语义控制中下额叶、内侧前额叶与后颞叶皮层的功能分化与因果交互作用

《Communications Biology》：Functional differentiation and interactions among inferior, medial frontal and posterior temporal cortex in semantic control

本研究针对语义控制神经环路的功能分化与交互机制这一核心问题，通过结合功能磁共振成像（fMRI）和经颅磁刺激（TMS）技术，首次提供了左侧背内侧前额叶皮层（dmPFC）参与语义控制的直接因果证据，并揭示了语义控制网络（SCN）内前-后功能梯度及其动态连接模式，为理解人脑如何灵活提取知识提供了新框架。

　　

当我们思考“苹果”时，大脑不仅能立刻联想到“水果”，还能在特定语境下联想到“牛顿”或“手机公司”。这种根据情境灵活提取和操纵知识的能力，被称为语义控制（Semantic Control）。它使我们能够理解双关语、进行创造性思考，甚至在复杂对话中保持话题连贯性。然而，大脑究竟如何实现这种灵活的语义控制，一直是认知神经科学领域的核心问题。

以往的研究通过功能性磁共振成像（fMRI）等技术，发现了一个主要由左侧大脑区域组成的语义控制网络（Semantic Control Network, SCN），包括下额叶（Inferior Frontal Gyrus, IFG）、后部颞中回（Posterior Middle Temporal Gyrus, pMTG）以及背内侧前额叶（Dorsomedial Prefrontal Cortex, dmPFC）。这些区域在我们进行需要努力思考的语义任务时（例如，理解比喻或解决语义歧义）会变得异常活跃。但是，fMRI只能告诉我们这些区域“相关”于某项任务，无法证明它们是否“必要”。此外，这个网络内部的每个区域是否功能均一？它们之间又是如何协同工作的？这些问题都尚未得到清晰解答。特别是dmPFC，由于其同时参与多种高级认知功能，它在语义控制中的具体作用和必要性一直存在争议。为了填补这些知识空白，来自华南师范大学的研究团队在《Communications Biology》上发表了他们的最新研究成果。

研究人员巧妙地结合了多种先进技术。他们首先利用任务态fMRI精确地定位了每个参与者个体大脑中的SCN关键节点（IFG、pMTG、dmPFC）。随后，他们采用了一种名为连续θ脉冲刺激（continuous Theta Burst Stimulation, cTBS）的经颅磁刺激（TMS）技术，这是一种能够暂时性地、可逆地抑制特定脑区功能的技术。研究人员在抑制了IFG、pMTG或dmPFC之后，立即让参与者完成一项精心设计的语义和视觉判断任务。该任务采用2（任务类型：语义 vs. 视觉）x 2（难度：简单 vs. 困难）的因子设计，从而能够分离出专属于语义控制的认知过程。为了探究多个脑区是如何协同工作的，研究团队还采用了多变量机器学习预测分析和动态因果模型（Dynamic Causal Modeling, DCM），前者用于评估多个脑区的联合活动是否能比单个脑区更好地预测行为表现，后者则用于推断脑区之间的有效连接（Effective Connectivity），即一个脑区如何影响另一个脑区。

行为表现验证任务有效性

行为结果显示，无论是在反应时还是正确率上，“困难”条件都比“简单”条件需要更多的认知努力，且语义任务和视觉任务的难度效应模式不同，这表明实验设计成功地区分并有效操控了语义控制需求和一般性认知控制需求。

IFG、pMTG和dmPFC在语义控制中的因果必要性

fMRI定位分析成功复制了经典发现，显示左侧IFG、pMTG和dmPFC在（语义困难-简单）>（视觉困难-简单）的对比中显著激活。随后的TMS实验提供了关键的因果证据：与刺激控制位点（顶点，Vertex）相比，在完成困难语义任务时，抑制左侧IFG、pMTG或dmPFC中的任何一个，都会显著延长参与者的反应时间，而这种损害效应在简单语义任务或视觉任务中均未出现。这一结果不仅重复验证了IFG和pMTG在语义控制中的必要性，更重要的是，首次提供了dmPFC对于语义控制不可或缺的直接因果证据。

IFG和pMTG内部的功能分化

通过对fMRI激活模式的分析，研究人员发现SCN的每个节点内部都存在功能异质性：后部亚区在简单和困难的语义任务中都被激活，而前部亚区则特异性地在困难语义任务中被招募。为了检验这种结构上的分化是否具有功能意义，他们根据每位参与者接受TMS刺激的具体坐标，将其分为刺激前部亚区或后部亚区的亚组进行分析。结果发现，抑制IFG的前部亚区（近似额下回眶部，pars orbitalis）只会损害困难语义任务的表现，而抑制其中部亚区（近似额下回三角部，pars triangularis）则会影响包括简单任务在内的所有语义任务。类似地，抑制pMTG的前部亚区会损害困难语义和困难视觉任务，而其尾部亚区的抑制则没有显著行为效应。这些发现为SCN内部存在系统性的前-后功能梯度提供了因果层面的支持，表明前部亚区在处理高需求语义控制时扮演着更专门化的角色。

SCN区域的协同作用

多变量预测分析显示，结合IFG、pMTG和dmPFC三个区域的激活模式来预测参与者在困难与简单语义任务间的行为差异（反应时之差），其预测准确性显著高于使用任何一个单一区域模型的预测。贝叶斯模型比较进一步提供了决定性证据，支持三区域联合模型的优越性。这表明，SCN的三个核心节点并非独立工作，而是以分布式、互补的方式协同支持灵活的语义检索。

语义控制需求对有效连接的调控

动态因果模型（DCM）分析揭示了SCN内部动态的相互作用模式。在一个包含四种任务条件的模型中，脑区连接的调制主要发生在语义任务中，并且随着任务难度的增加而增强。在一个专注于语义任务的模型中，研究人员进一步发现，高语义控制需求会降低IFG和pMTG的自我抑制（即增强其对网络输入的敏感性），但同时增加dmPFC的自我抑制（降低其敏感性）。在脑区间的连接上，高需求条件下，IFG和pMTG之间表现出强烈的双向兴奋性连接，而dmPFC则对IFG和pMTG施加抑制性影响。这种连接模式表明，在需要努力进行语义检索时，IFG和pMTG会密切合作，相互促进，而dmPFC可能扮演着一个“调节阀”的角色，防止网络过度活跃，从而保证语义检索的稳定和高效。

个体差异：TMS效应与局部活动及网络连接的关联

为什么TMS对每个人的影响大小不同？为了解答这个问题，研究人员进行了贝叶斯回归分析。结果发现，对于IFG和dmPFC这两个额叶靶点，TMS引起的行为损害大小，最佳的解释因素是“局部fMRI激活强度”与“TMS电场（e-field）强度”的交互作用。也就是说，当一个人某个脑区在任务中激活越强，且接收到的TMS刺激强度越大时，TMS对该脑区功能的干扰效果就越明显。然而，对于pMTG这个颞叶靶点，局部因素无法解释个体差异，取而代之的是其在SCN中的网络连接属性：那些在高需求语义任务中，pMTG接收来自IFG和dmPFC的输入越强，以及其自身对网络输入越敏感（即自我抑制降低越多）的个体，在接受pTMS刺激后表现出更大的行为损害。这提示，pMTG在语义控制网络中的功能可能更依赖于其作为“信息接收者”的角色，其受TMS影响的程度与其在网络中的整合程度密切相关。

本研究通过多模态方法汇聚了多项关键证据，系统地阐述了语义控制的神经机制。首先，它确证了左侧IFG、pMTG和dmPFC构成一个对语义控制具有因果必要性的核心网络。其次，它揭示了该网络内部存在显著的功能异质性，特别是前部亚区对高需求语义处理的特殊贡献，这与人脑皮层功能组织的大尺度梯度理论相吻合。第三，它表明这些区域通过动态变化的兴奋性与抑制性连接进行协同工作，而非独立运作。最后，个体水平的分析表明，TMS的效应既受局部因素（如激活强度和刺激剂量）影响，也受全局网络属性制约，这为理解个体差异和未来个性化神经调控提供了重要线索。

该研究的发现将语义控制的理论从简单的“定位”推进到了“网络交互”和“功能分化”的层面。它不仅解决了关于dmPFC功能地位的长期争议，也为理解其他高级认知功能（如社会认知、决策等）中涉及前额叶-颞叶交互的机制提供了借鉴。此外，研究所展示的结合TMS、fMRI和计算建模的多层次分析框架，为未来探索人脑复杂认知功能的动力学原理树立了典范。这些发现对于理解脑损伤后（如中风、脑外伤）出现的语义认知障碍，以及开发针对这些障碍的精准神经康复策略具有深远的潜在意义。