Nature Neurosci：大样本研究！历史10年，研究1.2万名青春期前儿童的基线脑功能
纵向青少年大脑认知发育研究 （longitudinal ABCD study）是一种通过评估影响青少年神经发育的不同因素来研究青少年发展轨迹的研究方法。由于大部分人类神经影像学文献都集中在成人的大脑功能上，因此对儿童尤其是青春期前儿童的大脑功能知之甚少。
研究发现10至20岁的神经发育与显著的大脑、认知和情绪成熟以及许多普遍的心理健康障碍的出现有关。因此，科学家们致力于进一步理解包括认知控制、奖励、工作记忆和社会/情感功能在内的影响心理和身体健康发展的风险因素的病因学和神经生物学。
过去的研究表明，用于评估认知控制的抑制性任务会引起背侧前扣带回 (dACC)、下额回 (IFG)、背外侧前额叶皮层(dlPFC)和脑岛的激活。功能磁共振成像（fMRI）和脑电图(EEG)的研究进一步揭露了不同大脑区域的不同激活模式，所以关于dlPFC和IFG的激活是否随着年龄的增长和抑制控制的改善而增加还有待证实。
此外，工作记忆的功能性神经影像学研究也表明成人和儿童在神经反应方面不仅存在很大的一致性而且存在一些显著的差异。总体而言，儿童和成人的激活模式在性质上相似，但由于研究样本数量不足，研究之间存在一些不一致性。
事实上，由于样本量小导致的心理和临床神经影像学研究的可重复性偏低是该领域目前的一个关键问题。
在这篇近期发表于《自然神经科学》的纵向研究中，科学家们在历时10年间招收了近12000名9岁至10岁的青少年，并利用fMRI记录了受试者在认知冲动控制、奖赏处理和工作记忆三种不同任务时的大脑活动，从而追踪神经发育的过程和比对了不同个体在完成不同任务时大脑活动模式的差异。
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在研究中, 科学家们利用皮层和皮层下的功能磁共振成像分析，分别通过SST、EN-back任务和MID任务（图1）评估了反应抑制、工作记忆和奖励处理。
科学家们主要专注于：
(1) 前期对青少年样本的研究所预测的大脑活动的模式和幅度；
(2) 激活模式的再现性，包括对作为样本大小函数的组级再现性的评估；
(3) 在反应抑制和工作记忆期间，激活幅度与任务能力个体差异之间的关系。
该研究假设这三个fMRI任务和前期研究将展示一致的激活模式，包括与运动反应抑制相关的皮质纹状体激活 、额顶叶激活与工作记忆表现相关和与奖励过程相关的多巴胺能丰富的皮层下区域。
此外，科学家们提出可重复的组级激活图可能因任务而异（在块设计主要 EN-back 对比中最大），并且可能需要比典型神经成像研究中包含的更多参与者来重现效果。
图1.ABCD研究中fMRI任务设计
a - c, SST (a)、EN-back任务(b)和MID任务(c)的原理图。ISI：刺激间间隔；ITI：实验间隔；RT：反应时间;；SS：停止信号；SSD：停止信号延迟；SSRT：停止信号反应时间。
研究结果表明，如图2所示，STT在抑制反应电路的关键节点被激活，如IFG、dACC、前SMA以及皮质下的壳核和尾状核区域。在左中央后躯体感觉运动皮层和DMN中心（包括楔前叶和 vmPFC）中观察到失活。
图2.皮层和皮层下水平SSt激活图、表现相关图和组水平空间一致性。
海表温度的激活图(a,b)、相关图(c,d)和再现性数据(e)显示。科恩的d图的阈值≥0.2量级，仅显示小型、中型和大型效应规模。对相关图不应用阈值；N = 5547。
如图3所示，EN-back任务的0-back与固定对比和2-back与固定对比在双侧区域产生广泛的强大激活，包括部分额上回、中回和下回、顶叶下小叶、dACC/ SMA、中央前回和枕极。
在一些双侧区域也观察到大量的失活，包括中央前回和中央后回、顶上小叶、舌回、楔前叶/PCC、吻侧ACC/vmPFC和后岛叶。
图3. EN-back任务工作记忆激活图谱、表现相关图谱和皮层和皮层下组水平空间一致性。
EN-back任务的工作记忆激活图(a,b)，相关图(c,d)和再现性数据(e)。科恩的d图的阈值≥0.2量级，仅显示小型、中型和大型效应规模。对相关图不应用阈值;N = 6009。
如图4所示，对MID任务中可能的胜利和失败的预期在ACC、中央前回、顶下小叶、额枕回以及双侧前脑岛(AI)和广泛的皮层下区域产生了基本相似的激活模式。
反馈对比显示，消极结果(未能赢得奖励和未能避免损失)会在AI以及颞顶叶区域产生强大的活动。
图4. 皮层和皮层下MiD任务激活图和组水平空间一致性。
显示了MID任务的激活映射(a,b)和再现性数据(c)。科恩的d图的阈值≥0.2量级，仅显示小、中、大效应规模；N = 6657。
总之，该研究观察到的任务激活模式与现有的青少年和成人文献一致。结果表明，在SST、EN-back和MID任务中，主要兴趣对比的群体激活模式具有高度一致性，突出了兴趣在反应抑制、工作记忆和奖励加工中的强大过程。
在EN-back任务中观察到最高的空间再现性，特别是在工作记忆和面孔与地点的对比中;这可能反映了它所参与的认知过程的健壮性以及任务设计的特点。
目前的研究结果表明，在抑制控制、工作记忆和奖励加工任务中，fMRI激活模式是稳健的。他们建立了一个特征良好的基线，以此来跟踪ABCD研究中的儿童整个青春期的发展。
总的来说，该研究中观察到的任务激活模式与之前的研究一致，并强调了ABCD研究作为追踪青春期和成年早期大脑功能变化的科学资源的价值。除了能够对个体间和群体间的差异进行横断面分析外，这些激活模式为检查未来发展和行为的基线预测提供了可能，并为量化大脑功能的变化提供了机会。
1. Silverman, M. H., Jedd, K. & Luciana, M. Neural networks involved in adolescent reward processing: an activation likelihood estimation meta-analysis of functional neuroimaging studies. Neuroimage 122, 427–439 (2015).
2. Hung, Y., Gaillard, S. L., Yarmak, P. & Arsalidou, M. Dissociations of cognitive inhibition, response inhibition, and emotional interference: voxelwise ALE meta-analyses of fMRI studies. Hum. Brain Mapp. 39, 4065–4082 (2018).
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编译作者：Itsclaire(brainnews创作团队)
校审：Simon（brainnews编辑部）