认知资源瓶颈下的自上而下与自下而上注意控制整合的神经机制

The brain constantly integrates bottom-up input information from the outside world and top-down control signals from our cognition. This integration process will fail if the cognitive resource is occupied. For example, calling while driving might sometimes cause a car accident. Therefore, it is very important to investigate the cognitive and neural mechanisms underlying the integration of top-down and bottom-up attention control under cognitive bottleneck for its theoretical and practical significance. By directly manipulating top-down attention control, bottom-up attention control (with two categories of task-irrelevant and task-irrelevant), and the amount of cognitive resources available, the current project will adopt behavioral experiments, functional magnetic resonance imaging (fMRI), and brain lesioned patient studies to answer three corresponding questions: (1) Whether the availability of cognitive resources impacts the integration of two types of bottom-up processing (task-irrelevant and task-relevant) and top-down processing; (2) if it does, what brain regions mediate this modulation process; (3) whether these brain regions are necessary and irreplaceable. This project will provide critical and novel evidence for the understanding of the basic principle of brain organization. It would also shed light on the understanding and treatment of clinical neuropsychiatric diseases.

我们的大脑无时无刻不在整合来自外界（自下而上）的输入信息及我们目标所导向（自上而下）的控制信号。在认知资源被占用的情况下，这种整合可能就会失败（例如驾车时打电话将增加车祸风险）。目前，对于在有限认知资源情况下的自上而下与自下而上注意控制整合的神经机制还不清楚。本项目将通过分别直接操纵自上而下、自下而上的注意控制（按与任务目标的相关性分为无关的和相关的两类）以及可利用的认知资源的多少，采用行为实验、功能磁共振成像以及特定区域脑损伤病人的研究方法来回答三个相应的科学问题：1）认知资源的可利用性是否影响这两类（任务无关、任务相关）自下而上加工与自上而下加工的整合；2）如果有影响，认知资源是通过哪些关键脑区来调节自上而下与自下而上加工整合的；3）这些关键脑区是否必要及不可替代。本项目将为深入了解大脑认知控制的功能组织原则提供关键的原创性证据，并为临床上理解和治疗神经精神类疾病提供有力的理论指导。

我们的大脑无时无刻不在整合来自外界（自下而上）的输入信息及我们目标所导向（自上而下）的控制信号。在认知资源被占用的情况下，这种整合可能就会失败（例如驾车时打电话将增加车祸风险）。目前，对于在有限认知资源情况下的自上而下与自下而上注意控制整合的神经机制还不清楚，本项目通过三个部分的研究对这个问题进行探讨。第一部分采用行为实验，通过分别直接操纵自上而下、自下而上的注意控制以及可利用的认知资源的多少，建立认知资源有限性调节自上而下与自下而上加工整合的有效行为学范式。结果发现，无论在静态场景还是动态场景下，当认知资源被占用而达到瓶颈时，自下而上加工与自上而下加工发生整合，而在认知资源没有被占用时，未发现这种整合效应。第二部分采用功能磁共振成像技术，考察认知资源被占用时，大脑的认知控制网络中的哪些脑区参与了功能整合过程。遗憾的是，行为结果上我们未能重复第一部分发现，而仅发现了认知资源的可利用性对自下而上加工的调节作用，与之对应的脑成像结果表明，认知资源的可利用性与自下而上加工的交互作用伴随着左侧中央盖区的显著负激活。第三部分采用特定区域脑损伤病人的研究方法，确定认知控制网络中的哪些脑区在功能整合中发挥了不可或缺的关键作用。考虑到第二部分的研究结果未达到预期，我们在第三部分研究中对实验范式进行了调整，采用Go/NoGo认知和情感整合范式，探讨认知控制网络中的前侧岛叶皮层、前侧扣带回皮层、杏仁核在认知和情感控制整合中的关键作用。结果发现，前侧岛叶皮层切除的患者在情绪控制和情感控制上表现出缺陷，而前侧扣带回皮层切除的患者仅在情绪控制上表现出缺陷。此外，从未来应用潜力的角度出发，我们增加了一个与项目相关的元分析研究，探讨认知控制训练能否提升认知能力。结果支持了认知控制训练的促进作用，并发现了年龄和训练类型的调节作用。本项目为深入了解大脑认知控制的功能组织原则提供了实证证据，为干预方案的开发提供指导。