摘要
瞳孔反应是人类认知的窗口，但其神经基础尚未得到充分理解。我们通过对13名患有癫痫的儿童和青少年（年龄9-18岁）在注意力转换任务期间的颅内记录和瞳孔测量，研究了大脑与瞳孔之间的耦合关系。时间分辨的混合效应模型揭示了瞳孔直径、神经活动与认知表现之间的关联。首先，我们发现瞳孔动态与认知表现密切相关，并且这种关系存在任务阶段的依赖性：刺激出现前的瞳孔直径较大与更快的反应时间相关，而刺激呈现期间和之后的瞳孔直径较小则与更好的表现相关。接下来，线性模型发现了任务相关神经网络中的功率变化与瞳孔大小变化之间的关联。最后，基于颅内神经活动的深度学习模型能够预测七名参与者中五名的瞳孔大小变化，并且这种预测能力可以推广到另一天的记录数据。通过基于显著性的梯度映射，我们识别出一个由皮层和皮下区域组成的网络，该网络的激活与在注意力转换任务中预测瞳孔动态的模型表现显著相关。我们的研究结果表明，瞳孔反应与目标导向的认知处理过程相协调，为通过瞳孔动态来建模认知功能提供了依据。
1 引言
瞳孔测量为认知过程提供了一个独特的窗口，它可以作为工作负荷（Ma等人，2024年；Backs和Walrath，1992年；Rozado和Dunser，2015年）、注意力（Strauch等人，2022年；Binda等人，2014年；Gabay等人，2011年；Binda和Gamlin，2017年）以及视觉感知（DiCriscio等人，2018年；Ebitz和Moore，2018年）的生理指标。瞳孔大小受到一系列感觉和认知因素的影响：低级别的光线和焦距、中级别的警觉性和定向能力以及高级别的执行控制（Strauch等人，2022年）。这些因素通过四个主要的神经回路以级联的方式调节瞳孔动态：副交感神经和交感神经通路、蓝斑（LC）为中心的回路以及上丘为中心的回路（Strauch等人，2022年）。特别是蓝斑通路将瞳孔反应与认知处理过程联系起来（Binda等人，2014年；Joshi和Gold，2020年；Joshi等人，2016年），以优化视觉输入，无论是对于当前任务还是预期的挑战（Vilotijevi?和Math?t，2023年）。瞳孔扩张与注意力和警觉性的提高有关（Irons等人，2017年；Wainstein等人，2017年；van der Meijden等人，2018年），但同时也受到认知负荷和任务复杂性的影响（Kraus等人，2023年；Boersma等人，1970年；van der Meer等人，2003年；Hess和Polt，1964年），尤其是在任务切换情境中（van der Wel和van Steenbergen，2018年）。尽管动物研究表明蓝斑与瞳孔动态之间存在因果关系（Joshi等人，2016年），但人类瞳孔变化的神经相关性仍不甚清楚，这限制了瞳孔反应在指示认知过程方面的应用范围（Strauch等人，2022年）。
瞳孔动态的神经相关性可以在认知控制的背景下进行研究，认知控制是指根据内在目标引导思维和行为的能力（Miller，2000年）。认知控制使个体能够抑制干扰、保持与目标相关的信息，并根据变化的需求调整策略。这一能力的关键组成部分是认知灵活性，即根据目标或环境的变化调整心理资源并更新行为的能力（Dajani和Uddin，2015年）。认知灵活性在日常功能中起着至关重要的作用，包括阅读（Engel de Abreu等人，2014年；Deák，2003年）、创造力（Chen等人，2014年）和压力管理（Genet和Siemer，2011年）。认知灵活性的缺陷与多种神经系统疾病中的表现障碍有关，例如癫痫（Dajani和Uddin，2015年；Tailby等人，2018年；Lange等人，2017年；Wong等人，2021年；McDonald等人，2005年）。左侧额叶癫痫患者表现出显著的抑制和任务切换能力受损（McDonald等人，2005年；Longo等人，2013年），这可能对他们应对复杂的社交、学术和职业需求产生负面影响。
认知灵活性通常通过注意力转换任务来衡量（Dajani和Uddin，2015年；Stemme等人，2007年）。这些任务要求参与者推断出一组规则，以区分刺激的相关特征和无关特征（Heisler等人，2015年；Owen等人，1991年；Oh等人，2014年）。随着任务条件的变化，参与者必须重构他们的知识以理解和满足新的任务要求。这一过程需要多个执行功能的协调参与，包括抑制先前相关的信息、在工作记忆中更新和维护新规则，以及将注意力悄悄地转移到新的相关特征上（Banich，2009年）。
注意力转换任务的神经机制已经得到了广泛研究。早期的损伤研究表明，前额叶区域起着关键作用，特别是背外侧前额叶皮层（DLPFC）和内侧前额叶皮层的损伤会显著损害认知灵活性（Milner，1963年；Stuss等人，2000年）。特别是后部中额回的8A区域与处理来自视觉刺激的规则有关（Germann和Petrides，2020年）。后续研究进一步探讨了不同前额叶区域在注意力转换特定方面的作用。DLPFC在准备阶段至关重要，它协调了适应新规则所需的心理重构，而前扣带回皮层（ACC）在响应阶段被激活，用于解决冲突并指导行为（MacDonald等人，2000年）。眶额皮层（OFC）则通过抑制先前具有奖励作用的刺激的影响，在逆向学习中发挥重要作用（Dias等人，1996年）。这些皮层机制的核心是丘脑，丘脑与前额叶区域形成相互连接，以调节注意力控制和认知灵活性（Halassa和Kastner，2017年）。这些前额叶亚区与丘脑共同构成了一个更广泛的认知控制网络，其中包括额顶网络，其中背侧后顶叶和前额叶区域对注意力进行自上而下的控制，以优先处理与任务相关的信息（Corbetta和Shulman，2002年）。
虽然认知灵活性的神经基础涉及调节瞳孔反应的回路，但在认知过程中调节大脑与瞳孔耦合的网络和机制仍不甚清楚（Strauch等人，2022年）。调节瞳孔反应的蓝斑通路直接接收来自对认知灵活性至关重要的前额叶区域的输入（Aston-Jones和Cohen，2005年）。这种组织结构表明，瞳孔动态可能反映了认知控制网络的激活以及任务执行过程中唤醒系统的参与。这种耦合将瞳孔动态视为一个潜在的窗口，可以洞察认知灵活性背后的神经过程，尤其是在注意力转换任务中，当这两个系统都处于活跃状态时。然而，很少有研究利用颅内电生理学方法直接测量这些过程。
