经验调节认知控制的神经机制：基于大脑连通性的研究

Cognitive control refers to how the brain controls cognitive processes, especially when there is conflict in cognitive processing (e.g., at the perceptual or response selection level). The brain can execute the control processes via allocating attentional resources on task-relevant information and suppressing the influences of task-irrelevant information. Further experimental psychological studies have revealed that cognitive control function can be modulated by experience. However, the underlying neural mechanisms still remain unknown. In this project, we plan to employ learned stimulus-response associations to modulate cognitive control function. We hypothesize, based on our previous studies and the summary of literature, that the experience modulated cognitive control function relates to alternation in interactions between brain regions involved in a task. To test this hypothesis, functional magnetic resonance imaging and dynamic causal modelling will be used to estimate changes in effective connectivity between brain areas. The method of computational model will also be used to investigate the cognitive and neural mechanisms underlying learned stimulus-response associations modulated cognitive control function. The results of this project will provide neural and cognitive models on the plasticity of cognitive function for future studies.

认知控制指的是大脑如何控制认知加工过程，特别是当不同的信息在加工过程中会产生冲突时（例如在知觉加工或反应选择阶段），大脑会通过将注意集中在任务相关信息上同时排除任务无关信息的干扰来解决认知加工过程中产生的冲突。一系列的实验心理学研究（采用Simon effect这一范式）已经表明大脑认知控制的功能是可以受到经验调节的，但是与之相对应的神经机制还是未知的。在本研究中，我们将会采用习得的刺激-反应联结规则去调节认知控制功能。我们在前期研究工作和总结文献的基础上提出基本假设：经验对认知控制功能的调节与任务相关脑区之间交互作用的改变有关。我们计划采用功能核磁共振成像与动态因果模型去考察脑区间有效连接强度的变化去检验这一假设，并结合计算模型去研究习得的刺激-反应联结规则调节认知控制功能的神经机制。这个项目的研究结果将会为今后的认知功能可塑性研究提供神经与认知模型。

认知控制研究多关注大脑如何探测到控制的需求以及如何实施控制。例如冲突监控模型及其扩展将反应冲突做为需求控制的信号，并通过增强自上而下的注意到刺激的任务相关维度来实施控制以解决冲突。这一模型不但可以解释行为反应时中冲突效应的动态变化（例如冲突适应效应与比例一致性效应），也可以解释脑成像的数据（例如前扣带回负责探测冲突并告知背外侧前额叶来实施控制）。但是冲突监控模型所不能解释的是冲突效应的反转，也就是说反应时在不一致条件下比一致条件下更快。增强认知控制可以削弱不一致条件下无关信息的干扰以减小冲突效应，但是并不能将无关信息的干扰转化为促进效应从而反转冲突效应。反转Simon效应在实验研究中是稳定存在的，这说明认知控制的理论需要发展去解释这些现象。.基于三种反转Simon效应实验范式：1）Hedge与Marsh任务；2）比例一致性效应；3）不一致刺激-反应空间联结练习，我们采用行为实验、功能核磁共振（fMRI）与脑电（EEG）技术研究了反转Simon效应的认知与神经机制。研究的主要结果显示范式1与2中的行为上的反转Simon效应都伴随着神经活动上（fMRI：上顶叶、背侧前运动皮层、前扣带回与背外侧前额叶；EEG：N2成分与theta频段能量）的反转Simon效应。实验结果说明这两种反转Simon效应具有相似的认知与神经加工机制：1）刺激反应联结的改变是引起反转Simon效应的必要条件；2）刺激反应联结的改变可能表征在背侧额顶脑区；3）前扣带回与背外侧前额叶监控新习得的刺激反应联结引起的冲突。与前两种范式的结果不同，范式3中的反转Simon效应伴随着前扣带回活动的下降，但是前扣带回与额极之间的连通性增强了。虽然刺激反应联结的改变也是造成范式3中反转Simon效应的主要因素，但是这种改变可能更多是在一种抽象的层次上，表征在大脑的额极。这些研究结果为发展认知控制的理论模型提供了实验证据。