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神经科学:首次揭示改善人类记忆表现的脑功能网络
来源:澳门威利斯人官方网站 时间: 2016-04-07???? 作者:

在人类生长发育过程中,大脑各子区域之间的网络连接一直都发生着动态地变化。当人类从事某种认知活动或身患某种疾病时,这种动态变化就显示出很强的针对性。早期的研究指出,当人进行记忆训练时,额皮层(frontal cortex)、顶皮层(parietal cortex)、右梭状回(right fusiform gyrus)及侧眶额皮层(lateral orbitofrontal cortex)等区域活动会发生明显的改变,然而这些研究主要是针对局部区域,在更宏观的层面上脑功能网络的变化仍不清楚。2016年4月6日发表在《The Journal of Neuroscience》上的一篇研究《Dynamics of the Human Structural Connectome Underlying Working Memory Training》通过采用最新的成像技术,首次从更宏观的尺度分析了记忆训练过程中脑功能网络连接结构的动态变化过程。

该论文的第一作者Karen Caeyenberghs博士来自Australian Catholic University。实验对象是46个健康成人,年龄在19-40岁之间,其中有21名是女性。通过让被试者参加一系列的记忆训练试验,记录训练前后大脑多个子区神经元的反应情况。利用图论的方法,对这些子区活动信号进行分析,依据因果关系构造由这些子区形成的脑功能网络,并对网络中信号的传递效率和连接情况进行讨论。下图是实验中利用成像技术记录的30个大脑不同的子区(左右脑各15个)。

对成像数据进行统计分析显示,经过不同记忆任务训练之后,被试者的行为评分要明显高于训练之前的情况(如下图)。

通过进一步分析不同子区内活动神经元之间的聚集系数(clustering coefficient,CC),即连接紧密程度,发现训练后部分子区内神经元的CC值有显著的增高,表现为球团面积的增大(下图:adaptive)。

为了进一步弄清在记忆训练前后,哪些子区的变化最为显著,研究人员通过加入10种不同的网络连接权重(1: diffusion tensor MRI measures of average FA; 2: TVF; 3: the number of reconstructed fibers (tracts); 4: axial diffusivity (AD); 5: the inverse of the mean (MD); 6: radial diffusivity (RD); 7: MWF; 8: the inverse of the intrinsic relaxation times (R1); 9: R2 derived from mcDESPOT; 10: the TRF of the CHARMED data),讨论了不同权重网络的连接状态在记忆训练前后的变化。如下表所示,依据轴突髓鞘(myelination)构建的权重网络(R1)在记忆训练前后的变化最为显著。

在大脑中,神经元的轴突形成了白质区域(white matter area),因此,作者提出依据白质密集度构成的大脑结构网络最能反映人类进行记忆训练的变化过程。

大脑中不同子区域之间以及子区域内部的连接不是一成不变的,而是根据人类的活动状态一直处于动态的调整中。本文中的这篇研究通过对健康的成人进行相关的实验记录和理论分析,首次从更为宏观的角度揭示了与人类记忆训练密切相关的脑功能网络,并指出基于白质密度形成的大脑结构网络能最有效地体现人类的记忆训练过程,也为后续临床上通过训练来改善病人记忆提供了参考。

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