扣带皮层的生理心理机能

1、扣带皮层的生理心理机能         张卫东   华东师范大学心理学系【正    文】    1   引言    扣带皮层是边缘系统(limbic system)的主要部分，在经典Papez环路中，它作为关键神经部位而参与情绪活动，然而关于其机能的这种传统观点如今被临床与实验研究证明是过于简单化了。神经生理学与神经心理学诸多研究表明，扣带皮层具有多方面的生理心理机能

2、，不仅与情绪有关，而且涉及感知觉、运动、注意、记忆以及其它高级认知过程。扣带皮层的机能到底有多复杂？近年来越来越多的新研究尤其是脑机能成像研究正不断予以揭示，一些重要结果在Science、Nature以及其它一些主要神经科学研究学刊上发表，已逐渐成为一个研究焦点。    2   扣带皮层的神经解剖学概念    从大脑半球外观上，扣带皮层(cingulate cortex)并不象颞叶或者枕叶那样醒目，它位于两半球内侧面，构成矢状缝两侧侧壁。cingulate，意思是带(girdle)，神经解剖学用这一术语形

3、象地指围绕大脑胼胝体的边缘叶(limbic lobe)部分。据神经解剖学研究，扣带皮层的不同部位在细胞构筑(cytoarchitecture)、传入及传出神经联系上各具特征。Rose(1929)对扣带皮层作了经典的划分和命名，包括前中央乏颗粒区(area precentralis agranularis,PECag)，下辐状区(area infraradiate,IR)，后压部乏颗粒区(area retrosplenialis agranularis,RSag)，后压部颗粒区(area restrosplenialis granularis,RSg)四个区。Vogt和Peters(1981)对

4、大鼠的研究将扣带皮层划分为Brodmann25、32、24和29四个区1。两种划分的对应情况是，25区相当于IR腹侧部；24区和32区相当于IR的背侧部，又称为前扣带皮层(anterior cingulate cortex,ACC)。32区位于25区背侧，其后紧邻24区。29区即后压部皮层区，又可分为a、b、c、d四个亚区，其中29a区位于最腹侧，29b区位于其背侧及胼胝体后方，29c区位于29b区上方，而29d区又位于29c区背侧。29d区相当于RSag,29a、b、c区相当于Rsg。以后Vogt等人(1992)研究了灵长类的扣带皮层，将Brodmann25、24区指定为ACC，而将29、3

5、0、23和31区指定为后扣带皮层(posterior cingulate cortex,PPC)2。诸多研究显示，扣带皮层的各个分区与大脑其它部位构成不同的神经环路，后者的机能已能从其它研究证据而获得较多了解，因此了解其神经联系方式，能够进一步分析扣带皮层参与各方面生理或行为过程的机能特征。    3   扣带皮层的多方面功能    对扣带皮层解剖生理学研究作出较大贡献的Vogt等人(1992)以二分法来归纳扣带皮层的神经机能，即ACC的执行机能(executive functions)，涉及内脏、内分泌

6、活动和随意运动的情绪控制，包括痛刺激反应、母性行为、发声和动作注意；以及PCC的评价机能(evaluative functions)，包括在空间定位(spatial orientation)和记忆方面对感觉事件和机体自身行为进行监视2。以后不断累积的实验工作为这一观点的论证及修正提供了更为翔实的证据。本文侧重概述关于扣带皮层认知机能的一些研究进展。    3.1   扣带皮层与注意    研究注意机制的不同领域在不同研究层次上对注意的界定并非完全一致。认知神经科学研究迄今已确定大脑注意系统三方面主要机能：

7、一是维持机体普遍唤醒或警觉状态，以致能够敏感地觉察刺激信号；二是对相互竞争的诸多感觉输入信息实施某种选择加工，涉及刺激源方位的选定和目标事件的侦察等；三是将意识活动集中于特定操作任务的执行控制。与机能相联系的脑解剖学基础，是近年来已提出的三个注意神经网络，即维持警觉状态的网络(alerting network)、方位定向网络(orientating network)及执行网络(executive network)。这些网络显得具有注意发生源(source of attention)特征，可对其它进行某种认知加工的机能特异性脑区施加注意效应，通常使其神经活动增强。例如研究表明，被试在注意一个物体

8、的颜色、形状或运动时，由上述神经网络构成的注意系统可使视皮层外纹状区的局域脑血流(rCBF)增加3。    作为大脑中额叶的一个区域，前扣带皮层(ACC)参与选择注意(selective attention)和受控信息加工(controlled information processing)，是脑内注意系统执行网络的重要节点(node)。该部位在视觉刺激方位搜索与选择任务以及语义注意任务中均被激活，而且其激活程度随侦察目标的增多而提高4。    临床神经心理学研究发现，精神分裂症患者认知机能障碍的一个主要方面是注意缺陷，据报道他们的A

9、CC也有结构和机能上的异常。PET研究显示，在Stroop测验中，与正常人相比，这些病人在颜色字义不一致情形下错误反应显著增多，伴随其ACC的激活程度显著下降，说明患者在选择注意任务操作中ACC不能发挥正常机能，导致认知行为障碍5。    人脑右半球ACC(BA 24)是视觉空间(visuospatial)注意的重要机能部位。Nobre等人(1997)的实验采用内隐注意转移(covert attention shift)行为操作模式，使被试在不发生头动和眼动的前提下注意由线索提示的、即将呈现而有待辨别的刺激的位置。PET研究表明，ACC在此注意任务中显示其特异性局

10、域机能激活6。解剖学上扣带皮层与后顶叶皮层(posterior parietal lobe)的7a、7ip区有紧密的神经联系，后者接受来自视皮层19区的传入，参与视觉空间或方位的信息加工7。在注意系统的方位定向网络中，后顶叶皮层是其重要节点。临床神经心理学证据显示，后顶叶受损导致注意焦点脱离(disengagement)困难，即患者难以从原先的注意位置移开而投向受损部位对侧的目标，右半球的这种损伤所造成的障碍尤其严重。ACC与后顶叶的神经联系提示，视觉空间选择注意是方位定向和执行控制两个神经网络机能整合的结果。    3.2   扣带

11、皮层与记忆    在记忆脑机制的众多研究中，扣带皮层与工作记忆的关系令人关注。工作记忆(working memory)的概念是由认知心理学家Baddeley和Hitch(1974)首先提出的，指脑内一个机能系统，它短暂地（数毫秒至数秒）在线(on line)保存和处理某种信息表征，用以完成现时的各种高级认知任务8。关于工作记忆神经机制的研究比较确定地表明，大脑前额叶皮层(prefrontal cortex)在工作记忆中起关键作用，至于工作记忆系统中负责操纵和检索“在线”记忆信息、主管复杂认知操作时注意控制的中央执行机构(central executive)，其相应

12、的大脑机能部位何在？有关双任务操作的实验研究显示，前额叶皮层背外侧部(dorsolateral prefrontal cortex,DLPFC)Brodmann46区可能是工作记忆中央执行机构的所在地。然而双任务协调需要注意控制，不大可能不涉及ACC。神经解剖学证据表明，DLPFC与ACC具有密切联系7。D'Esposito(1995)对人类被试词语分类和心理旋转双任务操作时的fMRI研究揭示，DLPFC(BA46)和ACC均被激活。另一PET研究发现，在听觉和视觉工作记忆双任务操作中，扣带皮层与DLPFC以及下顶叶的rCBF同时增加9。Smith和Jonides(1999)提出，工作

13、记忆的基本执行过程即选择注意与任务管理(task management)均激活ACC和DLPFC10。迄今所见研究证据虽不众多，但足以提示ACC可能是工作记忆中央执行机构的另一重要神经部位，但它与DLPFC两者间的关系是否具有等级意义，尚无研究予以判定。    3.3   扣带皮层与言语    扣带皮层在语言理解中的机能作用在临床神经心理学和正常被试的脑机能成像研究中有所揭示。对帕金森氏症(PD)患者与正常被试的语句加工任务操作的PET比较研究发现，正常被试在语句特定语法成分如形容词搜寻中，脑内分布的一些

14、网络区域的rCBF显著增加，包括ACC、左脑下额叶及中额叶皮层、左脑下颞枕叶皮层、后外侧颞叶皮层、左侧尾状核及左侧丘脑；PD患者在此任务中其ACC以及左半球额叶的激活程度并无改变，说明患者所表现的语句意义加工缺陷与其ACC的机能失常是相互关联的11。    另一项PET研究表明，在词语阅读中，当要求被试进行类似指出所读名词的用处（譬如，锤子敲击）的语义加工(semantic processing)时，ACC的活动增强，然而ACC的这种机能作用是新异词的语义生成，即仅对新出现的词语发生，当这种任务重复练习后，其活动水平下降，而当另有新词呈现时，ACC则重被激活，提示

15、其与语义加工中认知资源的主动分配不无关系12。这种机能在语言理解中是至关重要的。    3.4   扣带皮层与痛觉    痛觉是具有重要生物学意义的一种复杂生理心理反应，既包含认知成分，即对伤害性刺激的定位及其性质、强度等的知觉判别；又包含情绪成分，即产生痛苦体验及内脏反应。神经解剖学、生理心理学和脑机能成像学研究表明，其产生有赖于大脑皮层多个机能部位，包括初级及次级躯体感觉区(S&S)、脑岛(insular)、额叶和ACC，然而它们的作用并不相同13。人体fMRI研究表明，躯体外周痛刺激激活对侧

16、ACC的一小部分区域即Bradmann24区后部，它位于注意相关任务所激活区域的后下部14，在该区域也能记录到痛刺激诱发电位，由潜伏期分别为211-242ms和325-352ms的负波及正波所组成，说明此区接受伤害性信息的输入15。然而ACC对痛经验的表征并非如S和S那样是对其感觉判别(sensory-discriminative)成分的加工，而是对其情绪成分的编码。临床上常报道扣带皮层损伤患者虽有痛觉但痛苦感较少。Rainville等人(1997)采用催眠暗示将痛的感觉与情绪成分分离，即在同样痛刺激强度知觉下改变被试所体验的痛苦程度。这种分离情况下的PET测量表明，ACC的痛刺激激活程度随着

17、催眠所诱导的痛苦感的增加或减少而相应显著提高或下降，但躯体感觉皮层区的激活程度却并未发生明显改变16。此研究就ACC在人类痛知觉中所具有的边缘系统机能特征提供了实验证据。    3.5   扣带皮层与随意运动    随意运动是有目的的行为动作，日常生活中拿取所需物件就是其行为模式之一。在要求人类被试用右手完成抓握(grasping)和指点(pointing)这两种简单动作过程中，PET研究显示，由皮层及皮层下多个结构所构成的神经网络的活动水平增高，被激活的皮层部位涉及对侧运动区、前运动区、腹侧辅助运动区(

18、supplementary moter area,SMA)、扣带皮层、上顶叶和背侧枕叶皮层17。另一PET研究表明，人的眼动、手动以及语言运动伴随ACC不同区域的激活18。对帕金森病人与正常被试的脑机能成像比较研究，从另一方面说明了扣带皮层参与随意运动的神经机能，在自由选择方向的动作任务中，PD病人较正常被试其ACC机能表现异常19。在较为复杂的序列动作任务操作中，PD患者比正常人其SMA前部和右侧DLPFC的机能活动较弱，而伴随其ACC激活程度较高，说明PD患者黑质纹状体皮层环路运动机能缺陷可由ACC等脑内结构的机能增强而有所代偿20。    自然情形下多数行为

19、的发生是由其导致的后果所决定的，个体可以根据对强化效果的预期而选择动作反应。日本学者Shima等人(1998)对猴子的神经生理学研究表明，扣带运动区(CMAs)的神经细胞兴奋活动与猴子根据奖赏强度而选择动作反应的过程相对应，说明这些细胞参与评估目前行为动作所带来的奖赏效果，以及改变动作选择以获得更满意奖赏的信息加工过程，此研究显示CMAs可能是基于奖赏效应的动作反应决策的关键机能部位21。    另一新近研究揭示了ACC对随意运动的错误侦察(error detection)机能。脑事件相关电位(ERP)研究记录到人类被试在错误动作反应发生后100-150ms产生的

20、一种负波，称错误相关负波(error-related negativity,ERN)，偶极子造型(dipole modeling)提示ERN的发生源可能位于ACC。进一步研究发现，ACC的机能表现在对任务操作中动作反应竞争情形敏感，当被试错误反应倾向与正确反应之间的冲突程度越强，则ACC的激活程度也越大，在此情形下产生错误反应可能性显然比较高，但ACC对操作表现的在线监视(online monitoring)并不局限于错误反应本身22。    4   结语    随着认知神经科学研究的兴起，越来越多的脑机

21、能扫描图像中扣带皮层令人瞩目的亮点正不断显示其生理心理机能的多样性，尤其是其参与多种认知行为的重要性已成为心理学和神经科学共同关注的研究前沿之一。大脑这一神经部位的机能何以如此复杂？其多种机能如何整合而对个体适应性行为(adaptive behaviors)作出贡献？如何评价其在认知过程中的机能角色？这些问题的分析仅靠脑机能成像学研究是不够的，还需要从神经环路和神经网络以及其它研究层次寻找证据来沟通行为与神经机能间的联系。    神经解剖学上扣带皮层被鉴定为大脑边缘系统的重要组成部分，其前部又属于额叶。该部位与大脑皮层以及皮层下众多神经部位形成紧密联系，其中尤其重

22、要的是与额叶、顶叶联络皮层、运动皮层、边缘系统其它机能结构（如杏仁、脑岛、旁海马皮层等）、纹状体、丘脑核团以及脑干运动反应机能区所构成的神经联系，比较明显地说明该部位是脑内不同机能神经网络的交汇节点，涉及边缘机能（情绪、动机、本能、内脏活动及内分泌等）、运动以及认知机能（感知觉、注意、记忆、言语以及高级智能活动）间的整合。值得思索的是，这样的整合对于不同神经网络的机能实现是否具有等级意义？    从迄今所积累的研究事实来看，扣带皮层前部(ACC)对于认知行为具有十分重要的机能意义。在选择注意、工作记忆、言语等研究中，ACC被揭示具有认知执行控制(executive

23、 control of cognition)作用，此机制可以使大脑信息加工资源根据现时任务要求而主动合理配置并被用于紧要处，从而保证各种认知操作得以成功进行。另一方面的研究又揭示ACC和CMAs对随意运动的调控作用，表现为压抑不适宜反应而易化适宜反应的执行。生态环境中的个体必须随时评价外界情境要求及机体内部状态，并据此作出适应性的行为反应。从扣带皮层接受来自边缘系统及感知觉系统信息输入、并向脑内运动控制系统输出信息的神经解剖生理学证据来看，它对于此种基于情绪与认知评价相互作用的高级智能行为决策过程至关重要。然而其神经计算机制是怎样的呢？今后将有大量研究去探索。有学者从另一角度理解扣带皮层的神经

24、机能，她指出个体社会反应的产生涉及一些特定脑区的机能活动，这些脑区一方面联结效应器系统，另一方面参与多种感觉信息的处理，涉及对他人意图(intentions)的知觉，扣带皮层正是符合这样机能条件的脑区之一23。【参考文献】    1   Vogt BA,Peters A.Form and distribution of neurons in rat cingulate cortex:Areas 32,24 and 29.Journal of Comparative Neurology,1981;195:603-625 

25、60;  2   Vogt BA,Finch DM.,Olson CR.Functional heterogeneity in cingulate cortex:The anterior executive and posterior evaluative regions.Cerebral Cortex,1992;2:435-443    3   Cobertta M,Miezin FM,Dobmeyer S et al.Selective and divided attention durin

26、g visual discrimination of color,shape and speed:Functional anatomy by positron emission tomography.Journal of Neuroscience,1991;11:2383-2402    4   Posner MI.Attention in cognitive neuroscience:An overview.In:Gazzaniga MS et al eds.The cognitive neuroscience.Cambridge,

27、Massachusetts:MIT press,1995:615-624    5   Carter CS,Mintun M,Nichols T et al.Anterior cingulate gyrus dysfunction and selective attention deficits in Schizophrenia:15OH,2O PET study during single-trial Stroop task performance.American Journal of Psychiatry,1997;154:16

28、70-1675    6   Nobre AC,Sebestyen GN,Gitelman DR et al.Functional localization of the system for visuospatial attention using positron emission tomography.Brain,1997;120(3):515-533    7   Goldman-Rakic PS.Topography of cognition:Parallel di

29、stributed networks in primate association cortex.Annual Review of Neuroscience,1988;11:137-156    8   Baddeley,A.Working memory.Science,1992;255:556-559    9   Klingberg T.Concurrent performance of two working memory tasks:Potential mechani

30、sms of interference.Cerebral Cortex,1998;8:593-601    10   Smith EE,Jonides J.Storage and executive processes in the frontal lobes.Science,1999;283:1657-1661    11   Grossman M,Crino P,Reivich M et al.Attention and sentence processing defic

31、its in Parkinson's disease:The role of anterior cingulate cortex.Cerebral Cortex,1992;2:513-525    12   Posner MI.Seeing the mind.Science,1993;262(29):673-674    13   Bushnell MC,Duncan GH,Hofbauer RK et al.Pain perception:Is there a ro

32、le for primary somatosensory cortex?Proceedings of National Academy of Science USA,1999;96:7705-7709    14   Davis KD,Taylor SJ,Crawley AP et al.Functional MRI of pain-and attention-related activations in the human cingulate cortex.The Journal of Neurophysiology,1997;77

33、(6):3370-3380    15   Lenz FA,Rios M,Zirh A et al.Painful stimuli evoke potentials recorded over the human anterior cingulate gyrus.The Journal of Neurophysiology,1998;79(4):2231-2234    16   Rainville P,Duncan GH,Price DD et al.Pain affect

34、 encoded in human anterior cingulate but not somatosensory cortex.Science,1997;277(15):968-971    17   Grafton ST,Fagg AH,Woods RP et al.Functional anatomy of pointing and grasping in humans.Cerebral Cortex,1996;6:226-237    18   Paus T,Petrides M,Evans AC et al.Role of the human anterior cingulate cortex in the control of oculomotor,