来源 北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室官网
北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室左西年课题组在《Cerebral Cortex》发表了题为《Cortical activations in cognitive task performance at multiple frequency bands》的研究论文，通过对多种认知任务过程进行多频段激活模式分析，揭示了大脑在执行认知任务过程中，不同频段脑活动图谱，为理解大脑调控认知过程频率特异性提供了新证据。
大脑活动由不同频段的神经波动组成，这些慢速波动通过功能磁共振成像（fMRI）检测，表现为血氧水平依赖（BOLD）信号振荡，覆盖slow-1到slow-6的六个频段。近来静息态研究表明，不同频段BOLD波动表现出不同活动特性，提示不同频段BOLD波动或主导着大脑不同功能。然而，关于这一观点的实证研究仍较为匮乏。为此课题组利用人类连接组计划（HCP）中的任务态fMRI数据，分析了339名健康年轻成人在执行七项认知任务时的大脑多频段激活模式。研究结果表明，大脑在认知加工过程中，不同频段的BOLD波动呈现出不同的空间激活模式，为各频段BOLD波动在认知加工中的功能分工提供了实证依据。
以工作记忆任务为例（图1），研究发现各频段之间存在明显的功能分工。在slow-1到slow-3频段中，0-back和2-back任务条件均集中激活了视觉皮层，表明较高频段主要负责感觉刺激的快速检测和局部感觉信息处理。具体来说，视觉皮层的激活从初级视觉皮层（slow-1）到次级视觉皮层（slow-2）再到腹侧视觉皮层（slow-3）逐步过渡，反映了感觉信息处理的逐步整合。在slow-4频段中，激活区域扩展到联合皮层，涉及与注意力和认知控制相关的区域，如额中回和顶上小叶。更广泛的激活反映了初级感觉处理和高级认知成分的整合。在2-back vs. 0-back对比条件下，slow-4频段表现出大范围的显著负激活，提示该频段主要参与较基础的认知加工。在slow-5频段，更多与注意网络相关的脑区表现出显著激活。值得注意的是，2-back vs. 0-back对比条件仅在slow-5频段出现了显著的正向激活，表明高记忆负荷与认知负荷的加工主要依赖于该频段。
此外，该研究还刻画了七项任务在八个脑网络的各频段激活差异（图2），以及各频段激活强度与行为测量关联的全脑分布模式。
图2 slow-4频段八个脑网络的任务激活分布。每个子图展示了不同任务在一个脑网络中的激活z值分布。工作记忆任务激活z值为“2-back vs. 0-back”对比；语言任务为“Story vs. Math”对比；关系处理任务为“Relational vs. Match”对比；情绪处理任务为“Faces vs. Shapes”对比；赌博任务为“Punish vs. Reward”对比；社会认知任务为“ToM vs. Random”对比；运动任务为“Tongue vs. Baseline”对比。
综合七项认知任务的多频段结果，本研究揭示了：不同频段的BOLD波动在认知加工过程中具有不同的功能，各频段又通过动态协作共同完成认知任务。较高频段（slow-1到slow-3）主要负责感觉信息检测和初步加工，而较低频段（slow-4和slow-5）则主要负责不同认知功能的模块化组织、功能整合以及注意调控功能。这种多频段的相互作用构成了一个层级分明却又相互连接的系统，以实现高效的认知加工。
本研究得到以下项目资助：科技创新2030-脑科学与类脑研究重大项目（2021ZD0200500）、国家基础科学数据中心的“活体群体脑成像的跨学科脑数据库（ID-BRAIN）”项目，以及广东省重点领域研发计划（2019B030335001）。本研究的第一作者为宫竹青，通讯作者为左西年。
文章信息：
Gong ZQ, Zuo XN. Cortical activations in cognitive task performance at multiple frequency bands. Cereb Cortex. 2024;34(12):bhae489. doi:10.1093/cercor/bhae489
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