Nature Neuroscience | 前额叶对视觉加工自上而下调节的因果作用
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正如之前很多推送提到，选择性注意（selective attention）指的是有意识地将注意导向任务相关刺激，同时避免被任务无关刺激干扰。工作记忆（working memory）则是指将被注意的信息暂时存储在头脑中的能力，这有助于目标导向行为的实现。很明显，选择性注意和工作记忆在功能上是有一些重叠的，因为被注意到的物体更有可能被记住，同时工作记忆也有可能影响选择性注意。然而，两者的关系仍然不是很清楚。
自上而下调节（top-down modulation）是选择性注意的基本生理机制，它是一个双向过程，在目标信息任务相关性（relevancy）的基础上，通过区别性地增强（enhancement）或抑制（suppression）感觉皮层的神经活动来完成。通过这样的自上而下信号，人脑更有可能在信息竞争系统中成功表征和维持任务相关信息。
神经网络之间的交流被认为是自上而下调节的基础，以往研究表明，额-顶-视觉网络参与了视觉加工的自上而下调节，这其中前额叶（PFC）是这种调节的一个重要节点。近期研究发现，PFC的额下联合区（inferior frontal junction; IFJ）可能是对视觉特征注意自上而下调节的源（source）。
EEG研究发现IFJ可能会在刺激后100ms就能影响视觉加工（在ERP的P1成分时候），且这个时间点受到注意的调节，并和之后的工作记忆表现有关。此外，自上而下调节可能受到alpha频率长距离相位相干性（long-distance alpha phase coherence）的支持，因为alpha相位同步化能协调自上而下的控制。但是以往研究还没有对此进行因果性的探索。
为此，本研究在被试进行选择性注意+延迟再认任务之前，利用经颅磁刺激（TMS）干扰被试IFJ的功能，同时记录EEG数据，从而希望直接解决PFC介导的自上而下调节（由选择性注意驱动）在随后的工作记忆表现中的因果作用和机制。实验任务如图1所示，被试需要选择性地注意按顺序呈现的某一个特征（颜色或运动方向），并忽视另一个特征，最后进行记忆再认任务。
图1 实验范式。包括颜色记忆任务和运动方向记忆任务，在延迟之后，问被试探测刺激的颜色（或运动方向）是否和刚才一致。白色尖头指的是点的运动方向（实际任务没有箭头），下方黑色横线的刺激表示需要记住的项目（实际任务中也没有黑线）。
正式实验有两个session，第一个session是fMRI版本的实验，用来发现自上而下调节相关的脑网络，同时找到个体的IFJ。在第二个session中，对IFJ区域施加1Hz的重复经颅磁刺激（rTMS）来干扰自上而下调节功能。在rTMS之后，被试立即进行一样的任务。研究评估了rTMS对刺激呈现过程中P1波幅以及额顶alpha相位相干的影响以及对工作记忆准确性的影响。通过这些分析，可以确定视觉皮层早期的自上而下调节是多大程度上由IFJ驱动的，以及这如何影响工作记忆表现。
下面看一下结果，Session 1的fMRI研究首先找到了自上而下调节的神经网络。由于视觉区域的V4和V5分别选择性地负责颜色和运动加工，这里将这两个区域作为兴趣区。之后，利用V4和V5为种子点，进行了功能连接分析，从而找到涉及自上而下调节的神经网络。结果发现，额顶网络同时参与了颜色和运动特征的自上而下调节，尽管两者具体的图谱存在一些差异，但是IFJ是两种条件下的共同节点（图2）。因此之后的TMS-EEG研究选择了右侧IFJ作为目标点。
图2 功能连接的结果发现，IFG区域同时参与了对运动和颜色加工的自伤俄日按调节。
在Session 2中，研究者利用1Hz的rTMS对每个被试的右侧IFJ进行了10分钟的刺激。实验条件分为两组真刺激（1Hz）和两组虚假刺激（sham）。由于rTMS的效果会随时间递减，因此分析的时候把每个block分成了两块。行为结果发现，rTMS只降低了颜色任务中第一个block的准确率（图3），说明IFJ可能对于不同的注意特征的作用存在差异。
图3 行为结果。rTMS降低了颜色任务中第一个block half的准确率。
之后，研究者看了TMS对ERP的后部脑区P1成分的影响（图4）。P1成分被认为是在刺激编码期间反映自上而下调节视觉特征的神经标记，利用sham条件的数据进行溯源分析也发现，P1波幅在颜色任务和运动任务中分别部分来自于V4和V5。
因此，利用注意条件(attended)的P1波幅减去忽视条件(ignored)的P1波幅可以得到P1自上而下调节的指标（P1 modulation）。结果如图4所示，在颜色任务的第一个half中（而非第二个half），P1调节指标在TMS条件下显著降低；在运动任务中，P1调节指标没有受到rTMS的显著影响。这个结果和之前的行为结果是一致的。
图4 ERP P1结果
因此，之后作者利用sham条件减去TMS条件的各指标差值作为TMS的效应，将EEG、fMRI和行为结果的数据进行了相关性分析。结果发现（图5a），在TMS条件下P1调节指标（反映自上而下调节）下降更多的个体，其颜色任务中的工作记忆表现也会受到更大影响，这表明利用TMS干扰IFJ可以影响到自上而下调节和相应的行为结果。此外，研究者还发现个体IFJ-V4的功能连接与P1调节指标的变化存在正相关，也就是说IFG到负责颜色加工的V4区域功能连接越强的个体在受到额叶的TMS时更容易影响到后部脑区的自上而下调节效应（图5B）。
图5 P1调节指标变化（sham-active TMS）与（a）行为结果变化和（b）个体V4-IFG功能连接的关系
尽管上述分析表明TMS干扰了神经网络的自上而下调节，但是没有提供直接证据表明TMS影响了额叶和后部皮层的功能连接。近期研究发现，额部和后部脑区alpha频率的相位相干性是对颜色信息的调节的预期信号，因此这里也探索了TMS对这一指标的影响。在这里，作者利用刺激出现前200ms~0ms期间的锁相值（phase-locking value; PLV）作为相位相干性的指标，将注意条件的PLV减去忽视条件的PLV作为PLV调节指标（类似P1调节效应）来观察右侧额叶和中间后部脑区alpha频段的相位相干。结果发现，相比虚假TMS条件，alpha频段的PLV调节指标在真实TMS条件下出现了下降（图6），说明TMS干扰到了自上而下的调节效应。这一结果和P1调节指标也是类似的，表明预期阶段的alpha的相位相干可能是长距离自上而下调节的机制。
图6 TMS效应对alpha频段额部-后部区域相位相干（PLV调节指标）的影响
总结来说，通过使用TMS干扰IFJ的功能并同步记录脑电活动，本研究得到了IFJ对于后部皮层和工作记忆表现自上而下调节的因果关系，也就是说前额叶的自上而下调节可能因果性的连接了注意加工和记忆表现。此外，个体额部到后部脑区的功能连接会调节TMS的作用效果。这种自上而下调节的机制可能是alpha频段的相位相干性。
论文原文：
Zanto, T. P., Rubens, M. T., Thangavel, A., & Gazzaley, A. (2011). Causal role of the prefrontal cortex in top-down modulation of visual processing and working memory. Nat Neurosci, 14(5), 656-661. doi:10.1038/nn.2773
相关前期发现：
Zanto, T. P., Rubens, M. T., Bollinger, J., & Gazzaley, A. (2010). Top-down modulation of visual feature processing: the role of the inferior frontal junction. Neuroimage, 53(2), 736-745. doi:10.1016/j.neuroimage.2010.06.012
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