研究速递：急性压力促进脑网络整合，降低状态转换的可变性

导语

现代社会中压力普遍是存在的，尤其是面对急性压力，大脑往往需要重新配置其网络结构和功能以更好的应对。最近一项研究发现，急性压力会使大脑网络进入一种更为整合、更少分离的状态，还通过减少分离和整合之间动态转换的可变性来变得更为稳定。

研究领域：脑科学，神经网络

王薏潮 | 作者

王荣 | 审校

邓一雪 | 编辑

论文题目：

Acute stress promotes brain network integration and reduces state transition variability

论文链接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2204144119

摘要

尽管压力在日常生活中普遍存在，但大脑如何重新配置其多层次的功能组织以应对急性压力仍不清楚。该研究利用全脑静息状态功能磁共振成像（fMRI）研究了急性压力后大脑网络的变化，结合最近提出的嵌入式谱划分（Nested-spectral partition，NSP）方法量化网络分离和整合之间的功能平衡。研究发现，急性压力会使大脑进入更为整合、更少分离的状态，尤其体现在额叶-颞叶区域；还通过减少分离和整合状态之间动态切换的可变性来使得大脑网络变的更为稳定。分离和整合状态切换频率与皮质醇浓度变化相关，切换可变性与认知控制行为相关。这一研究结果表明，为有效应对急性压力，大脑网络往往更为整合，状态变化也更少。

背景

急性压力深刻地影响着我们的行为反应和大脑功能。功能性分离（即系统中相对独立的信息处理过程）和整合（即不同系统之间的全局协作）是大脑网络的两个基本特征。在无压力条件下，健康年轻人的静息大脑接近分离和整合之间的平衡，并且在临界状态附近运行，以支持网络状态之间的转迁。在压力情况下，压力神经调节剂——如皮质醇和去甲肾上腺素，可能与神经回路相互作用，重新配置大脑功能组织。尽管基于单层次模块划分方法，一些研究已经确定了急性压力对功能连接的影响，但大脑如何重新配置其多层次的功能组织以应对急性压力仍不清楚。

香港浸会大学周昌松教授等近期在PNAS发表文章，其团队利用全脑静息状态功能磁共振成像（fMRI）研究了急性压力后大脑网络的变化，结合嵌入式谱划分（Nested-spectral partition）NSP方法量化网络分离和整合之间的功能平衡。研究发现，急性压力会使大脑进入一种更为整合、更少分离的状态，同时，压力还通过减少分离和整合状态之间动态切换的可变性来稳定大脑状态。

主要方法

这项研究采用被试内设计，30名参与者于压力（特里尔社会压力测试（TSST））和非压力条件下接受全脑静息状态功能磁共振成像（fMRI）扫描，在不同的实验时间点收集皮质醇浓度（图1A），并测量停止信号反应时间（SSRT）作为认知指标。

图1. 静态网络特征:（A）不同实验时间点的皮质醇反应（T1至∼T6），皮质醇差异（T4到T5），以及应激和对照条件下的SSRT。（B）压力和对照条件下的分离和整合平衡指标的分布。（C）主成分分析方法（PCA）预测皮质醇的变化。（D）发生显著变化的脑区。（E）由八个区域组成的子网络，节点大小表示区域度的变化。在这八个区域形成的子网络中，有七个区域在压力下的连接水平显著提高，包括左侧躯体运动皮层、双侧岛叶和左侧颞叶区域。经典连接性分析未检测到这些改变，这体现了NSP方法的有效性。

图2. 网络动态转换：（A）分离和整合状态之间的动态转换。（B）分离整合状态切换频率显著增加的脑区。（C）切换频率差异分布。（D）切换频率和皮质醇浓度的变化。（E）状态切换可变性显著降低的区域。（F）状态切换可变性差异的分布。（G）切换可变性预测急性压力下的SSRT（主成分分析（PCA）法）。

对静态网络和网络动态的分析都表明，急性压力会促进额叶-颞叶区域的整合。在这种状态下，压力可能促使大脑协调其他回路之间的活动，并整合额叶-颞叶区域之间的信息交流。压力会减少大脑在分离-整合状态之间动态切换的范围，以使功能组织维持在较少分离、较高整合的状态，同时仍然允许相对较高的分离-整合状态切换频率。

结论和讨论

这项研究在将大脑结构与非典型精神状态联系起来的方面上迈出了重要一步。结论表明，一个更为整合、状态转换更少的大脑网络可能有助于协调应对压力挑战的适应性反应。

这些被揭示出的网络特征可能有助于对压力相关疾病的临床诊断，从而实施药物和行为干预。未来的药理学功能磁共振成像研究可能会进一步研究激素变化与增强的压力相关网络整合之间的因果关系。

神经动力学模型读书会

随着电生理学、网络建模、机器学习、统计物理、类脑计算等多种技术方法的发展，我们对大脑神经元相互作用机理与连接机制，对意识、语言、情绪、记忆、社交等功能的认识逐渐深入，大脑复杂系统的谜底正在被揭开。为了促进神经科学、系统科学、计算机科学等领域研究者的交流合作，我们发起了【神经动力学模型读书会】。

集智俱乐部读书会是面向广大科研工作者的系列论文研读活动，其目的是共同深入学习探讨某个科学议题，激发科研灵感，促进科研合作。【神经动力学模型读书会】由集智俱乐部和天桥脑科学研究院联合发起，已于3月19日开始，每周六下午14:00-16:00（或每周五晚上19:00-21:00，根据实际情况调整）进行，预计持续10-12周。期间将围绕神经网络多尺度建模及其在脑疾病、脑认知方面的应用进行研讨。