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Nature Communications:多巴胺调节工作记忆期间的脑网络动态,且在精神分裂症患者中减弱

更新时间:2021-06-11 06:03:10 点击:目前没有统计

工作记忆是执行认知的重要组成部分,依赖于前额叶神经元,其功能通过多巴胺D1和D2受体激活来调节。前额叶多巴胺功能的双状态理论将多巴胺受体的不同激活与两个离散的动态机制联系起来:一个是具有高能量屏障的D1 -主导状态具有高能量势垒,有利于认知表征的稳健维护;另一个由d2主导的状态,具有平坦的能量格局,能够在状态之间灵活切换。

最近的报道将多巴胺对工作记忆的影响从局部前额叶扩展到全脑网络的观点,强调了多巴胺在调节纹状体和前额叶回路之间复杂的相互作用中的双重作用,这对平衡稳定性-灵活性的权衡至关重要。事实上,有几项研究支持这样的观点,即前额-顶叶区域的多巴胺行为有助于维持大脑皮层表征,以及不同表征之间的灵活切换。值得注意的是,大量证据进一步表明后一过程还涉及到纹状体-皮质的相互作用,这表明纹状体对皮质记忆表征具有门控功能。这些报告强调了广泛的神经回路的作用,以及多巴胺对工作记忆的调节。动态的脑状态转换对柔性工作记忆至关重要,但其网络机制尚未完全了解。

最近,在Nature Communications杂志发表的一篇论文发现多巴胺信号在工作记忆过程中指导全脑网络动态,并将这些过程与精神分裂症病理生理学联系起来。

研究流程

利用网络控制理论评估大脑动力学的方法。使用多模态图谱,将其应用于扩散张量成像以获得结构连接体,并应用于功能性磁共振成像以获得0-back和2-back工作记忆任务的激活模式。最后,利用网络控制理论来解释基于底层结构连接体的0-back和2-back状态之间的转换。这里,x0表示系统的初始状态,xf表示理想的最终状态,x (t)是系统的状态在时间t,是底层网络的接线图,B表示输入矩阵定义控制节点,和u (t)是按时间的控制信号。

工作记忆过程中大脑动态的可控性与稳定性。a反映工作记忆活动的2-back状态的稳定性低于反映运动和基本注意控制活动的0-back状态(F(1173) = 66.80, p<0.001)。红线表示平均值,方框表示平均值的一个标准差。b 2-back稳定性与工作记忆性能的关联(准确性:b = 0.274, p = 0.006;年龄、性别和平均活动同时变化)。c从控制条件转向工作记忆条件(0-2)需要更多的控制能量(F(1174) = 27.98, p < 0.001)。d从0-back过渡到2-back和从2-back过渡到0-back的独特和共同的大脑区域集。为了说明和探索的目的,在3D结构模板上投影了每个大脑区域对各自过渡的计算控制影响,显示了每个过渡的控制影响最高20%的区域。黑线表示平均值,黑箱表示1个标准差,灯箱表示1.96 SEM,星号表示p< 0.05显著性。

该研究通过结合功能性磁共振成像、药理功能磁共振成像、遗传分析和网络控制理论,证明了工作记忆表现需要在活动状态之间的全脑切换。状态的稳定性与多巴胺D1受体基因的表达有关,状态的转变受D2受体表达和药理调节的影响。精神分裂症患者表现出网络控制属性的改变,包括更多样化的能量景观和工作记忆表征的稳定性下降。

多巴胺受体表达和药理调节影响全脑动力学。

工作记忆是一种核心的认知功能,它包括维持、更新和操纵认知表征的能力,以成功地完成正在进行的任务。这些过程的潜在神经底物严重依赖于不同的整体神经活动模式的协调重构和持久性,这些活动模式是由多巴胺信号传递的不同行为调节的。该研究提供的证据表明,网路控制理论可以有效地评估工作记忆期间整体大脑激活模式的稳定性和切换,为大脑控制潜在结构连接体上活动模式的展开提供了一个假定的机制。该研究根据多巴胺双状态理论进一步证明了这些过程是由多巴胺信号调节的,并且它们在精神分裂症中被当前的病理生理网络假说所预期的改变。

综上所述,该研究证明了网络控制理论在非侵入性研究(改变)大脑状态及其在认知过程中的转换的机制基础上的效用。工作记忆的参与涉及全脑活动状态之间的切换,这些网络动态的操纵受到多巴胺D1-和D2受体功能的不同但合作的影响。多巴胺信号在工作记忆过程中指导全脑网络动态,并将这些过程与精神分裂症病理生理学联系起来。

原文出处

Braun, U., Harneit, A., Pergola, G. et al. Brain network dynamics during working memory are modulated by dopamine and diminished in schizophrenia. Nat Commun 12, 3478 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23694-9 

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