人類(lèi)行為展現出高度的適應性和靈活性。這種行為時(shí)而基于變化的環(huán)境規則，時(shí)而依賴(lài)于穩定的長(cháng)期知識。這兩種認知模式需要不同甚至可能相互競爭的腦部資源。因此，一個(gè)關(guān)鍵的認知神經(jīng)科學(xué)問(wèn)題是：大腦如何協(xié)調這兩種模式，以支持我們的靈活性行為？

為探索這個(gè)問(wèn)題，中國科學(xué)院認知與發(fā)展心理學(xué)研究室杜憶研究組通過(guò)一項合作研究，運用多模態(tài)磁共振成像技術(shù)，探討了大腦皮層的拓撲組織模式如何影響其動(dòng)態(tài)協(xié)作模式，從而促進(jìn)人腦的靈活性行為。該研究特別聚焦于額頂控制網(wǎng)絡(luò )（frontal-parietal control network，FPCN），因為這一網(wǎng)絡(luò )在維持大腦靈活性方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。

前人研究發(fā)現，額頂控制網(wǎng)絡(luò )FPCN可分為兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò )，FPCN-A和FPCN-B。該研究首先發(fā)現，這兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò )在拓撲組織模式上存在系統差異：FPCN-A更靠近感知覺(jué)皮層和背側注意網(wǎng)絡(luò )（dorsal attention network，DAN），FPCN-B更靠近負責長(cháng)時(shí)記憶的默認網(wǎng)絡(luò )（default mode network，DMN）（圖1）。這些拓撲上的差異不僅體現在物理距離上，還表現在解剖層級、功能層級和進(jìn)化層級上（圖1）。

圖1. 人腦的皮層拓撲組織模式：FPCN-A更靠近感覺(jué)運動(dòng)系統和背側注意網(wǎng)絡(luò )；FPCN-B更靠近負責長(cháng)時(shí)記憶的默認網(wǎng)絡(luò )。

研究還發(fā)現，額頂控制網(wǎng)絡(luò )的兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò )FPCN-A和FPCN-B在拓撲組織模式上的位置與它們的交互模式相對應。FPCN-A更靠近DAN，也與其有更強的協(xié)作關(guān)系；FPCN-B更靠近DMN，也與其有更強的協(xié)作關(guān)系（圖2）。這種協(xié)作模式主要體現在三個(gè)方面：特征相似性、信息共享和功能連接（圖2）。

圖2. FPCN-A和FPCN-B分別與不同的網(wǎng)絡(luò )協(xié)作。FPCN-A與DAN共享更多的信息和更強的功能連接；而FPCN-B與DMN共享更多的信息和更強的功能連接。

額頂控制網(wǎng)絡(luò )的獨特拓撲結構使其能夠支持多種功能行為模式。例如，當當前任務(wù)主要依賴(lài)工作記憶時(shí)，額頂控制網(wǎng)絡(luò )會(huì )分成兩個(gè)不同的子系統。在這種情況下，FPCN-A與背側注意網(wǎng)絡(luò )（DAN）的合作變得更加緊密。相反，如果任務(wù)主要依賴(lài)長(cháng)期記憶，額頂控制網(wǎng)絡(luò )則表現為一個(gè)更加統一的系統，此時(shí)FPCN-A和FPCN-B之間的協(xié)作增強（圖3）。

圖3. FPCN-A的協(xié)作模式受到任務(wù)調節。在依賴(lài)工作記憶的非語(yǔ)義任務(wù)中，FPCN-A與DAN特征更相似，共享更多的信息，有更強的功能連接；而在依賴(lài)長(cháng)時(shí)記憶的語(yǔ)義任務(wù)中，FPCN-A與FPCN-B有更強的協(xié)作。

該研究據此提出并完善了大腦皮層拓撲組織模式如何影響網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)協(xié)作模式的理論模型(圖4)。在該模型中，FPCN-A和FPCN-B位于背側注意網(wǎng)絡(luò )（DAN）和默認模式網(wǎng)絡(luò )（DMN）之間，受到這些鄰近網(wǎng)絡(luò )的影響。這種位置分布使得額頂控制網(wǎng)絡(luò )能夠在支持工作記憶的目標導向注意機制（DAN的作用）與從長(cháng)期記憶中檢索信息（DMN的功能）之間實(shí)現平衡。FPCN-A的特殊位置——位于DAN和FPCN-B之間——使其可以根據任務(wù)需求改變其與注意系統或記憶系統的交互方式。在不斷變化的環(huán)境中，當外向的注意機制被激活時(shí)，FPCN-A更傾向于與DAN而非FPCN-B協(xié)作，這有助于FPCN-A更專(zhuān)注于工作記憶任務(wù)，避免受到長(cháng)時(shí)記憶的干擾。而當任務(wù)依賴(lài)長(cháng)期記憶時(shí)，FPCN-A傾向于與FPCN-B合作，這雖減弱了其跟蹤環(huán)境變化的能力，但有利于整合DMN提供的信息。該模型解釋了人腦如何平衡具有潛在競爭關(guān)系的認知資源，具備了高度的適應性和靈活性。

圖4. 大腦皮層的拓撲組織模式如何使得人腦能夠靈活的根據任務(wù)需求調整協(xié)作模式的模型。

該研究獲得國家科技創(chuàng )新2030-“腦科學(xué)與類(lèi)腦研究”重大項目（2021ZD0201500），國家自然科學(xué)基金（32300881），中國科學(xué)院心理研究所自主部署項目（E2CX3625CX) 和心理所青年人才啟動(dòng)項目（E1CX4725CX）等項目的支持。

心理所助理研究員王秀祎為第一作者；王秀祎和杜憶研究員為共同通訊作者。文章已在線(xiàn)發(fā)表于Journal of Neuroscience。

論文信息：?

Wang, X.*, Krieger-Redwood, K., Lyu, B., Lowndes, R., Wu, G., Souter, N. E., ... Du, Y.* & Jefferies, E. (2024). The brain's topographical organization shapes dynamic interaction patterns to support flexible behavior. Journal of Neuroscience.?https://www.jneurosci.org/content/44/22/e2223232024