郝宁教授课题组在 Brain Structure and Function 发表研究成果

时间:2021-08-04浏览:10设置

大脑皮下结构和视觉发散性思维:一项静息态fMRI分析


创造性思维包括一系列复杂的认知过程,涉及到诸多脑区和多个大脑网络的协作。近年来许多研究者将创造性思维和多巴胺耦合的脑区联系起来,认为创造性的相关特征(如外倾性和经验开放性)是由多巴胺耦合脑区的神经活动产生的,多巴胺受体水平越高,认知灵活性越强,个体便会有更好的创造性表现。

与多巴胺紧密相关联的脑区集中在大脑的皮下区域。已有为数不多的研究发现,尾状核和中脑的灰质体积增加与发散性思维表现显著相关;壳核和伏隔核可能参与了顿悟过程,这对创造性问题解决至关重要。上述研究提示了皮下脑区可能在创造性思维中发挥重要作用,但这些研究尚不充分。本研究聚焦于探索皮下脑区在视觉发散性思维(创造性思维的重要过程之一)中的可能作用,试图回答以下科学问题:不同的皮下通路(如前额叶-纹状体通路或“运动”通路)是否均与视觉发散思维紧密相关?不同水平个体的皮下–大脑皮层功能连接是否存在显著差异?如果存在差异,那么高水平组是否具有更优化的皮下网络?本研究的主要目的是,确定有助于视觉发散性思维的皮下脑区以及特异性的大脑皮层-皮下功能连接模式。

本研究根据视觉发散性思维测试分数选择了高水平组(HCG, n = 22)和低水平组(LCG, n = 22)受试者,收集了其静息态fMRIr-fMRI)数据。之后根据r-fMRI数据计算了动态功能连接矩阵、全脑网络的拓扑属性和皮下脑区(见图1)的拓扑参数,基于动态功能连接和图论分析探讨了皮下区域与视觉发散性思维之间的关系。



1.  皮下脑区分区


结果发现,双侧壳核、右侧苍白球与双侧壳核、左侧丘脑与右侧壳核/苍白球之间的功能连接显示出显著的组间差异。动态功能连接变异性的结果发现,HCGLCG在壳核、丘脑、苍白球、杏仁核和海马之间存在显著差异,且HCG的皮下网络变异性指标更小,说明HCG的皮下网络稳定性更高(见图2)。 图论结果也发现,HCGLCG的皮下网络的信息传递效率更高(见图3),这表明高水平组的皮下网络比低水平组的网络效率更优化。


2. 高水平组(HCG)与低水平组(LCG)的A. 功能连接;B.平均动态功能连接;C. 动态功能连接变异性 的差异比较结果。



3. A. 高低水平组的皮下网络全局参数差异比较结果;B. 高低水平组的皮下网络全局参数的变异性的差异比较结果。* p < 0.05


皮下-大脑皮层的功能连接结果显示,皮下脑区(左侧丘脑和右侧苍白球)和大脑皮层(脑岛,额中回和颞中回)之间的功能连接存在显著的组间差异(见图4)。另外,双侧壳核、右侧苍白球和双侧壳核之间以及左丘脑/右侧壳核和右侧苍白球之间的功能连接强度与视觉发散性思维分数(TTCT-F)呈显著正相关,TTCT-F分数与左侧壳核的节点度也呈显著正相关。


4. 皮下脑区-大脑皮层的功能连接的两组比较结果


先前研究已经将多巴胺系统与创造性表现联系起来,多巴胺的释放被认为有利于认知灵活性,壳核(背外侧纹状体)参与了多巴胺的调节,有助于行为抑制,而行为抑制减弱的个体更有可能表现出个体的创造潜力。此外,创造性加工需要持久性,创造性思维的持久性与前额叶–纹状体通路(与PFCVTA和尾状核相关的中皮层环路)的激活有关虽然本研究发现壳核表现出显著的组间差异,但也发现了黑质纹状体通路(“运动”通路)上的脑岛(感觉运动皮层)和丘脑之间的功能连接存在显著的组间差异。因此,创造性思维可能也与“运动”通路(黑质纹状体通路)的调节有关。感觉运动皮层与创造性视觉空间活动相关,感觉运动皮层在视觉发散性思维的规划、运动执行和目标导向行为中起着重要的作用。另外,运动通路之间的差异也可能是其他神经递质的结果,如去甲肾上腺素和催产素。去甲肾上腺素被认为通过促进工作记忆中突出信息的稳定和注意力转移来平衡对问题的探索过程,并保持创造性思维的持久性,催产素则促进发散思维的灵活性,对创造性思维至关重要。高低水平组在杏仁核和海马体之间的差异也可能是由杏仁核海马体通路中皮质醇的反应和恐惧信号的减少引起的。这一发现提供了一种可能性,即在促进创造性思维的过程中,不仅是单一的神经递质(如多巴胺)起作用,还可能存在额外的神经递质(如去甲肾上腺素和催产素)的作用。

本研究的新意在于:其一,使用静态/动态功能连接和图论的方法探讨了视觉发散性思维高低水平个体的大脑皮下脑区的差异,发现除了前额叶–纹状体通路的脑区外,“运动”回路的相关脑区也呈现出显著的组间差异。其二,研究发现高低水平个体在杏仁核–海马通路存在显著的差异,这提示除了多巴胺可能还存在其他神经递质有助于个体的创造性思维。上述结果丰富了之前相关的发现,为进一步探索皮下脑区和创造性思维的关系提供了新的思路。

该研究已在线发表在国际知名学术期刊Brain Structure and Function上。华东师范大学心理与认知科学学院博士生高桢妮和北京师范大学珠海校区刘晓瑾为共同第一作者,华南师范大学张得龙教授和刘鸣教授参与研究,通讯作者为华东师范大学心理与认知科学学院郝宁教授。


论文信息:

Gao, Z., Liu, X., Zhang, D., Liu, M., & Hao, N.* (2021). Subcortical structures and visual divergent thinking: A resting-state functional MRI analysis. Brain Structure and Function. Online publication. doi:10.1007/s00429-021-02355-z.


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