量顯著高于健康對照組，并且這種能效異常與患者致癇灶的偏側(cè)化高度一致。在患側(cè)海馬、杏仁核等7個邊緣系統(tǒng)腦區(qū)，患者大腦需要消耗更多的控制能量以維系預(yù)定的大腦動態(tài)進程（圖2）。

圖2 通過網(wǎng)絡(luò)控制理論模擬大腦動態(tài)進程，發(fā)現(xiàn)顳葉癲癇患者在整體和局部均存在能效的降低，相比健康對照需要更高的控制能量來實現(xiàn)相同的大腦狀態(tài)轉(zhuǎn)化

通過正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)，團隊證實，這些腦區(qū)的基線葡萄糖代謝水平與控制能量消耗水平呈負相關(guān)，這也意味著，想要達到同等激活水平，更低的代謝基線可能會帶來更高的能量需求，并可通過控制能量這一指標(biāo)量化。尤其是在海馬，更高的結(jié)構(gòu)萎縮與更低的基線葡萄糖代謝、及更高的控制能量消耗相關(guān)，并且葡萄糖代謝水平可以完全中介結(jié)構(gòu)萎縮與控制能量消耗二者間的聯(lián)系。這也提示，海馬結(jié)構(gòu)損害可能帶來基線葡萄糖代謝的降低，并最終導(dǎo)致在維系大腦動態(tài)進程時更高的能耗成本（圖3）。

圖3 基線葡萄糖代謝水平與控制能量消耗存在負相關(guān)

這些發(fā)現(xiàn)為大腦結(jié)構(gòu)完整性、葡萄糖代謝基線、與維系大腦動態(tài)進程所需的控制能量間的關(guān)系提供了一個統(tǒng)一的理論框架。這一工作首次為“控制能量”提供了潛在的生理性解釋，為網(wǎng)絡(luò)控制理論在心理學(xué)和腦科學(xué)領(lǐng)域的進一步應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

心理學(xué)系何曉松特任研究員為本研究第一作者兼共通訊作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)為本研究第一單位，美國賓夕法尼亞大學(xué)的Dani S. Bassett教授為本文共通訊作者。本研究得到中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研啟動經(jīng)費資助。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn2293

（人文與社會科學(xué)學(xué)院心理學(xué)系、科研部）