动态脑网络与创造力

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创造性思维对于艺术，科学和日常生活至关重要。大脑如何产生创造性思维？最近发表的一系列文章已经开始提供关于此问题的见解，报告了在从创造性思维到诗歌创作再到音乐即兴创作等一系列创造性任务和领域中，大脑活动和连接性的惊人相似模式。这项研究表明，创造性思维涉及大规模大脑系统的动态交互作用，最令人信服的发现是，表现出对立关系的默认控制和执行控制网络在创造性认知和艺术表演中趋于合作。这些发现对于理解大脑网络如何相互作用以支持复杂的认知过程具有重要意义，尤其是那些涉及目标导向的(goal-directed)，自我思考过程的过程。本文发表在Trends in Cognitive Sciences（可添加微信号siyingyxf或18983979082获取原文）

趋势

最近的几项神经影像学研究发现，创造性认知涉及默认网络和执行控制网络，这些网络与自我思考过程相关的大脑系统和认知控制之间的合作增强。

默认网络-控制网络交互发生在涉及创意的产生和评估的认知任务中。这种大脑网络连接的模式已有跨领域的报告——包括：一般创造性问题解决（例如发散思维）和特定领域的艺术表演（例如诗歌创作，音乐即兴创作和视觉艺术创作）。

创造性认知过程中的默认网络活动似乎反映了候选想法的自发产生，或者来自长期记忆的潜在有用信息。

控制网络可以在想法生成或评估期间与默认网络耦合，以约束认知来满足特定的任务目标。

1.创造力，认知控制力和自我思考过程

在这篇文章中，我们重点介绍了创造性认知神经科学的最新发展，重点是理解认知控制和自我思考过程的作用。创造力是一个广义的概念，但通常认为它涉及到一些既新颖又有用的产品产生。因此，创造性认知可以理解为支持产生新颖和有用想法的认知过程。在这里，我们主要关注与创造性领域的产生和评估有关的创造性思维过程。自我思考过程来自于内部集中的精神活动，这种活动在很大程度上独立于外部输入。虽然自我思考过程可以在头脑中自发产生，但它们也已经被证明受益于目标导向的处理和认知控制。我们认为，创造性认知也包括这种目标导向、自我思考过程的过程，尤其是当认知必须受到约束才能满足特定的任务需求时。

越来越多的研究使用功能磁共振成像(fMRI)和fMRI数据的功能连通性分析来评估大规模大脑系统之间的动态相互作用，例如在创造性认知和艺术表演期间的默认网络和执行控制网络。本文主要考虑与一般领域（例如，发散思维）和特定领域（例如，音乐即兴创作）的创造性思维相关的神经影像证据。本文不涉及顿悟的研究，但建议对顿悟的神经科学感兴趣的读者可以参考最近关于该主题的全面评论的文章。

在本文中，我们提出了一个框架来说明默认网络和控制网络的动态相互作用，以支持创意的产生和评估。该模型是在研究背景下讨论的，该研究为走神，自传规划和其他自我思考过程模式研究中的相关默认-控制网络交互提供了证据。

（自传规划解释：在人脑中有一种预设模式，在这个神经网络中，进行我们最原始的思考和解决问题。也是在这种模式中，人脑中会出现自传规划，思考关于自己的很多事，包括自己的过去，为什么现在会坐在这里，以后想要怎么样，要怎么达到预设的未来。在这个做白日梦的过程中，就会激发出很多创意和想法，变得更聪明。）

2.默认网络和执行控制网络动态

静息态和基于任务态的功能磁共振成像已经确定了几个大规模的大脑网络，这些网络是认知和注意力过程的核心基础。最广泛研究的两个网络是默认网络和执行控制网络。默认网络由中线和后下顶叶区域组成，在缺乏外部呈现的认知任务的情况下，其代谢活性增强。默认网络活动与自发的和自我思考过程相关联，包括走神，心理模拟，社会认知，自传体检索和情节性未来思维。控制网络包括侧前额叶和前下顶叶区域，其活动与需要外部注意力的认知过程有关，包括工作记忆、关系整合和任务集转换。在静息态和许多认知任务期间，默认网络和控制网络可能表现出对立关系。例如，在工作记忆任务中，控制网络通常表现出增强的激活，而默认网络则失活，这可能反映了认知控制过程中对与任务无关想法的抑制。

重要的是，默认网络和控制网络在多个认知过程中也显示出合作。此类过程通常涉及自我思想的自上而下的调节。尽管默认网络以前已经与生成过程相关联，例如想象未来的经历，但是最近它与控制网络的合作对于目标导向的认知过程非常重要。例如，默认网络和控制网络在自传未来计划中显示出合作。也就是说，构建关于未来目标状态的详细且连续的心理表征。因此，目标导向、自我思考过程似乎既包括默认网络的生成功能，也包括控制网络的策略功能。

我们认为，创造性思维的某些方面，尤其是创造性思维的产生和评估，也可能涉及目标导向的自主认知。我们的研究小组和其他人已经注意到，创造性思维可能受益于默认网络和控制网络的动态交互。研究表面，默认网络会根据其在自主认知（例如情节性记忆）中的作用，为候选创意的产生（可能来自长期记忆的有用信息）做出贡献。然而，通常需要控制网络来评估候选构想的有效性并对其进行修改，以满足特定任务目标的约束。我们的模型建立在一个开创性的理论基础上，该理论认为默认网络和控制网络分别通过盲目变异和选择性保留(blind variation and selective retention)的进化过程来促进想法的产生和选择。但是，值得注意的是，我们的框架未包含此类进化机制。下面，我们将在一般领域和特定领域创造性思维过程的最新研究背景下讨论该模型。

3.一般领域的创造性认知过程的大脑网络交互

一般创造性认知领域最广泛使用的评估之一是多用途任务发散思维任务。收敛性思维任务涉及发现创造性问题的单一解决方案(例如洞察)，与收敛性思维任务相反，发散思维涉及到对一个开放式问题产生几种可能的解决方案，例如发明一般物品的创造性用途。最近的一项研究评估了在多用途任务发散思维任务期间大脑区域之间的动态交互。全脑功能连接性分析用于识别与发散思维相关的大脑区域网络，包括：默认、控制和突显网络的几个区域(图1A)。基于种子的分析揭示了这些网络中枢之间的直接功能连接。

如图1B所示，后扣带回皮层（PCC）与控制网络区域（即背外侧前额叶皮层（DLPFC）和突显网络（即双侧脑岛））的耦合增加。此外，动态功能连接性分析显示网络中枢在整个任务持续时间内的差异耦合；例如，PCC显示出与右前岛的早期耦合，然后与右DLPFC的耦合，以及其他区域（图1C）。鉴于右前岛叶作为突显网络的一个节点，该网络参与默认网络和控制网络之间的切换，默认网络和突显网络之间的早期耦合被解释为一种中间切换机制，该机制促进默认网络和控制网络之间的后期耦合。

默认网络和控制网络的合作已经在其他领域--一般创造性认知的神经影像研究中得到报道。使用与上述类似的发散思维任务范式，最近的一项研究发现，通过评估受过训练的评估者的发散思维反应的创造性，分别预测了腹侧ACC和左侧角回(涉及认知控制和自我生成思维的区域)的功能耦合增加。同样，另一项研究使用了动词生成任务，要求生成一系列语义上远距离的动词以响应一系列呈现的名词。产生语义上远距离的动词（即通过潜在语义分析评估，与名词有远距离联系的反应）与内侧前额叶皮质的激活相关（MPFC），默认网络的枢纽；此外，随着名词和动词之间的语义距离增加，MPFC与腹侧ACC表现出更大的耦合。 

这些发现也与最近的一项研究相一致，该研究调查了具有高度发散思维能力人的静息态网络模式。高度创造性的参与者显示出默认网络区域与左额下回的耦合增加，该区域与认知控制相关，广泛涉及发散思维研究。综上所述，这些发现表明创造性思维可能受益于默认网络和控制网络区域的合作。

图1.与发散思维相关的功能连接。

(A)全脑多变量模式分析对比交替使用的发散思维与对象特征生成；脑图显示了发散思维过程中不同的功能连接模式。

（B）后扣带回皮质（PCC）在发散思维过程中显示与控制区(背外侧前额叶皮质（DLPFC）)和突显区(岛叶)网络的连通性增加。

（C）PCC（黑色球体）显示出与显着网络区域（双侧岛）的早期耦合，随后与控制网络区域（DLPFC）的耦合。右侧以黑色标记的区域与感兴趣的源区域显示出正连通性。

缩写：ACC，前扣带回皮层；ANG，角回；IPL，顶下小叶；MTG，颞中回；PMC，运动前皮层；RLPFC，后外侧前额叶皮层；STG，颞上回。

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4.艺术表演中的大脑网络交互

艺术表演的神经科学主要集中在音乐即兴演奏上，其他领域在最近也越来越多地被探索，包括视觉艺术，创造性写作和抒情即兴创作。最近的一项研究试图通过功能连接分析来研究控制网络区域在即兴演奏中的作用。作者要求钢琴家即兴演奏以下两种不同的认知策略之一：使用特定的钢琴键组（“音高”）或表达特定的情感。将性能限制到特定的音调组揭示了DLPFC与认知和运动控制相关的多个区域（包括背侧运动前区域和辅助运动前区域the dorsal pre-motor area and the pre-supplementary motor area）之间的耦合增加（图2A）。相比之下，表达情感与DLPFC和默认网络之间的功能连接性增强相关（图2B）。在这种情况下，DLPFC可能会在基于情感的即兴创作的表达策略过程中，对源于默认网络的生成过程施加自上而下的影响。

长期以来，创造力研究人员一直认为，创造性思维涉及思想产生和思想评估的两个阶段。想法的产生通常被认为是自下而上的与分散注意力有关的过程，而想法评估被认为涉及集中注意力和认知控制。但是，支持思想产生和评估的神经网络直到最近才使用脑成像技术进行检查。

图2.音乐即兴创作过程中的背外侧前额叶皮层的连通性。右侧背外侧前额叶皮层（DLPFC绿色）显示专业钢琴演奏者即兴创作时，不同的连通性与任务目标的关系。

（A）与使用特定的钢琴键组相关的功能连接；脑图显示右DLPFC与运动区域（例如背侧前运动区和前辅助运动区）之间的耦合增加。

（B）与表达特定情感的目标相关的功能连接；脑图显示右DLPFC和默认网络区域[例如，内侧前额叶皮层（MPFC），后扣带回皮层（PCC）和双侧下顶叶（IPL）]之间的耦合增加。  

最近一项对职业诗人的研究对比了参与诗歌创作的大脑网络。在fMRI中，诗人被要求在一种情况下自发地创作新诗，并在另一种情况下修改自己创作的诗。利用独立成分分析（ICA），作者确定了与诗歌创作相关的几个成分，形成了五个层次聚类(图3A)。一个聚类包括默认网络区域(例如MPFC)，另一个聚类包括控制网络区域(例如DLPFC和顶内沟(IPS)；图3B)。在产生想法的过程中，默认网络和控制网络聚类呈现负相关(图3C)。然而，在想法修正期间，网络之间的相关性增加了，这表明评估和修改自主生成的诗歌需要默认网络和控制网络的合作。   

图3.与诗歌生成和修正相关的大脑网络连接。

（A）独立成分分析（ICA）确定了与专业诗人的诗歌创作相关的53个功能网络；这些网络形成了五个层次聚类。

（B）描绘了层次聚类2（红色框）和4（紫色框），以及它们各自组件（功能网络）的示例。请注意，聚类2包括默认网络区域（内侧前额叶皮层（MPFC）），聚类4包括控制网络区域（背外侧前额叶皮层（DLPFC）和顶叶内沟（IPS））。

（C）在新诗（GNP）的产生过程中，聚类2和4呈负相关；在新诗（RNP）的修正过程中，这种相关性显著增加。

在对视觉艺术家的研究中，进一步探讨了默认网络和控制网络在创意产生和评估过程中的参与。使用MRI兼容的绘图板系统(MRI-compatible drawing tablet system)，美术专业的学生被要求为一本书的封面勾勒出想法，然后评估他们的想法。在单变量分析水平上，想法产生与默认区域的活动相关，而想法评估与默认网络（例如MPFC和PCC）和控制网络活动（例如DLPFC和ACC）都相关。此外，一项功能连接性分析显示，在想法评估过程中默认网络和控制网络区域之间的耦合增加，与上述诗歌创作研究一致。这两个实验都表明，想法评估涉及默认网络和控制网络的功能耦合。这些研究表明，诗歌和视觉艺术中新思想的产生得益于默认网络中产生的自我思考过程，但这种思想需要在评估过程中进行自上而下的调节，从而反映在默认-控制网络耦合中。     

5.大脑网络与创造性认知：一个整体框架

上述研究表明，创造性认知涉及默认网络和控制网络的动态交互。这种模式已经在多个领域的研究中得到报道，包括一般创造力和艺术表演的各个领域，如音乐，文学和视觉艺术。在这里，我们描述了一个框架，来解释默认网络和控制网络在创造性思维过程中的交互作用。我们提出，创造性思维所涉及的认知和神经机制与其他形式的目标导向，自主认知（例如，自传未来计划）相似。通常，我们认为默认网络会影响候选创意的生成，但是控制网络可以通过自上而下的监控和执行控制来约束和指导此过程，以满足特定于任务的目标。

如上所述，默认网络的主要功能是情景记忆检索。最近的研究指出了默认网络和情景记忆在创造性认知中的重要作用 (表1)。我们认为，记忆系统可能在一般领域和特定领域背景的候选想法生成中起着关键作用。虽然记忆提取在想法产生中起着重要作用，但认知控制系统也可以用来评估和修改候选想法以满足特定目标，这与行为和神经成像的证据一致，这些证据表明执行机制始终参与创造性思维。因此，在创造性认知过程中，控制网络和默认网络可以充分利用自上而下(执行)和自下而上(生成)的过程。然而，默认-控制网络耦合并不普遍，因为网络在创造性思维任务中既表现出合作也表现出竞争。

默认网络和情节记忆:与创造性认知的联系

当人们想象未来的体验时，默认网络显示出强大的激活。更具体地，当要求人们记住过去的经历(即情节记忆)和想象未来的经历(即情景模拟)，称为“核心网络”的默认网络区域的子集也会以类似方式参与。鉴于创造性认知过程中默认网络区域的参与，一个自然的问题涉及创造性认知与情节记忆和情节模拟之间的可能联系。最近的几项研究为这种联系提供了证据。海马损伤的失忆症患者有严重的情节记忆缺陷，在广泛使用的创造性思维托兰斯测试(Torrance Tests)中表现也很差。也有报道称，健康的年轻人在执行正文中提到的交替使用发散思维任务时，有时会利用情景记忆，尽管情景记忆的提取主要发生在任务执行的初始阶段。此外，一项针对健康年轻人和老年人的研究报告称，交替使用任务的表现与参与者在想象未来个人经历时报告的情景细节数量呈正相关。然而，这种与发散思维的相关性是特定于想象的未来事件的，而对于回忆或想象的过去事件则没有观察到。

最近的一项研究提供了更强有力的证据，证明交替使用任务与情节记忆和模拟之间的关系。在这项研究中，参与者接受了“情节特异性引导(episodic specificity induction)”(即在执行交替的发散思维任务之前，进行回忆最近经历的具体细节的简短训练)。先前的研究表明，特异性引导选择性地增加了参与者在需要记住过去经验和想象未来经验的后续任务中提供的情节细节的数量，而对参与者在此类任务中提供的语义细节的数量没有影响。至关重要的是，管理特异性引导(administering the specificity induction)增加了参与者在后续交替任务中产生的适当使用的数量，也增加了未来模拟任务的情节细节。这些发现表明，进一步研究情节记忆、情节模拟和发散思维之间的关系，以及它们是如何由默认网络支撑的，应该是非常有用的。

默认网络-控制网络耦合的一个可能促成因素是给定创意任务的目标导向程度。当创造性思维被限制满足特定任务的目标（例如，传达抽象概念）或需要明确的自上而下的过程（例如，评估自主想法功效）时，可以将其视为“目标导向”想法。以前有人提出，默认网络和控制网络合作产生并保持“内部想法”(internal train of thought)或扩展评估期间的内部信息。在这种情况下，控制网络可以修改和引导自我思考过程，以满足特定任务目标的需求。

最近关于音乐即兴创作的研究为这一观点提供了支持。在这里，当音乐家被要求基于特定的情感即兴创作时，默认网络和控制网络显示出合作。因此，表达特定情绪的任务目标可以诱发(recruit)控制网络的策略和自上而下机制，这可以监督来自默认网络的候选想法的自发生成。在缺乏这种控制的情况下，音乐家可能仅仅依靠自发产生的旋律序列，而不一定坚持表达特定情感的任务目标。因此，控制网络可以通过保持任务目标被激活，抑制美学上不期望的或目标不一致的旋律序列，以及有策略地搜索目标一致序列的记忆来保持“内部想法”。

对艺术表演的研究还报告了创意评估过程中的默认网络和控制网络的耦合。一项关于视觉艺术家的研究发现，当要求艺术家评估他们先前产生的想法时，PCC和DLPFC之间的功能连接性增加。这项研究的作者建议，想法评估会调用一种独特的分析处理模式，这种模式具有刻意的（自上而下）和自发的（自下而上）形式的评估思维。在这种情况下，默认网络可以通过自发生成和自我参照机制提供自下而上的评估。控制网络进而可以将此信息与任务目标进行比较，并通过认知控制机制（例如抑制和选择）来修改它。

然而，在某些情况下，默认网络和控制网络也可能表现出较少的合作，例如在没有明确的任务目标或自上而下的限制放松时。例如，在诗歌创作研究中，诗人只是被要求自发地创作新诗（而不是像在音乐即兴创作研究中那样采用生成策略），因此不需要控制网络的自上而下功能。事实上，作者报道了在诗歌生成过程中默认网络的激活增加，并且功能连接性分析揭示了在生成过程中默认网络和控制网络区域之间的负相关。然而，这种负相关性在想法评估过程中明显减弱，可能是由于任务需求的增加和自上而下的控制要求。因此，默认网络-控制网络耦合可能取决于创造性认知对目标导向加工的依赖程度。

总结：

创造力研究人员长期以来一直质疑创造性思维是否或多或少的涉及认知控制。本文强调了用细致入微的方法来解决这个问题的好处，使用实验操作来区分创造性认知的子过程(例如想法产生和评估)和评估大脑区域之间交互作用的神经成像数据分析方法。这一新兴文献表明，创造性思维涉及默认和控制网络的合作(类似于其他形式的目标导向、自主思维)，控制网络的参与程度取决于创造性思维在多大程度上受到限制，以满足特定的任务目标。

执行过程如何影响创意的产生和评价？对视觉艺术和诗歌创作的研究表明，想法的产生和评估会诱发不同的大脑网络:想法评估似乎比想法的产生更强烈地涉及默认网络和控制网络的合作。与想法产生类似，想法评估是复杂的，可能涉及一系列子过程(例如抑制、选择和目标维护)，因此未来研究的一个重要方向是确定哪些过程与创造性思维相关以及在什么情况下相关。 

默认网络在创造性认知中的作用是什么？默认网络与各种自主认知过程(例如情节记忆、未来思维和走神)相关联，因此未来研究的另一个关键挑战是确定这些过程中哪些与创造力相关。

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