陳幸明 付 彤# 劉 昌 張 賓 伏云發(fā) 李恩澤 ZHANG Jian 陳盛強(qiáng) 黨彩萍,

·元分析(Meta-Analysis)·

工作記憶訓(xùn)練誘發(fā)的神經(jīng)可塑性——基于系列fMRI實(shí)驗(yàn)的腦區(qū)分布遞減時(shí)空模型*

陳幸明1付 彤1#劉 昌3張 賓1伏云發(fā)4李恩澤5ZHANG Jian6陳盛強(qiáng)2黨彩萍1,2

(1廣州醫(yī)科大學(xué)附屬腦科醫(yī)院, 廣州 510370) (2廣州醫(yī)科大學(xué)衛(wèi)生管理學(xué)院, 廣州 511436)(3南京師范大學(xué)心理學(xué)院, 南京 210024)(4昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院, 昆明理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院, 昆明 650031)(5南方醫(yī)科大學(xué)南方醫(yī)院精神心理科, 廣州 510515) (6天津醫(yī)科大學(xué), 天津 300070)

工作記憶訓(xùn)練(Working Memory Training, WMT)誘發(fā)神經(jīng)可塑性, 但其具體機(jī)制尚不明晰。為探索WMT改變正常人群大腦功能的時(shí)空特性, 以“擴(kuò)展的智力頂額整合理論”和“神經(jīng)效率假說”為依據(jù), 采用逐層遞進(jìn)的5種方法, 分6個(gè)步驟來查究近20年來正常人群WMT的37篇fMRI文獻(xiàn)。第一步, 用敘述性綜述、頻數(shù)分析和卡方檢驗(yàn)法比較腦區(qū)激活模式和腦網(wǎng)絡(luò)功能連接在WMT前后發(fā)生的改變, 發(fā)現(xiàn)WMT改變了大腦的5個(gè)聯(lián)合區(qū)、7個(gè)宏觀區(qū)和3個(gè)子區(qū)。其中, 額上回、頂下小葉和扣帶回這3個(gè)子區(qū)各自激活減弱的報(bào)道文獻(xiàn)數(shù)量多于其激活增強(qiáng)的, 且這種差異分別具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。第二步, 采用激活似然估計(jì)法對其中26篇開展元分析, 發(fā)現(xiàn)大腦的3個(gè)子區(qū)激活減弱水平在WMT前后的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義, 即額中回(BA6和8)、額上回(BA6)和前扣帶回(BA24和32)。第三步, 綜合定性和定量分析結(jié)果, 提出WMT腦區(qū)分布遞減時(shí)空模型, 產(chǎn)生5個(gè)結(jié)果和討論。第四步, 采用非參數(shù)檢驗(yàn)進(jìn)一步追蹤WMT效應(yīng)的調(diào)節(jié)因素, 發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練的任務(wù)類型和時(shí)間分別對腦區(qū)激活的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。第五步, 針對正常人群WMT誘發(fā)神經(jīng)可塑性的時(shí)空特性, 得出3個(gè)結(jié)論：第一, WMT改變了正常人群相應(yīng)腦區(qū)的神經(jīng)活動(dòng), 表現(xiàn)為減弱或增強(qiáng), 但減弱更加突出, 且更新和較短時(shí)間的WMT傾向于誘發(fā)較多減弱; 第二, 這些神經(jīng)活動(dòng)變化主要發(fā)生在額頂葉聯(lián)合區(qū), 但也包括分別以顳葉、枕葉、扣帶回及紋狀體為主的聯(lián)合區(qū), 在一定范圍內(nèi)體現(xiàn)了整腦功能聯(lián)合。這體現(xiàn)了WMT誘發(fā)神經(jīng)可塑性的空間特性, 且符合“擴(kuò)展的智力頂額整合理論”; 第三, 額中回、額上回、頂下小葉和扣帶回(尤其前扣帶回)這4個(gè)子區(qū)在激活減弱水平上重點(diǎn)展示了WMT神經(jīng)可塑性的時(shí)間特性, 且符合“神經(jīng)效率假說”, 恰好體現(xiàn)出“聰明的大腦更懶惰”。第六步, 指出WMT誘發(fā)神經(jīng)可塑性的未來研究可能關(guān)注腦可塑性中的低活躍性、辨析額中回、額上回、頂下小葉和扣帶回(尤其前扣帶回)這4個(gè)子區(qū)在激活減弱水平上體現(xiàn)的時(shí)間特性、找尋訓(xùn)練減弱或增強(qiáng)大腦活動(dòng)的綜合性影響因素。

工作記憶訓(xùn)練, 神經(jīng)可塑性, 腦區(qū)分布遞減時(shí)空模型, 額中回, 額上回, 前扣帶回

日益高壓的社會環(huán)境和人口老齡化帶來的認(rèn)知老化問題使人們愈發(fā)關(guān)注認(rèn)知績效的提升。工作記憶(Working Memory, WM)作為一種對信息進(jìn)行暫時(shí)貯存和加工的容量有限的記憶系統(tǒng), 由于是人類高級認(rèn)知功能的核心, 從而成為提升執(zhí)行功能這類干預(yù)研究的一個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn)(Constantinidis & Klingberg, 2016)。而產(chǎn)生于21世紀(jì)早期、通過程序化WM任務(wù)來循序漸進(jìn)提升WM容量及與之密切相關(guān)認(rèn)知功能的訓(xùn)練活動(dòng)即為工作記憶訓(xùn)練(Working Memory Training, WMT)。短期的WMT可以在個(gè)體發(fā)育成熟期過后繼續(xù)誘發(fā)神經(jīng)可塑性(neuroplasticity), 但那些變化呈現(xiàn)多樣性, 甚至互相矛盾(Jolles et al., 2010; Schneiders et al., 2012)。因此, WMT的腦機(jī)制依然不夠明晰(Salmi et al., 2019)。那么, 伴隨WMT經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生的神經(jīng)可塑性, 其時(shí)間和空間特性是怎樣的？

WM與智力密切相關(guān), 故WMT神經(jīng)可塑性的空間特性可追溯到智力的頂額整合理論(Parieto- Frontal Integration Theory, P-FIT) (Jung & Haier, 2007)。P-FIT被系列實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn), 經(jīng)微調(diào)和優(yōu)化后, 發(fā)展為“擴(kuò)展的頂額整合理論” (Extended PFIT, ExtPFIT) (Gur et al., 2020)。ExtPFIT將智力擴(kuò)展到WM等高級認(rèn)知活動(dòng), 關(guān)注高級認(rèn)知與大腦結(jié)構(gòu)和功能的多模態(tài)參數(shù)間的關(guān)系。它除了證明P-FIT明確的智力腦區(qū), 即背外側(cè)前額葉(the dorsolateral prefrontal cortex)、頂下和頂上小葉(the inferior and superior parietal lobule)、前扣帶回(the anterior cingulate)、顳葉(temporal lobes)、枕葉(occipital lobes)以及包含弓狀束的白質(zhì)區(qū)(white matter region) (Jung & Haier, 2007), 還新增了紋狀體(striatum)、邊緣系統(tǒng)(limbic system)和小腦(cerebellar) (Gur et al., 2020)。那么, WMT改變的腦區(qū)是否也包含在ExtPFIT？故依據(jù)ExtPFIT和P-FIT, 假設(shè)WMT改變腦區(qū)的空間特點(diǎn)有：改變的是系列腦區(qū), 而非某一局部; 系列腦區(qū)中, 額頂葉網(wǎng)絡(luò)(frontal- parietal network, FPN)的效應(yīng)可能最為突出; 系列腦區(qū)對WMT效應(yīng)的體現(xiàn)不同, 呈遞減分布。

ExtPFIT進(jìn)一步顯示, 較好的WM成績連接著PFIT腦區(qū)內(nèi)較高的腦容量、較大的灰質(zhì)密度和較多的腦區(qū)激活(Gur et al., 2020)。但是, “神經(jīng)效率假說” (neuro efficiency hypothesis)多次解釋了“聰明的大腦更懶惰”。比如, 高智商人在推理時(shí), 腦皮層激活卻很少, 其神經(jīng)元活動(dòng)以一種稀疏而有效的方式組織(Gen? et al., 2018)。依據(jù)這兩種理論, 對WMT誘發(fā)神經(jīng)可塑性的時(shí)間特性提出假設(shè)：訓(xùn)練減弱或增強(qiáng)了腦區(qū)活動(dòng), 二者并存于已有研究中, 但激活減弱是主導(dǎo)。

采用逐層遞進(jìn)的5種方法——敘述性綜述(narrative review)、頻數(shù)分析(frequency analysis)、元分析(meta-analysis)、建模(modeling)和非參數(shù)檢驗(yàn)(non-parametric test), 分六步來查究近20年來正常人群WMT功能磁共振成像(fMRI)實(shí)驗(yàn)的37篇文獻(xiàn)(42個(gè)實(shí)驗(yàn)), 集中比較WMT前后被試執(zhí)行WM任務(wù)時(shí)的大腦活動(dòng), 從而探索WMT誘發(fā)的大腦功能可塑性(functional plasticity)在腦區(qū)的時(shí)空變化, 并進(jìn)一步追溯可能影響其訓(xùn)練效應(yīng)的調(diào)節(jié)因素。

1 WMT改變腦區(qū)活動(dòng)的敘述性綜述

1.1 WMT改變腦區(qū)激活模式

歸納32篇文獻(xiàn)(36個(gè)實(shí)驗(yàn), 見表1)后發(fā)現(xiàn), WMT引起激活模式發(fā)生變化的主要腦區(qū)是分別以額葉(frontal lobe)、額頂葉(frontal-parietal lobe)、額頂顳葉(frontal-parietal-temporal lobe)、額頂枕葉(frontal-parietal-occipital lobe)和紋狀體(striatum)為主的5個(gè)聯(lián)合區(qū), 它們在WMT后發(fā)生激活減弱或增強(qiáng)或重排。

1.1.1 WMT減弱或增強(qiáng)額葉聯(lián)合區(qū)激活

短期的更新、抑制和言語類WMT減弱或增強(qiáng)了額葉為主聯(lián)合區(qū)的激活。視覺更新訓(xùn)練減弱了成年人背外側(cè)前額葉皮層的激活(Miró-Padilla et al., 2020); 聽覺更新訓(xùn)練減弱了青年人右額下回(Schneiders et al., 2012)、老年人右額中回和尾側(cè)額上溝(Heinzel et al., 2016)的激活; 抑制訓(xùn)練使青年人背外側(cè)前額葉皮層激活緩慢減弱和前扣帶回激活急劇下降 (Milham et al., 2003); 而言語WMT既減弱了青年人雙側(cè)背外側(cè)前額葉、右額上回、右額極區(qū)和輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)的激活水平(Jansma et al., 2001), 也增強(qiáng)了內(nèi)側(cè)前額葉皮層的激活(Jolles et al., 2010, 實(shí)驗(yàn)1)。這表明, WMT可能提高了視聽覺模態(tài)和言語WM的神經(jīng)效率。

1.1.2 WMT誘發(fā)額頂葉聯(lián)合區(qū)激活減弱、增強(qiáng)或重排

頂葉與額葉聯(lián)合參與WMT, 且短期的視聽覺更新、空間和言語WMT會減弱或增強(qiáng)額頂葉為主的聯(lián)合腦區(qū)激活。

視覺更新訓(xùn)練減弱了成年人右額中回和右后頂小葉(Schneiders et al., 2011, 實(shí)驗(yàn)1)、成年人雙側(cè)額上回及頂葉右側(cè)緣上回和角回(Clark et al., 2017)以及老年人額頂葉的WM網(wǎng)絡(luò)(Heinzel et al., 2014)激活; 聽覺更新訓(xùn)練也減弱了大學(xué)生右額中回和右后頂小葉激活(Schneiders et al., 2011, 實(shí)驗(yàn)2); 言語WMT減弱了中年人額葉?頂葉?小腦回路和皮質(zhì)下區(qū)域激活(Emch et al., 2019); 綜合性WMT減弱了大學(xué)生左側(cè)額頂葉腦區(qū)和左后側(cè)腦島激活(Takeuchi et al., 2014)。

但視空間和言語WMT增強(qiáng)了青年人前額葉和頂葉的激活(Olesen et al., 2004, 實(shí)驗(yàn)1)、以及額中回、額下回與頂葉上、下和內(nèi)側(cè)的激活(Westerberg & Klingberg, 2007); 視覺抑制訓(xùn)練增強(qiáng)了青年人額頂葉為主的一些核心抑制腦區(qū)的激活(Kelly et al., 2006); 言語更新訓(xùn)練增強(qiáng)了成年人的左額下回和右后頂葉皮層的激活(Beatty et al., 2015)。

另外, 一些視空間WMT誘發(fā)腦區(qū)激活減弱的同時(shí)也伴有激活增強(qiáng), 產(chǎn)生激活重排(redistribution)。首先, 珠心算(Abacus-based mental calculation, AMC)訓(xùn)練增強(qiáng)了大學(xué)生額頂葉腦區(qū)持續(xù)激活, 但減弱其短暫激活。在記憶維持階段, 額中回、頂上小葉激活增強(qiáng), 但右側(cè)頂下小葉、內(nèi)側(cè)前額葉、右前額葉和右眶額葉、后扣帶回激活持續(xù)減弱; 在操作階段, 雙側(cè)額下回、輔助運(yùn)動(dòng)前區(qū)等腦區(qū)激活短暫減弱, 但內(nèi)側(cè)前額葉上部激活增強(qiáng)(Zhou et al., 2019); 其次, 空間更新訓(xùn)練誘發(fā)青年人的右額下回和右頂內(nèi)溝激活增強(qiáng), 但訓(xùn)練4周后, 這些腦區(qū)卻出現(xiàn)激活減弱, 呈倒U型變化(Hempel et al., 2004); 視空間WMT增強(qiáng)了青年人額中回、頂葉的上、下和內(nèi)側(cè)激活, 但減弱了右側(cè)額下溝、扣帶溝和左側(cè)中央后回的激活(Olesen et al., 2004, 實(shí)驗(yàn)2); 視覺更新訓(xùn)練減弱了額上回激活, 但增強(qiáng)了左側(cè)頂葉上部激活(N?cka et al., 2021); 再次, 時(shí)間相對較長的視空間WMT減弱了青年人額葉(額中回、中央前回)、頂葉(頂下小葉、楔前葉)、前扣帶回和枕葉的激活(Garavan et al., 2000, 實(shí)驗(yàn)2); 但是, 時(shí)間較短的WMT除了減弱以上腦區(qū)外, 還減弱了額下回、額上溝、頂內(nèi)溝和后扣帶區(qū)域的激活(Garavan et al., 2000, 實(shí)驗(yàn)1)。Garavan的這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)反映了激活位置在訓(xùn)練前后產(chǎn)生重組(reorganization), 也間接支持了激活重排。對比二者結(jié)果顯示, 激活減弱更可能是神經(jīng)效率提高的表現(xiàn), 練習(xí)可能干擾訓(xùn)練效應(yīng)(Garavan et al., 2000)。那么, 腦區(qū)激活減弱或增強(qiáng)是否受WMT時(shí)長調(diào)控？這有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

1.1.3 WMT減弱額頂顳葉聯(lián)合區(qū)激活

顳葉聯(lián)合額頂葉腦區(qū)參與自上而下的自適應(yīng)加工活動(dòng), 具有較好的可塑性(Landau et al., 2007)。而短期的項(xiàng)目再認(rèn)和更新WMT可減弱這三個(gè)腦區(qū)的激活。比如, 延遲面孔再認(rèn)訓(xùn)練減弱了青年人的額、頂、顳葉皮層下區(qū)域激活(Landau et al., 2004); 延遲客體或空間位置識別訓(xùn)練減弱了青年人額葉內(nèi)外側(cè)、頂葉、顳葉(Landau et al., 2007)和左額中回、右頂下小葉、顳外側(cè)、顳上葉皮層(Sayala et al., 2006)激活; 視覺n-back訓(xùn)練減弱了成年人額上/額中、頂下小葉、前扣帶回和顳中皮層激活, 且在訓(xùn)練結(jié)束5周后, WMT效應(yīng)依然穩(wěn)定(Miró-Padilla et al., 2019); 視覺情緒雙重n-back訓(xùn)練減弱了成年人腹外側(cè)和背外側(cè)前額葉、頂下小葉、顳葉以及扣帶回激活(Schweizer et al., 2013)。這些變化反映了WMT較大范圍地提高了神經(jīng)加工效率。

1.1.4 WMT增強(qiáng)額頂枕葉聯(lián)合區(qū)激活

枕葉作為視覺中樞, 較多參與視空間WMT, 它與額葉或頂葉聯(lián)合被激活。時(shí)間相對較長的珠心算訓(xùn)練增強(qiáng)了小學(xué)生執(zhí)行數(shù)字WM時(shí)誘發(fā)的額葉右側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)、右側(cè)后頂上小葉和枕上回激活(Li, Hu, et al., 2013), 以及執(zhí)行視空間更新任務(wù)誘發(fā)的額、頂和枕葉激活, 并提示額中回是珠心算訓(xùn)練向視空間WM遷移的神經(jīng)基礎(chǔ)(Wang et al., 2019)?？梢? WMT對枕葉的改變相對較少。

1.1.5 WMT誘發(fā)紋狀體為主聯(lián)合區(qū)的激活減弱、增強(qiáng)或重排

紋狀體作為大腦基底核之一, 參與更新活動(dòng), 以它為主的系列腦區(qū)同樣受WMT影響。轉(zhuǎn)換訓(xùn)練減弱了老年人的紋狀體激活(D?rrenb?cher et al., 2020); 視空間和言語更新訓(xùn)練減弱了青年人紋狀體和海馬的激活(Flegal et al., 2019)。

但是, 視空間、更新和言語WMT還可增強(qiáng)紋狀體為主的額頂顳枕葉腦區(qū)激活。視聽覺雙重n-back訓(xùn)練(Salminen et al., 2016)和視空間WM廣度訓(xùn)練(宋杰等, 2020)都增強(qiáng)了紋狀體激活; 視覺更新訓(xùn)練增強(qiáng)了老年人的左側(cè)紋狀體以及左額葉、雙側(cè)頂葉、右顳葉和左小腦的激活(Dahlin et al., 2008, 實(shí)驗(yàn)1); 言語WMT增強(qiáng)了青年人的紋狀體激活, 且較小程度增強(qiáng)了左外側(cè)前額葉、雙側(cè)背外側(cè)前額葉和左頂上葉皮層的激活(Jolles et al., 2010, 實(shí)驗(yàn)2)。

而且, WMT同時(shí)誘發(fā)紋狀體與額頂枕顳葉發(fā)生激活重排。數(shù)字和空間更新訓(xùn)練先增強(qiáng)青年人的雙側(cè)紋狀體(具體在殼核)激活, 隨后減弱右側(cè)紋狀體激活(Kühn et al., 2013); 視覺更新訓(xùn)練增強(qiáng)青年的左右側(cè)紋狀體、右枕葉和右顳葉激活, 但也減弱了其右側(cè)額葉和右側(cè)頂葉激活(Dahlin et al., 2008, 實(shí)驗(yàn)2)。

1.1.6 WMT改變腦區(qū)激活的小結(jié)

可見, WMT主要誘發(fā)分別以額葉、額頂葉、額頂顳葉、額頂枕葉和紋狀體為主的五個(gè)聯(lián)合區(qū)發(fā)生激活改變。較多腦區(qū)的參與, 充分支持了WM的訓(xùn)練效應(yīng), 在一定范圍內(nèi)體現(xiàn)了整腦功能聯(lián)合。而且, 腦區(qū)激活的減弱或增強(qiáng)現(xiàn)象并存于已有實(shí)驗(yàn)報(bào)告中。另外, 個(gè)體在訓(xùn)練中逐漸學(xué)會新的記憶策略, 在使用新記憶策略前后, 大腦可能產(chǎn)生激活重排或功能重組, 它可能體現(xiàn)了腦區(qū)產(chǎn)生的一般性加工和特異性加工(Buschkuehl et al., 2012)。那么, 在時(shí)間和空間上, WMT對腦區(qū)的改變表現(xiàn)在哪些典型性腦區(qū)和腦區(qū)的典型性變化上？

1.2 WMT改變腦網(wǎng)絡(luò)功能連接

WMT會改變腦內(nèi)自發(fā)產(chǎn)生的高振幅、低頻率BOLD信號間的時(shí)間相關(guān), 即功能連接(Functional Connectivity, FC), 且主要發(fā)生在靜息態(tài)或任務(wù)態(tài)下的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)(見表2)。

1.2.1 WMT增強(qiáng)額頂葉網(wǎng)絡(luò)的FC

額頂葉網(wǎng)絡(luò)(frontal-parietal network, FPN)包含2個(gè)與WM聯(lián)系密切的網(wǎng)絡(luò), 即執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)(executive control network, ECN)和背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)(dorsal attention network, DAN) (Thompson et al., 2016)。而更新、言語、視覺記憶、數(shù)學(xué)計(jì)算和珠心算的WMT會增強(qiáng)這些網(wǎng)絡(luò)的FC。比如, 視聽覺雙重更新訓(xùn)練增強(qiáng)了青年人執(zhí)行2-back任務(wù)激活的額頂葉興趣區(qū)的FC, 即ECN節(jié)點(diǎn)間、DAN節(jié)點(diǎn)間、以及兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的FC, 且這種連通性的增強(qiáng)程度與WM成績改善程度呈正相關(guān)(Thompson et al., 2016); 言語WMT增強(qiáng)了老年人FPN及默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)和WM網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的FC (Iordan et al., 2020); 數(shù)學(xué)計(jì)算和視覺WMT增強(qiáng)了注意網(wǎng)絡(luò)的FC, 具體為右額中回與右顳葉腦區(qū)節(jié)點(diǎn)的FC, 且這種FC與抑制控制分?jǐn)?shù)提高密切相關(guān)(Sánchez- Pérez et al., 2019); 珠心算訓(xùn)練增強(qiáng)了兒童右側(cè)額下回和右側(cè)輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)間的FC (Li, Hu, et al., 2013)。

1.2.2 WMT改變默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)的FC

有些腦區(qū)在靜息態(tài)下比在任務(wù)態(tài)下產(chǎn)生更強(qiáng)的自發(fā)性活動(dòng), 常處于任務(wù)誘導(dǎo)失活狀態(tài), 從而構(gòu)成一個(gè)支持腦功能默認(rèn)模式的網(wǎng)絡(luò), 即默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(default mode network, DMN)。而WMT可改變DMN的FC。首先, 言語WMT減弱了青年人DMN網(wǎng)絡(luò)與顳葉腦區(qū)的FC, 即內(nèi)側(cè)前額葉皮層和右側(cè)后顳中回間的FC, 且DMN的FC減弱程度與WM行為成績的提高幅度呈負(fù)相關(guān)(Jolles et al., 2013, 實(shí)驗(yàn)1); 其次, WMT既減弱DMN與額頂葉腦區(qū)的FC, 又增強(qiáng)DMN內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的FC。視聽覺WMT減弱了青年人外圍注意系統(tǒng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)間的靜息FC, 即內(nèi)側(cè)前額葉與右側(cè)后頂葉/右外側(cè)前額葉的靜息FC, 同時(shí)增強(qiáng)了DMN重要節(jié)點(diǎn)間的靜息FC, 即內(nèi)側(cè)前額葉與楔前葉之間的靜息FC (Takeuchi et al., 2013); 再次, WMT未改變兒童DMN的FC (Jolles et al., 2013, 實(shí)驗(yàn)2), 表明WMT誘發(fā)DMN的FC產(chǎn)生變化具有年齡依賴性。

1.2.3 WMT改變腦網(wǎng)絡(luò)FC小結(jié)

WMT不僅改變了多個(gè)腦區(qū)激活, 也改變了額頂葉和默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)內(nèi)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接狀態(tài)。這體現(xiàn)了WMT對腦網(wǎng)絡(luò)FC的可塑性, 也提供了WMT改善神經(jīng)水平的潛在信號。而且, FC變化與激活模式變化對應(yīng)的腦區(qū)總體上具有一致性, 均以額頂葉網(wǎng)絡(luò)為WMT誘發(fā)的主要腦區(qū)。減弱和增強(qiáng)這兩個(gè)相反的現(xiàn)象分別存在于文獻(xiàn)中, 這可能涉及到具體腦區(qū)對WMT敏感性差異。但是, 這些差異的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)效應(yīng)如何？這有待下一步探索。

2 WMT改變腦區(qū)活動(dòng)的頻數(shù)分析和卡方檢驗(yàn)

依據(jù)WMT誘發(fā)腦區(qū)神經(jīng)活動(dòng)的減弱和增強(qiáng)維度來重新分析文獻(xiàn)。

首先, 對37篇文獻(xiàn)(42個(gè)實(shí)驗(yàn))做頻數(shù)分析, 結(jié)果(見網(wǎng)絡(luò)版附表1)顯示, WMT誘發(fā)7個(gè)宏觀腦區(qū)發(fā)生激活減弱或增強(qiáng)(分別含重排), 即額區(qū)、頂區(qū)、顳區(qū)、枕區(qū)、邊緣系統(tǒng)、基底核及其它腦區(qū), 它們包含的大腦子區(qū)共有44個(gè)。具體而言, 第一, WMT改變了額區(qū)的15個(gè)子區(qū), 即額葉(含前額葉)、背外側(cè)前額葉、腹外側(cè)前額葉、內(nèi)側(cè)前額葉、外側(cè)前額葉、額上回(含額內(nèi)回)、額中回、額下回、中央前回、輔助運(yùn)動(dòng)區(qū)(含前運(yùn)動(dòng)皮層)、額極、額下溝、額上溝、額葉眼動(dòng)區(qū)、眶額皮層; 第二, WMT改變了頂區(qū)的6個(gè)子區(qū), 即頂葉、頂內(nèi)溝、頂上小葉、頂下小葉(含緣上回、角回)、中央后回、楔前葉; 第三, WMT改變了顳區(qū)的6個(gè)子區(qū), 即顳葉、顳外側(cè)、顳上回、顳中回、顳下回、梭狀回; 第四, WMT改變了枕區(qū)的6個(gè)子區(qū), 即枕葉(含外側(cè)枕葉)、枕上回、枕中回、枕下回、楔葉(Cuneus)、距狀回(Calcarine gyrus); 第五, WMT改變了邊緣系統(tǒng)的4個(gè)子區(qū), 即扣帶溝、扣帶回(含前、后、扣帶旁回)、海馬區(qū)、顳極; 第六, WMT改變了基底核(基底神經(jīng)節(jié))的5個(gè)子區(qū), 即紋狀體(含尾狀核)、杏仁核、黑質(zhì)、前丘腦、丘腦后結(jié)節(jié); 第七, WMT改變了其它腦區(qū)的腦島(即島葉)和小腦這2個(gè)子區(qū)。

其次, 從中篩選出8個(gè)出現(xiàn)次數(shù)大于等于9的子區(qū)(來自28篇文獻(xiàn), 32個(gè)實(shí)驗(yàn)), 即：額中回(17)、額上回(10)、額下回(11)、頂下小葉(17)、頂上小葉(11)、頂內(nèi)溝(9)、扣帶回(13)和紋狀體(10), 且除額上回和扣帶回僅表現(xiàn)為激活減弱而沒有增強(qiáng)外, 其余腦區(qū)均減弱和增強(qiáng)并存(見表3和圖1)。而且, 這8個(gè)腦區(qū)減弱與增強(qiáng)的比率差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2= 18.35,= 7,= 0.010)。

最后, 用卡方檢驗(yàn)分別檢驗(yàn)大腦的8個(gè)子區(qū)激活減弱和增強(qiáng)比率的差異性(見表4), 發(fā)現(xiàn)頂下小葉的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2= 4.77= 1,= 0.049), 其激活減弱次數(shù)(13)顯著多于激活增強(qiáng)次數(shù)(4)。結(jié)合額上回和扣帶回僅表現(xiàn)為激活減弱次數(shù)較多(大于10)而增強(qiáng)次數(shù)為0, 可得結(jié)論：WMT誘發(fā)額上回、頂下小葉和扣帶回這3個(gè)腦區(qū)的激活減弱明顯多于其激活增強(qiáng)。

可見, 如上分析充分支持了ExtPFIT提到的腦區(qū)。而且, 腦區(qū)激活減弱和增強(qiáng)分別符合“神經(jīng)效率假說”和ExtPFIT, 且“神經(jīng)效率假說”得到更多支持。

3 WMT改變腦區(qū)活動(dòng)的元分析

3.1 方法

3.1.1 文獻(xiàn)檢索和納入標(biāo)準(zhǔn)

限定文獻(xiàn)檢索的時(shí)間周期為2000年1月1日到2021年3月20日, 內(nèi)容為在標(biāo)題或摘要中同時(shí)包含關(guān)鍵詞“fMRI”和“working memory training”或“training working memory”。以此為條件在Pubmed上檢索出73篇文章。為避免遺漏, 在2篇綜述文獻(xiàn)(Buschkuehl et al., 2012; Constantinidis & Klingberg, 2016)中追溯找到16篇, 故合計(jì)89篇。

以如下標(biāo)準(zhǔn)對文獻(xiàn)做“異質(zhì)性”處理, 保證數(shù)據(jù)來源和統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的一致性。篩選可納入的文獻(xiàn)法為：(1)文章為實(shí)證研究; (2)研究內(nèi)容為WMT的訓(xùn)練效應(yīng); (3)研究人群為健康人群; (4)實(shí)驗(yàn)技術(shù)采用fMRI; (5)研究指標(biāo)為全腦分析WMT前后差異的峰值激活腦坐標(biāo); (6)研究的空間坐標(biāo)體系為MNI或Talairach。據(jù)此得到26篇。其中, 2000～2010年的有10篇; 2011～2015年的有7篇; 2016～2021年的有9篇。被試總數(shù)為614人, 坐標(biāo)數(shù)量為294, MNI坐標(biāo)系為25篇, Talairach坐標(biāo)系為6篇。逐步排除文獻(xiàn)數(shù)量及標(biāo)準(zhǔn)見圖2, 納入文獻(xiàn)數(shù)據(jù)詳見表5。

3.1.2 元分析算法

采用激活似然估計(jì)法(Activation Likelihood Estimation, ALE) (Turkeltaub et al., 2012)檢驗(yàn)fMRI數(shù)據(jù)反映的WMT前后腦激活水平差異。先依據(jù)特定優(yōu)化算法, 對文獻(xiàn)中的腦空間坐標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算, 然后采用置換檢驗(yàn)或多重比較校正進(jìn)行推斷統(tǒng)計(jì)。

3.1.3 工具與數(shù)據(jù)處理

采用GingerALE 2.3.6 (http://www.brainmap. org/ale/)軟件處理數(shù)據(jù)、Mango 4.1 (http://ric.uth- scsa.edu/mango)軟件呈現(xiàn)結(jié)果圖像。若文獻(xiàn)結(jié)果為Talairach坐標(biāo), 則使用icbm2tal函數(shù)將其轉(zhuǎn)為MNI坐標(biāo)(Lancaster et al., 2007)。最后, 全部文獻(xiàn)的元分析都在MNI坐標(biāo)系進(jìn)行。參考Ginger ALE手冊提供的算法和參數(shù)設(shè)置建議, 選擇FDR pID算法, 臨界統(tǒng)計(jì)值為0.05, 最小體積為300 mm (Eickhoff et al., 2009)。

3.2 結(jié)果和討論

如表6和圖3所示, 對WMT后腦區(qū)激活增強(qiáng)的文獻(xiàn)做元分析, 結(jié)果無顯著激活簇。但對WMT后腦區(qū)激活減弱的文獻(xiàn)做元分析, 得到激活減弱的兩個(gè)激活簇, 一個(gè)是以MNI坐標(biāo)(x = 36, y = 20, z = 40)為中心的額中回(Middle Frontal Gyrus, MFG) (100%)的區(qū)域, 體積為352 mm3; 另一個(gè)是以MNI坐標(biāo)(x = –2, y = 12, z = 52)為中心、包含額上回(Superior Frontal Gyrus, SFG) (93.3%, BA6, 其中額內(nèi)回占該激活簇39.2%)和腹側(cè)前扣帶回(Anterior Cingulate Cortex, ACC) (6.8%)的區(qū)域, 體積為1024 mm3?？梢? 在激活減弱水平上, WMT前后差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的腦區(qū)為額中回、額上回和前扣帶回。

由此表明, 已有文獻(xiàn)匯報(bào)的WMT增強(qiáng)神經(jīng)活動(dòng)的具體腦區(qū)差異較大。當(dāng)對已有統(tǒng)計(jì)結(jié)果做再統(tǒng)計(jì)時(shí), 那些已報(bào)告的具體腦區(qū)由于異質(zhì)性太大而未能顯示出更穩(wěn)定的空間特性。但是, WMT減弱神經(jīng)活動(dòng)的具體腦區(qū), 卻在這種薈萃分析中凸顯出來?？梢? 這間接支持了觀點(diǎn)：認(rèn)知訓(xùn)練使人在執(zhí)行相關(guān)任務(wù)過程中消耗更少的能量、誘發(fā)更少的大腦活動(dòng)。

圖1 WMT誘發(fā)神經(jīng)活動(dòng)減弱與增強(qiáng)的具體腦區(qū)頻數(shù)分布(37篇文獻(xiàn), 42個(gè)實(shí)驗(yàn))

表4 WMT誘發(fā)大腦子區(qū)改變的卡方檢驗(yàn)(28篇文獻(xiàn), 30個(gè)實(shí)驗(yàn))

注：第1和7腦區(qū)存在單元格頻數(shù)為0情況, 用*表示無法進(jìn)行卡方檢驗(yàn); 其余腦區(qū)存在樣本量<40且單元格期望頻數(shù)小于5并大于1的情況, 故采用Fisher校正檢驗(yàn)。參考自：[孫振球, 徐勇勇. (2010).. 人民衛(wèi)生出版社. p.98]。

圖2 逐步排除和納入元分析的標(biāo)準(zhǔn)

表5 納入元分析文獻(xiàn)的基本信息(共26篇文獻(xiàn), 31個(gè)實(shí)驗(yàn))

表6 WMT減弱腦區(qū)激活的元分析結(jié)果(共26篇文獻(xiàn), 31個(gè)實(shí)驗(yàn))

注：(1)坐標(biāo)為激活簇中心腦坐標(biāo); (2)ALE為在該激活簇內(nèi)最大的激活似然值,值為訓(xùn)練誘發(fā)該腦區(qū)激活減弱的零假設(shè)概率; (3)BA為Brodmann分區(qū)。BA6既包括額中回, 也包括額上回; BA8為額中回; BA32為背側(cè)前扣帶回, 屬于內(nèi)側(cè)額葉(額內(nèi)回); BA24為腹側(cè)前扣帶回。

4 WMT腦區(qū)分布遞減時(shí)空模型的結(jié)果和討論

綜合以上定性和定量研究結(jié)果, 主要對頻數(shù)分析和元分析結(jié)果做建模, 圍繞腦區(qū)的空間和時(shí)間變化, 提出WMT腦區(qū)分布遞減時(shí)空模型(見圖4)。據(jù)此得到5個(gè)研究結(jié)果和對應(yīng)的討論。其中, 前三個(gè)結(jié)果由描述統(tǒng)計(jì)得到; 第四和五個(gè)結(jié)果由推斷統(tǒng)計(jì)得到, 它們與描述統(tǒng)計(jì)結(jié)果呼應(yīng), 解釋了WMT敏感的大腦子區(qū)及其變化。

第一, WMT效應(yīng)主要體現(xiàn)在腦區(qū)神經(jīng)活動(dòng)的減弱或增強(qiáng)上, 且減弱效應(yīng)更突出。首先, 腦區(qū)神經(jīng)活動(dòng)減弱可以用“神經(jīng)效率假說”解釋, 被認(rèn)為是神經(jīng)加工或神經(jīng)回路效率提高的表現(xiàn)(Brooks et al., 2020; Constantinidis & Klingberg, 2016)。持續(xù)訓(xùn)練可能促使被訓(xùn)練者的信息加工方式由控制加工過渡到較大程度的自動(dòng)加工, 從而降低對注意控制的需求, 優(yōu)化認(rèn)知資源, 產(chǎn)生更有效的一般性神經(jīng)加工(Schneiders et al., 2011)。其次, 腦區(qū)激活增強(qiáng)反映了參與信息加工的神經(jīng)組織增多、神經(jīng)元活性增強(qiáng)(Buschkuehl et al., 2012), 或在某個(gè)腦區(qū)誘發(fā)了更強(qiáng)烈的腦響應(yīng)(Kelly et al., 2006)。因?yàn)閃MT引起樹突、軸突等細(xì)胞成分形成的增加, 這可能構(gòu)成了皮層活動(dòng)增強(qiáng)的神經(jīng)基礎(chǔ), 從而誘發(fā)神經(jīng)元反應(yīng)增強(qiáng)和神經(jīng)元數(shù)量增加, 并引起局部BOLD信號增強(qiáng)。另外, 減弱和增強(qiáng)現(xiàn)象并存, 可能由于在不同的WMT階段, 被訓(xùn)練者接受不同的訓(xùn)練強(qiáng)度或訓(xùn)練內(nèi)容, 由此采用不同的認(rèn)知策略來解決問題, 從而誘發(fā)不同的神經(jīng)機(jī)制。未來需設(shè)計(jì)更精細(xì)的實(shí)驗(yàn), 來辨析這種神經(jīng)機(jī)制差異。

圖3 WMT減弱腦區(qū)激活的2個(gè)激活簇區(qū)域(共26篇文獻(xiàn), 31個(gè)實(shí)驗(yàn))

第二, WMT效應(yīng)體現(xiàn)在額頂葉聯(lián)合腦區(qū)、邊緣系統(tǒng)和基底神經(jīng)核等多個(gè)聯(lián)合腦區(qū)上, 且額頂葉聯(lián)合區(qū)尤為突出。

以往神經(jīng)成像研究也揭示, WM的神經(jīng)基質(zhì)分布在復(fù)合的皮層區(qū)域, 尤其在前額葉、后頂葉和前扣帶皮層(Alagapan et al., 2019)。其中, 額頂葉網(wǎng)絡(luò)及其子區(qū)域可以依據(jù)任務(wù)目標(biāo)來改變它與其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的FC, 其連接模式既可以反映具體任務(wù)的參與, 也能促進(jìn)新任務(wù)的學(xué)習(xí)(Zanto & Gazzaley, 2013)。額頂葉網(wǎng)絡(luò)參與大量認(rèn)知過程, 比如WM、流體智力(Assem et al., 2020)、情景記憶和來源記憶(Eschmann et al., 2020)、視空間注意(Lobier et al., 2018)、珠心算(Li, Hu, et al., 2013)和外顯情緒調(diào)節(jié)(Pozzi et al., 2020)等, 這間接支持了額頂葉聯(lián)合腦區(qū)是WMT效應(yīng)的主要腦區(qū), 其激活減弱反映了自動(dòng)化加工的增多。尤其, 頂下小葉(inferior parietal lobule)較明顯地體現(xiàn)WMT效應(yīng)。其參與WM網(wǎng)絡(luò)的注意控制過程, 是更新訓(xùn)練范式激活腦區(qū)中常見的部位(Dahlin et al., 2008; Schneiders et al., 2011)。同時(shí), 頂下小葉可能屬于抑制網(wǎng)絡(luò)的重要腦區(qū), 抑制活動(dòng)會增強(qiáng)該區(qū)激活, 反映了抑制過程中信息維持能力的增強(qiáng)(Kelly et al., 2006)。人腦的功能作用, 不是由相對分開的區(qū)域所完成。故整個(gè)皮層結(jié)構(gòu)是如何協(xié)同整合WMT效應(yīng)的, 這需要進(jìn)一步探索。

圖4 WMT腦區(qū)分布遞減時(shí)空模型(倒金字塔圖)

注：左側(cè)倒三角為頻數(shù)分析結(jié)果(37篇文獻(xiàn), 42個(gè)實(shí)驗(yàn)), 右側(cè)倒三角為元分析結(jié)果(26篇文獻(xiàn), 31個(gè)實(shí)驗(yàn)); 棕色框內(nèi)的腦區(qū)為元分析差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義; 雙黑線框內(nèi)的腦區(qū)為只出現(xiàn)激活減弱, 單黑線框內(nèi)的腦區(qū)為激活減弱或增強(qiáng)并存; 紅線框內(nèi)的腦區(qū)為激活減弱明顯多于激活增強(qiáng)。SFG = Superior Frontal Gyrus (額上回), MeFG = Medial Frontal Gyrus (額內(nèi)回), MFG = Middle Frontal Gyrus (額中回), IFG = Inferior Frontal Gyrus (額下回), SPL = Superior Parietal Lobule (頂上小葉), IPL = Inferior Parietal Lobule (頂下小葉), IPS = Intraparietal Sulcus (頂內(nèi)溝), ACC = Anterior Cingulate Gyrus (前扣帶回), PCC = Posterior Cingulate Gyrus (后扣帶回)。圖中間位置的4個(gè)腦區(qū)模型圖片來自：A+醫(yī)學(xué)百科網(wǎng)(www.a-hospital.com), 作者在其上新增了色彩和英文縮寫。

第三, 紋狀體(Striatum)明顯體現(xiàn)了WMT效應(yīng)。紋狀體激活減弱也符合神經(jīng)效率假說, 反映了更新的自動(dòng)化加工增強(qiáng)(Kühn et al., 2013)和跨模態(tài)(一般控制)的神經(jīng)加工效率提高(Brooks et al., 2020); 但紋狀體激活增強(qiáng)可能反映的也是WMT提高了WM信息的維持和更新效率(Dahlin et al., 2008; Kühn et al., 2013; Salminen et al., 2016); 而更新訓(xùn)練可促進(jìn)紋狀體內(nèi)多巴胺的釋放, 增強(qiáng)紋狀體激活(B?ckman et al., 2017)。而紋狀體激活和多巴胺釋放如何改善認(rèn)知行為, 仍需進(jìn)一步研究。

第四, 額中回和額上回體現(xiàn)的WMT效應(yīng)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。這兩個(gè)腦回一直被認(rèn)為是參與WM等多種心理活動(dòng)的重要腦部位, 它們與WM激活的頂內(nèi)溝(即背側(cè)頂葉皮層)存在相關(guān)(Harms et al., 2013), 但額中回參與WM的證據(jù)更為廣泛(Alagapan et al., 2019)。

額中回的激活強(qiáng)度和皮層厚度分別與WM成績呈正相關(guān)和負(fù)相關(guān)(Owens et al., 2018), 它通過參與WM中的注意活動(dòng)來影響WM成績。額中回參與多種注意加工, 其激活強(qiáng)度與注意信息調(diào)節(jié)活動(dòng)密切相關(guān)(Zhu et al., 2018; Japee et al., 2015), 在調(diào)節(jié)注意網(wǎng)絡(luò)(Song et al., 2019)、維持注意網(wǎng)絡(luò)完整性(Gogulski et al., 2017)、調(diào)控持續(xù)性注意(Han et al., 2018; Song et al., 2019; Neale et al., 2015)和警覺(Neale et al., 2015)方面也發(fā)揮重要作用。而且, 右側(cè)額中回被認(rèn)為是背側(cè)和腹側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)(the dorsal and ventral attention networks)的交匯位置, 它通過發(fā)揮“斷路器” (circuit-breaker)的功能來中斷內(nèi)源性注意和重新定位外源性注意, 在調(diào)節(jié)外源性注意轉(zhuǎn)向內(nèi)源性注意的活動(dòng)中扮演重要角色(Japee et al., 2015)。對變化事件的預(yù)測活動(dòng)會在對視覺信息進(jìn)行儲存、維持和更新的三個(gè)WM環(huán)節(jié)中全部選擇性地激活額中回(Heinzel et al., 2016)?？傊? 額中回激活減弱體現(xiàn)了對注意控制加工需求的降低和一般控制加工的靈活轉(zhuǎn)換; 而少數(shù)情況下額中回激活增強(qiáng), 則反映了任務(wù)相關(guān)的神經(jīng)元活動(dòng)增強(qiáng)或參與加工的樹突、軸突等神經(jīng)結(jié)構(gòu)數(shù)量增多(Westerberg & Klingberg, 2007)。而額中回與記憶的直接關(guān)系, 仍需進(jìn)一步探索。

額上回分三個(gè)亞區(qū)：前內(nèi)側(cè)(SFGam)、背外側(cè)(SFGdl)和后內(nèi)側(cè)(SFGp)。靜息態(tài)FC分析表明, SFGam主要與認(rèn)知控制網(wǎng)絡(luò)和DMN(前扣帶皮層和中扣帶皮層)相關(guān); SFGdl與認(rèn)知執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)和DMN(額中回)相關(guān); SFGp與感覺運(yùn)動(dòng)相關(guān)腦區(qū)(中央前回、尾狀核、丘腦和額葉島蓋)相關(guān)(Li, Qin, et al., 2013)?？梢? 額上回是WM腦網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)(Alagapan et al., 2019), 參與WM的多種活動(dòng)(Briggs et al., 2020)。額上回的BA8區(qū)與空間WM的客體信息維持活動(dòng)相關(guān)更為密切(Briggs et al., 2020); 另外, 當(dāng)左側(cè)額上回在theta和alpha頻段表現(xiàn)出的內(nèi)源性振蕩與WM刺激頻率相匹配(尤其在編碼階段)時(shí), 就會縮短被訓(xùn)練者執(zhí)行WM任務(wù)的反應(yīng)時(shí), 這支持了該腦區(qū)對WM的調(diào)節(jié)作用(Alagapan et al., 2019)。由此, 額上回激活減弱體現(xiàn)了自上而下注意控制的減弱(Milham et al., 2003)和WM各類加工過程(如更新、集中注意、刺激選擇和排列)效率的提升(Miró-Padilla et al., 2019)。額上回的功能具有復(fù)雜性。那么, 在亞區(qū)水平上(subregional level)辨析其在WMT中的不同作用, 可能是未來的研究方向之一。

第五, 前扣帶回體現(xiàn)了顯著的WMT效應(yīng)。前扣帶回與前額葉和后頂葉被合稱為認(rèn)知活動(dòng)的腳手架(scaffolding) (Schneiders et al., 2011), 它著重參與言語WM (Emch et al., 2019)、注意(Miró- Padilla et al., 2019)、沖突加工(Kanske & Kotz, 2011)、監(jiān)控競爭、動(dòng)機(jī)、情緒沖突、錯(cuò)誤檢測和任務(wù)轉(zhuǎn)換(Zhu et al., 2018)等?？梢? 前扣帶回具有復(fù)雜認(rèn)知功能, 其激活減弱反映了WM能力的提升。但是, 前扣帶回如何參與WMT中錯(cuò)誤檢測？而后扣帶回如何通過預(yù)期或動(dòng)機(jī)來間接參與WMT？可見, 扣帶回的不同結(jié)構(gòu)在WMT如何發(fā)揮不同作用, 其機(jī)制需要進(jìn)一步探究。

5 WMT效應(yīng)的調(diào)節(jié)因素

模型顯示, WMT對腦區(qū)神經(jīng)活動(dòng)的改變具有多樣性, 尤其表現(xiàn)出減弱和增強(qiáng)在不同實(shí)驗(yàn)中并存。那么, 對立現(xiàn)象并存的原因可能是什么？這需要追溯WMT效應(yīng)可能的調(diào)節(jié)因素。

對其中33個(gè)實(shí)驗(yàn)(來自31篇文獻(xiàn))的調(diào)節(jié)因素做頻數(shù)分析后(見圖5)發(fā)現(xiàn)：第一, 訓(xùn)練人數(shù)變化較大, 跨度范圍在3～41人, 以10～20人(15.2 ± 3.0)居多; 第二, 有2種神經(jīng)活動(dòng)分析指標(biāo), 以BOLD (21個(gè))為主、FC (12個(gè))為輔; 第三, 被訓(xùn)練者的年齡跨度范圍較大, 以青年(24個(gè))為主, 也包含少數(shù)兒童(3個(gè))和中老年(6個(gè)); 第四, 訓(xùn)練任務(wù)具有多樣性, 更新(17個(gè))較多, 也有短時(shí)記憶(9個(gè))、抑制(3個(gè))、轉(zhuǎn)換(1個(gè))、計(jì)算(1個(gè))和多種綜合心理(2個(gè))等; 第五, 訓(xùn)練時(shí)間具有多樣性, 以歷時(shí)4周以下居多(19個(gè)), 也包括4～6周(11個(gè))和6周以上(3個(gè)), 但跨度范圍很大(20分鐘～5年)。

然后, 用非參數(shù)檢驗(yàn)檢驗(yàn)這33個(gè)實(shí)驗(yàn)中的調(diào)節(jié)因素是否影響WMT誘發(fā)的神經(jīng)活動(dòng)減弱或增強(qiáng), 結(jié)果(見表7)顯示：第一, 不同訓(xùn)練任務(wù)類型誘發(fā)的減弱與增強(qiáng)比率差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2= 10.56,= 5,= 0.023)。其中, 更新訓(xùn)練誘發(fā)減弱(14個(gè))顯著多于其增強(qiáng)(3個(gè)); 第二, 不同訓(xùn)練時(shí)長的減弱與增強(qiáng)比率差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(χ2= 7.57,= 2,= 0.019)。其中, 訓(xùn)練周期為4周以下的減弱(15個(gè))顯著多于增強(qiáng)(4個(gè))。可見, 更新任務(wù)和較短時(shí)間的WMT傾向于減弱腦區(qū)神經(jīng)活動(dòng)。

圖5 WMT效應(yīng)調(diào)節(jié)因素的神經(jīng)活動(dòng)減弱與增強(qiáng)頻數(shù)分布(31篇文獻(xiàn)。33個(gè)實(shí)驗(yàn))

表7 WMT效應(yīng)的調(diào)節(jié)因素影響神經(jīng)活動(dòng)改變的非參數(shù)檢驗(yàn)(31篇文獻(xiàn), 33個(gè)實(shí)驗(yàn))

注：第1項(xiàng)(人數(shù))為定距變量, 且每一類樣本容量小于30, 但至少有一類樣本容量大于20, 故采用非參數(shù)檢驗(yàn)-Mann- Whitney U Test中的Z值; 第2～5項(xiàng)為定類和定序變量, 且存在任一理論頻數(shù)小于5, 故采用卡方檢驗(yàn)的Fisher校正, [參考：邵志芳. (2017).(第三版, pp.349?350, 333). 中國輕工業(yè)出版社.]。

6 結(jié)論和展望

學(xué)習(xí)誘發(fā)的可塑性(learning-induced plasticity)在WMT中尤為明顯。為探明WMT改變腦區(qū)神經(jīng)活動(dòng)的時(shí)空特性, 以ExtPFIT和“神經(jīng)效率假說”為依據(jù), 采用逐層遞進(jìn)方法, 查究近20年來正常人群WMT的37篇fMRI文獻(xiàn), 從腦區(qū)激活模式和腦網(wǎng)絡(luò)FC上比較各個(gè)具體腦區(qū)在WMT前后發(fā)生的變化, 據(jù)此建立WMT腦區(qū)分布遞減時(shí)空模型。最后, 綜合定性和定量分析結(jié)果, 針對正常人群WMT誘發(fā)神經(jīng)可塑性的時(shí)空特性, 得出3個(gè)結(jié)論：第一, WMT減弱或增強(qiáng)了正常人群腦區(qū)的神經(jīng)活動(dòng), 但減弱活動(dòng)更加突出, 且更新和較短時(shí)間的訓(xùn)練傾向于誘發(fā)較多激活減弱; 第二, 這些神經(jīng)活動(dòng)變化主要發(fā)生在額頂葉聯(lián)合區(qū), 但也包括顳葉、枕葉、扣帶回及紋狀體等聯(lián)合腦區(qū), 在一定范圍內(nèi)體現(xiàn)了整腦功能聯(lián)合。這體現(xiàn)了WMT誘發(fā)神經(jīng)可塑性的空間特性, 且符合“擴(kuò)展的智力頂額整合理論”; 第三, 額中回、額上回頂下小葉和扣帶回(尤其前扣帶回)這4個(gè)子區(qū)減弱的神經(jīng)活動(dòng)重點(diǎn)展示了WMT誘發(fā)神經(jīng)可塑性的時(shí)間特性, 且符合“神經(jīng)效率假說”, 恰好體現(xiàn)出“聰明的大腦更懶惰”。

可見, WMT如何通過減弱或增強(qiáng)腦區(qū)神經(jīng)活動(dòng)來提升WM能力及相關(guān)認(rèn)知功能, 是一個(gè)兼具研究價(jià)值與挑戰(zhàn)性的問題。未來需進(jìn)一步探究WMT誘發(fā)與學(xué)習(xí)有關(guān)的大規(guī)模通用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制(Salmi et al., 2018), 尋找WMT神經(jīng)機(jī)制更具普適性的規(guī)律。尤其, 訓(xùn)練誘發(fā)的減弱和增強(qiáng)并存現(xiàn)象, 促使人思考：思維靠腦細(xì)胞“加班”, 還是靠“效率高”？Genc團(tuán)隊(duì)(2018)在《自然》子刊上報(bào)道, 用軸突定向分散和密度成像(Neurite Orientation Dispersion and DensityImaging, NODDI)這種新的彌散MRI技術(shù), 準(zhǔn)確檢測到了大腦神經(jīng)元樹突分布密度, 發(fā)現(xiàn)在做智力測試時(shí), 普通智商人的神經(jīng)元之間“密集溝通”; 而高智商者的每個(gè)神經(jīng)元表現(xiàn)出超強(qiáng)的目的性, 他們伸出寥寥無幾的樹突就能準(zhǔn)確找到另一個(gè)神經(jīng)元伙伴, 毫不費(fèi)力就完成了任務(wù), 真叫一個(gè)輕松愜意。故WMT誘發(fā)神經(jīng)可塑性的未來研究可能關(guān)注腦可塑性中的低活躍性, 辨析額中回、額上回、頂下小葉和扣帶回(尤其前扣帶回)這4個(gè)子區(qū)在激活減弱水平上體現(xiàn)的時(shí)間特性, 找尋訓(xùn)練減弱或增強(qiáng)大腦活動(dòng)的綜合性影響因素。

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附錄：

文獻(xiàn)中全部腦區(qū)做頻數(shù)分析的完整版本見如下附表1。因?yàn)槠^長, 故在正文中對其作壓縮刪減后成為表3。

Neuroplasticity induced by working memory training: A spatio-temporal model of decreased distribution in brain regions based on fMRI experiments

CHEN Xingming1, FU Tong1, LIU Chang3, ZHANG Bin1, FU Yunfa4, LI Enze5, ZHANG Jian6, CHEN Shengqiang2, DANG Caiping1,2

(1Brain Hospital Affiliated to Guangzhou Medical University, Guangzhou 510370, China) (2School of Health Management, Guangzhou Medical University, Guangzhou 511436, China) (3School of Psychology, Nanjing Normal University, Nanjing 210024, China) (4School of Information Engineering and Automation, School of Medicine, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650031, China) (5Department of Psychology, Nanfang Hospital Affiliated to Southern Medical University, Guangzhou 510515, China) (6Tianjing Medical University,Tianjing 300070, China)

Working memory training (WMT) induces neuroplasticity, but its specific mechanism remains unclear. In order to explore the spatio-temporal characteristics of brain function changes induced by WMT, the findings of 37 fMRI papers on WMT in normal population over the last 20 years were investigated with a step-by-step approach, including 5 methods and the following 6 steps, as well as with two assumptions based on the two theories— “Extended Parieto-Frontal Integration Theory” (ExtPFIT) and “neuro efficiency hypothesis”. Step 1, the changes of activation pattern and function connectivity in various brain regions before and after WMT among the 37 papers were compared using descriptive review, frequency analysis and Chi-square test. It was found that 5 association areas, 7 macro regions and 3 sub-regions of the brain were changed by WMT. Especially, the number of articles reporting decreased activation in 3 sub-regions— superior frontal gyrus, inferior parietal lobule and cingulate gyrus was more than that reporting increased activation in them, and this difference was statistically significant. Step 2, 26 out of the 37 papers were used to conduct meta-analysis with activation likelihood estimation method, and it showed that 3 sub-regions with the statistically significant effects in their decreased activation were middle frontal gyrus (BA6 and 8), superior frontal gyrus (BA6) and anterior cingulate gyrus (BA24 and 32). Step 3, based on the comprehensive results of qualitative and quantitative research analysises, a spatio-temporal model of decreased distribution in brain regions was proposed, and there were 5 results and their discussions obtained with the said model. Step 4, 33 out of the 37 papers were analyzed using non-parametric tests to check the factors that possibly regulated the training effect of WMT, which showed that the task type and time of the training had statistically significant effects on brain activation. Step 5, according to the above analysises, 3 conclusions were drawn regarding the neuroplasticity induced by WMT in normal population, i.e. 1) WMT can either weaken or enhance the brain activities, and the weakening effect appears more prominent. In addition, updating and shorter time of WMT tend to induce more weakening effects; 2) Such changes occur mostly in the frontal-parietal association area, but also possibly in the temporal lobe, occipital lobe, cingulate gyrus, striatum and other association areas, which reflects the whole brain functional association within a certain range. It highlights the spatial characteristics of neuroplasticity induced by WMT, which fits in easily with ExtPFIT; 3) The 4 sub-regions of the middle frontal gyrus, superior frontal gyrus, inferior parietal lobule and cingulate gyrus (anterior in particular) in decreased activation mainly reflect the temporal characteristics of neuroplasticity induced by WMT, which fits in easily with “neural efficiency hypothesis” and “smarter brains may be slightly lazier”. Step 6, it was proposed that further research of neuroplasticity induced by WMT was to possibly focus on low brain activity on its plasticity, distinguish the temporal characteristics of the training effect reflected in 4 sub-regions of middle frontal gyrus, superior frontal gyrus, inferior parietal lobule and cingulate gyrus (anterior in particular) in decreased activation as well as to probe the comprehensive influencing factors that increase or decrease the brain activities.

working memory training, neuroplasticity, a spatio-temporal model of decreased distribution in brain regions, middle frontal gyrus, superior frontal gyrus, anterior cingulate gyrus

B842

2021-02-17

* 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31400874), 廣州市哲學(xué)社會科學(xué)規(guī)劃課題(15G99), 廣州醫(yī)科大學(xué)高水平大學(xué)建設(shè)項(xiàng)目(02-410-B205001186)。

#為并列第一作者。

黨彩萍, E-mail: dcp619@163.com