學齡兒童青少年期是大腦快速發(fā)育，高級認知能力發(fā)展的黃金期。其中，工作記憶能力作為執(zhí)行功能的核心成分，在學齡兒童及青少年期經(jīng)歷著重要發(fā)展，被研究者們作為認知發(fā)展的關鍵指標之一。學齡兒童青少年的工作記憶能力與其他認知能力如推理、思維等密切相關，并且能夠預測后期的學業(yè)成績及個人成就。已有的行為研究結果表明，作為執(zhí)行功能的重要領域，工作記憶的發(fā)育成熟一直持續(xù)到個體青少年階段，在此基礎上神經(jīng)影像學的研究能夠為其行為表現(xiàn)發(fā)展提升過程提供更多的神經(jīng)發(fā)育信息。與此同時，對兒童青少年工作記憶能力發(fā)展的探索以及其背后大腦在信息處理過程中發(fā)育規(guī)律的研究，不僅有助于了解兒童執(zhí)行功能正常發(fā)育進程中作為認知基礎的神經(jīng)機制，還能認識到在執(zhí)行功能發(fā)育過程中不同大腦系統(tǒng)各自所發(fā)揮的作用。更進一步而言，通過研究和探索學齡兒童青少年認知發(fā)展的腦機制，對于識別大腦的異常發(fā)展(例如精神病理學)也起著作用至關重要的作用，為我們研究如何提升執(zhí)行功能以及后續(xù)進行有效干預提供證據(jù)與支持。

基于腦智發(fā)育與認知發(fā)展的交互式特異化理論，兒童大腦在發(fā)育過程中往往需要協(xié)同多個腦區(qū)共同支持某一特定的認知任務。額頂網(wǎng)絡（fronto-parietal?network，F(xiàn)PN）涉及廣泛的外源性認知加工，對于執(zhí)行功能（如工作記憶）和認知靈活性等至關重要。然而，默認網(wǎng)絡（default?mode?network，DMN）在以往研究中往往被認為跟內源性信息加工更相關，其活躍程度工作記憶等任務負相關。近年來，有研究者提出新的觀點：默認網(wǎng)絡是大腦的全局工作空間（Global?workspace），用于匯聚來自人體內部和外部的信息從而幫助個體預測和適應不斷變化的環(huán)境需求，同時在認知功能執(zhí)行的過程中也起著積極作用。越來越多的研究也發(fā)現(xiàn)大腦默認網(wǎng)絡與額頂網(wǎng)絡的功能交互，在高級認知功能如長時程記憶中發(fā)揮著關鍵作用。以往大部分研究傾向于關注成人群體，而在大腦尚未成熟的兒童青少年期，我們對大腦默認網(wǎng)絡與額頂網(wǎng)絡究竟如何相互作用進而支持個體認知發(fā)展，特別是默認網(wǎng)絡在其中起著何種作用這一關鍵問題還知之甚少并亟待解決。

近日，北京師范大學認知神經(jīng)科學與學習國家重點實驗室、IDG/麥戈文腦科學研究院秦紹正團隊與陶沙團隊聯(lián)合在《Cerebral Cortex》在線發(fā)表的最新實證研究，以人腦默認網(wǎng)絡與額頂網(wǎng)絡的功能交互作為出發(fā)點，利用無創(chuàng)功能性磁共振成像技術fMRI和經(jīng)典數(shù)字工作記憶范式，結合橫斷和縱向追蹤設計，通過三年追蹤考察528名6-15歲中國兒童青少年在工作記憶任務中大腦默認網(wǎng)絡與額頂網(wǎng)絡的縱向發(fā)育模式以及發(fā)育過程中的交互規(guī)律，并將發(fā)育中的兒童青少年腦功能狀態(tài)與103名健康成年人進行對比，揭示出大腦默認網(wǎng)絡和額頂網(wǎng)絡在6-15歲兒童青少年時期在多體素活動模式和大腦功能網(wǎng)絡連接兩個維度上具有發(fā)育異質性，并且發(fā)現(xiàn)在兒童青少年時期功能相對較為成熟的大腦默認網(wǎng)絡對額頂網(wǎng)絡發(fā)揮著“腳手架（scaffolding）”的支持作用。

“腳手架”作用是認知發(fā)展的一種特定機制，包括使用和發(fā)展補償性或者可替代性的神經(jīng)機制去完成既定的認知目標，其存在和發(fā)展可以貫穿個體整個過程。具體來說，兒童大腦默認網(wǎng)絡在多體素活動模式和網(wǎng)絡內連接水平上都比額頂網(wǎng)絡更早達到成人水平，兒童靜息態(tài)下大腦默認-額頂網(wǎng)絡間功能耦合（functional?coupling）調節(jié)了年齡與工作記憶任務下兩個網(wǎng)絡間功能耦合之間的關系，其中大腦默認和額頂網(wǎng)絡內的核心節(jié)點腦區(qū)——后扣帶皮層（PCC）與背外側前額葉皮層（DLPFC）之間的功能耦合成為兩個網(wǎng)絡之間的核心關鍵通路。

該研究進一步發(fā)現(xiàn)，兒童靜息態(tài)下PCC- DLPFC的耦合與工作記憶任務狀態(tài)下PCC的活動共同調節(jié)了兒童在工作記憶行為表現(xiàn)隨年齡帶來的縱向改善。該研究結果表明，大腦額頂網(wǎng)絡的功能發(fā)育對于支持兒童青少年執(zhí)行功能的發(fā)展起著至關重要的作用，而在發(fā)育過程中，相對較為成熟的大腦默認網(wǎng)絡則通過功能交互為支持功能尚未成熟的額頂網(wǎng)絡提供了腳手架作用。

首先，我們利用縱向加速追蹤研究技術考察528名兒童青少年在三年時間內執(zhí)行功能的發(fā)育，任務選用經(jīng)典數(shù)字n-back工作記憶范式，包括0-，1-和2-back三種任務難度（圖1A）。行為結果發(fā)現(xiàn)，兒童青少年在6-15歲階段工作記憶表現(xiàn)與成人相比仍未發(fā)育成熟，同時在此發(fā)育過程中兒童青少年的工作記憶能力隨著年齡增長而顯著提升。

隨后，我們采用多體素成熟度的計算方法，分別計算了在工作記憶三種難度條件下6-15歲兒童青少年的大腦默認與額頂網(wǎng)絡與成人多體素活動模式的表征相似性，并刻畫出這兩個大腦網(wǎng)絡在兒童青少年階段多體素活動模式的縱向發(fā)育軌跡。其中兒童青少年大腦默認網(wǎng)絡表現(xiàn)出與成人相似的多體素活動模式，而額頂網(wǎng)絡則表現(xiàn)出持續(xù)隨年齡發(fā)育的特征（圖2）。這一結果表明，在多體素神經(jīng)活動模式層面，兒童青少年大腦默認網(wǎng)絡與額頂網(wǎng)絡相比更接近成人的成熟模式。

進一步，我們繼續(xù)考察了兒童青少年與成人分別在靜息狀態(tài)以及工作記憶任務狀態(tài)下大腦默認網(wǎng)絡與額頂網(wǎng)絡分別在網(wǎng)絡內以及網(wǎng)絡間的功能連接水平。研究結果表明，靜息態(tài)以及工作記憶任務條件下，兒童青少年均表現(xiàn)出與成人相似的大腦默認網(wǎng)絡內功能連接水平（圖3D，圖4A），但額頂網(wǎng)絡內功能連接與成人相比仍然較弱（圖3E，圖4B）。另外，兒童青少年在大腦默認與額頂網(wǎng)絡間的功能連接水平均高于成人水平（圖3F，圖4C）。同時，我們還發(fā)現(xiàn)，工作記憶任務條件下兒童青少年的大腦默認與額頂網(wǎng)絡的網(wǎng)絡間功能連接水平可以預測兒童青少年工作記憶行為表現(xiàn)（圖4E），表明在發(fā)育過程中大腦默認網(wǎng)絡與額頂網(wǎng)絡的功能交互可以促進兒童青少年工作記憶行為表現(xiàn)的發(fā)展。

最后，為了進一步表征大腦默認與額頂網(wǎng)絡中具體是哪些腦區(qū)之間的功能連接驅動兒童青少年在工作記憶任務下網(wǎng)絡間功能連接水平比成人更強，我們對兒童青少年和成人在靜息態(tài)以及工作記憶2-back條件下默認與額頂網(wǎng)絡間的所有功能連接分別進行了獨立t檢驗，結果發(fā)現(xiàn)兒童青少年的后扣帶回-背外側前額葉連接通路（PCC-DLPFC）是兒童青少年大腦默認與額頂網(wǎng)絡功能連接之間的關鍵核心通路。進一步使用中介分析結果表明，兒童青少年靜息態(tài)下后扣帶回-背外側前額葉功能連接中介了兒童青少年年齡與任務態(tài)下該通路的連接水平。鏈式中介分析結果表明，靜息態(tài)下兒童青少年靜息態(tài)下后扣帶回-背外側前額葉功能連接聯(lián)合后扣帶回皮層在工作記憶任務下的激活共同中介了兒童青少年的年齡與工作記憶表現(xiàn)發(fā)育之間的關系。該研究結果說明，年齡更小的兒童青少年傾向于表現(xiàn)出更高的靜息態(tài)下后扣帶回-背外側前額葉功能連接和更高的2-back條件下后扣帶回激活，這些大腦變化與兒童工作記憶表現(xiàn)隨發(fā)育而提高改善有關（圖5）。

綜上所述，研究團隊通過整合任務態(tài)和靜息態(tài)功能磁共振(fMRI)腦影像數(shù)據(jù)，結合行為分析、多體素分析以及腦網(wǎng)絡分析，利用縱向加速追蹤研究手段從多個維度研究了大腦默認網(wǎng)絡和額頂網(wǎng)絡的發(fā)育以及彼此之間的相互作用對于6至15歲兒童青少年的工作記憶能力發(fā)展的支持。我們的研究結果揭示出大腦默認網(wǎng)絡與額頂網(wǎng)絡在工作記憶任務下發(fā)育的異質性；同時也顯示出在大腦發(fā)育過程中，相對較為成熟的默認網(wǎng)絡可能為功能尚未成熟的額頂網(wǎng)絡提供“腳手架”支撐作用，從而促進兒童青少年工作記憶能力發(fā)展。

本研究依托于中國學齡兒童腦發(fā)育項目北京隊列（Children School Functions and Brain Development Project，CBD Beijing Cohort），也是課題組近年來在兒童青少年情感認知與腦智發(fā)育領域(Qin et al. 2014; Hao et al. 2021; Jiang et al. 2021; Tian et al. 2021; Xu et al. 2022)的延伸和拓展。

本研究受到國家自然科學基金委重點項目、國家社科基金重大項目、國家重點實驗室開放課題和中央高?；究蒲袑ｍ椀戎С帧Ｕ撐牡谝蛔髡撸ê餐殛悏翳床┦?、在讀博士生何穎和郝磊博士，通訊作者為陶沙教授與秦紹正教授。同時，感謝北京大學磁共振中心高家紅教授、北京師范大學賀永教授、北京回龍觀醫(yī)院譚淑平教授等，對本論文中兒童青少年神經(jīng)影像數(shù)據(jù)的采集給予的大力支持和幫助。

論文信息：Menglu Chen#, Ying He#, Lei Hao#, Jiahua Xu, Ting Tian, Siya Peng, Gai Zhao, Jing Lu, Yuyao Zhao, Hui Zhao, Min Jiang, Jia-Hong Gao, Shuping Tan, Yong He, Chao Liu, Sha Tao, Lucina Q Uddin, Qi Dong, Shaozheng Qin, Default mode network scaffolds immature frontoparietal network in cognitive development, Cerebral Cortex, 2022 (In Press).?https://doi.org/10.1093/cercor/bhac414

課題組網(wǎng)站：http://icanbrainlab.bnu.edu.cn/en/infolist-99.html

前期相關成果與文獻：

Hao L, Li L, Chen M, Xu J, Jiang M, Wang Y, Jiang L, Chen X, Qiu J, Tan S, Gao JH, He Y, Tao S, Dong Q, Qin S. 2021. Mapping Domain- and Age-Specific Functional Brain Activity for Children’s Cognitive and Affective Development. Neurosci Bull. 37:763–776.

Jiang N, Xu J, Li X, Wang Y, Zhuang L, Qin S. 2021. Negative Parenting Affects Adolescent Internalizing Symptoms Through Alterations in Amygdala-Prefrontal Circuitry: A Longitudinal Twin Study. Biol Psychiatry. 89:560–569.

Qin S, Cho S, Chen T, Rosenberg-Lee M, Geary DC, Menon V. 2014. Hippocampal-neocortical functional reorganization underlies children’s cognitive development. Nat Neurosci. 17:1263–1269.

Tian T, Young CB, Zhu Y, Xu J, He Y, Chen M, Hao L, Jiang M, Qiu J, Chen X, Qin S. 2021. Socioeconomic Disparities Affect Children’s Amygdala-Prefrontal Circuitry via Stress Hormone Response. Biol Psychiatry. 90:173–181.

Xu J, Hao L, Chen M, He Y, Jiang M, Tian T, Wang H, Wang Y, Wang D, Han ZR, Tan S, Men W, Gao J, He Y, Tao S, Dong Q, Qin S. 2022. Developmental Sex Differences in Negative Emotion Decision-Making Dynamics: Computational Evidence and Amygdala-Prefrontal Pathways. Cereb Cortex. 32:2478–2491.

來源：北師大腦與認知科學

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