摘要

非空间注意力是一种基本的认知机制，它使个体能够将意识的焦点从无关刺激转向与行为目标相关的感觉信息上。有人提出了一种关于注意力是由前额叶皮层中缓慢兴奋性波动的持续相位所调节的假设，但这一假设存在争议且尚未达成共识。在这里，本研究开发了一种行为和非侵入性刺激范式，旨在调节额下联合区的缓慢兴奋性波动。通过这种方法，本研究展示了可以通过调节大脑结构的兴奋性状态来控制非空间注意力。这些结果表明，非空间注意力依赖于前额叶持续的兴奋性状态，该状态可能由缓慢振荡动力学调节，从而控制目标导向行为。

前言

非空间注意力是一种基本的认知机制，它使个体能够将意识的焦点从无关刺激转向与行为目标相关的感觉信息上。非空间注意力通常分为基于特征的注意和基于目标的注意两种形式。前者关注单一特征(如运动方向、颜色或朝向)，而后者关注特征组合(如物体或场景)。人们一致认为，这一过程不是感官区域的固有特性，而是依赖于与前额叶结构的长程功能相互作用。大量研究表明，额下交界区(IFJ)是两种自上而下非空间注意控制信号的关键来源。相反，空间注意力已被证明是由背侧注意系统控制的，该系统涉及额叶眼区和后顶叶皮层。然而，自上而下调节非空间注意力控制的因果机制仍不清楚。

基于注意表现随时间波动的行为学观察，节律控制被认为是注意力调节的候选机制。支持该观点的一项研究显示，注意行为的时间动态与前额叶结构中进行性脑振荡活动的频谱特征非常相似。因此，有人假设相对缓慢和周期性的神经兴奋性波动可能塑造了注意力和显性行为。然而，这些研究中的许多结论都受到了质疑，因为这些结论表明，先前报道的注意行为的节律变化可能是分析方法的产物。此外，前额叶结构中的持续兴奋状态是否参与非空间注意的调节尚不清楚，而且节律控制在非空间注意中的作用也尚未得到确认。

在这里，本研究试图通过行为范式与非侵入性脑刺激技术来解决这些问题，该技术旨在以高时间精度调节人脑非空间注意力期间IFJ的兴奋性波动。需要强调的是，本研究并不考察内源性振荡波动的作用，而是研究由缓慢节律波动驱动的持续兴奋状态的因果关系。前额叶结构在非空间注意某些方面的因果作用在以往的经颅磁刺激研究中得到了证明。然而，经颅磁刺激仅引起神经功能的短暂变化，前额叶结构中兴奋性状态缓慢波动的自上而下控制作用尚未得到阐明。

非空间注意力的空间和动态表征

本研究设计了一个行为范式，主要目标是在非空间注意条件下诱导IFJ产生标记振荡，从而让我们能够实施闭环式的模拟协议来调节正在进行的IFJ兴奋性状态。参与者观看两个空间上重叠的感觉刺激：(1)一团圆点，其中一部分点在屏幕左侧或右侧连续移动，以及(2)室内或室外场景的图像。一系列刺激以正弦方式(1.43Hz)进入和退出“相位相干性”， 因此它们的可见度随时间而变化，而亮度和频谱功率保持不变(图1a)。在每个试次中，提示参与者注意其中一个感官特征。在每个刺激流结束时，要求参与者指出最后观察到的圆点主要是向左还是向右移动(运动提示)，或者最后观察到的场景是室内还是室外(场景提示)。最后一个刺激的感观证据水平是从四个预定义水平中随机选择的，这样我们可以逐次调节任务难度，其中感观证据越小，试次就越困难。首先使用功能磁共振成像(fMRI)(实验1)和高密度脑电图(EEG)(实验2)来研究和验证IFJ在非空间注意任务中的空间和动态参与。重要的是，本研究执行了一个“无注意”对照任务，其中包含与非空间注意任务相同的视觉输入，但是这些波动的感观信息流在行为上是不相关的。

图1.fMRI和EEG范式，实验1和2。

在实验1中，本研究发现在每种感觉模态下(峰值Zmotion=5.9、Zscene=6.1，P＜0.001，P＜0.05聚类校正；图1b)，双侧IFJ是注意任务中最活跃的脑区，并且两种感觉模态之间存在高度重叠(关联分析 Z＞2.6，P＜0.05聚类校正；图1b)。在MNI坐标(54，10，36)和(-42，2，30)处出现了注意＞无注意的峰值激活，这与文献中IFJ的位置很好地吻合。运动注意与场景注意的对比显示，在运动提示试次中，双侧中颞叶复合体表现出选择性地活跃。相反，海马旁区(PPA)在场景提示试次中更为活跃。当注意力集中在运动和场景时，大多数视觉皮层的活跃程度是相似的，这表明了额顶叶网络(主要涉及IFJ)自上而下控制的特异性。

接下来，本研究考察了IFJ是否与刺激可见性的节律标记相关，如果存在相关，这种关联在注意或无注意时是否更为显著。本研究计算了在1.43Hz处传感器数据和视觉刺激信号之间的无偏加权相位滞后指数(dWPLI)。这个指标反映了视觉刺激对脑电图的影响程度。首先，本研究比较了注意任务和无注意任务之间的这些数值，并发现了在注意任务中dWPLI值更高的电极簇(枕叶簇和额叶簇；图1e)(关于参与者时间序列的示例，请参见图1f)。然后，通过全脑分析在源水平计算dWPLI。在没有对比注意和无注意状态的情况下，发现大脑后部区域与视觉输入的频率同步，其中视觉区域的同步程度更高(图1g)。通过对比注意和无注意发现，左侧IFJ附近有一个显著的团簇(图1h，i)。虽然EEG源分析的空间精度不足，但EEG和fMRI团簇之间有显著的重叠。这个偏侧化的前额叶簇位于IFJ附近，这个簇很可能与IFJ有关，后续fMRI分析发现IFJ显然被激活了。为了估计注意任务期间IFJ感觉反应延迟，本研究提取了频率标记响应与屏幕上刺激之间的相对相位滞后。IFJ的平均相位滞后为157ms，相对于早期感觉区域偏移了60ms(图1j)；这可能与区域之间的突触延迟有关，与之前的研究大致相同。

此外，本研究考察了IFJ在自上而下注意控制方面的一些差异是否与任务中更强的眼动参与有关。眼动数据分析显示，运动、场景或无注意条件下的扫视次数和微扫视次数无显著差异；因此，眼动的差异不能解释大脑活动的差异。总的来说，IFJ参与了任务中的非空间注意，以及对每个相关特征的感觉区域的选择性。

IFJ自上而下注意的外源性控制

在确定了非空间注意中IFJ的节律性变化后，本研究提出的基本问题是，IFJ中外源性诱发的兴奋状态的缓慢波动是否与自上而下的控制有因果关系。本研究假设IFJ预测的高兴奋状态的上升期将促进对被提示感觉特征的知觉辨别表现。相反，高兴奋状态的下调期将阻碍行为表现(图2b)。为了验证这一假设，本研究采用经颅交流电刺激(tACS)技术，在双侧IFJ上使用环形电极配置tACS，以增加感应电场的焦点(图2a)。在刺激电极下涂抹5%的EMLA乳膏，以减少体感影响，增加刺激强度(高达4mA峰-峰值)，从而增加振荡性神经调节的机会。本研究以相同的感觉标记频率(1.43Hz)应用tACS，但是在每个试次中，感觉刺激的呈现方式与tACS波形精确同步的方式有两种。首先，阳极刺激中心电极的峰值(波峰)与高感觉兴奋性周期重合，由于阳极刺激被认为可以增加目标皮层结构的兴奋性状态，因此本研究预计这会改善注意力。其次，阴极刺激中心电极的峰值(波谷)与高感觉兴奋性周期重合，这可能会通过降低IFJ的皮层兴奋性状态而导致注意力障碍(图2b)。

图2.tACS在IFJ上的时间同步调节感知觉(实验3，n=37)。

在第一部分实验中，参与者对两种感觉提示中的一个(关注运动或场景，实验3a)接受同相tACS，并对另一个感觉提示接受反相tACS。在第二部分实验中，对每种感觉提示的刺激条件进行切换(实验3b)。首先，本研究考察了同相刺激是否相对于反相刺激改善了行为表现。与本研究假设一致，研究结果发现与反相刺激相比，同相刺激在提示运动时改善了感觉辨别表现(图2e)；然而，当提示场景时的效应不显著。本研究采用相同的多因素回归来研究刺激是否对干扰(非提示)的感觉特征产生影响。结果发现在任何任务中均未发现刺激的影响(图2e)。这表明，由本研究刺激方案诱发的持续IFJ波动仅影响对相关(提示)感觉特征的注意。

IFJ自上而下调节的动态演化

之前的分析是在刺激期间进行的，但不能解释这些效应是否仅在刺激期间出现，它们如何随时间演变，以及与无刺激期间相比如何。为此，本研究分析了同相与反相刺激效应的时间演变。当提示运动时，本研究发现刺激引起的注意调节效应仅在刺激启动期间出现，并在刺激关闭后立即消失(P＜0.05；图2g)，而当提示场景时的效应不显著。虽然这些分析揭示了效应的稳健性，但这些结果并不能得出刺激诱导的调节是由同相刺激、反相刺激或两者驱动的结论。为此，本研究分析了相对于无刺激的基线期，单次刺激期间刺激效应的演变。研究结果发现，当提示运动时，反相刺激显著阻碍了辨别表现，但这种效应在同相刺激期间不显著，而且这些效应在刺激关闭后立即消失(图2h)。同样，这些效应在干扰特征上并不存在。通过将IFJ中高兴奋状态周期与电场对齐可以调节非空间注意行为，并且这些效应对于运动感知具有稳健性。

非空间注意力的非侵入性相位依赖控制

接下来，本研究探讨了刺激引起的注意调节是否必须通过将IFJ的感知标记与节奏性感觉操作相结合。本研究认为，实验3中场景效应较弱的原因可能是由于场景刺激具有多维性和非局部特性。换句话说，由于场景识别的激活区域较大(图1b)，如果在呈现更复杂的感觉刺激时，被试对感觉标记的皮层反应存在一定程度的变异性，那么可能更难找到刺激的最佳时机。为了研究这些问题，本研究执行了实验4，其中每个试次呈现一个进入和退出相干的单一刺激(如图3a)。实验4的另一个特点是，不仅进行了同相或反相刺激(如实验3)，而且还在与感觉刺激呈现相对应的六个不同延迟时间应用tACS(图3a)。这使我们能够研究非空间注意调节是否会随着tACS诱导电场的相位而波动。研究结果发现，tACS信号的进行相位在运动提示时会引发行为表现的显著调节(图3c、d)。尽管总体效应较小，但在场景提示时结果仍然显著。此外，贝叶斯因子分析显示，在运动试次中，BF10＞100，在场景试次中，BF10=41，这表明拒绝零假设的证据非常强。该实验结果表明：首先，连续的节律性感觉刺激并不是诱导IFJ兴奋性调节所必需的；其次，非空间注意力与IFJ的兴奋性状态相关，可以根据外源性电场进行调节。

图3.IFJ tACS对非空间注意力的相位依赖性影响(实验4和5)。

tACS诱导效应与外周神经刺激无关

实验5用来检验实验4中观察到的tACS对非空间注意力的影响是否特定于IFJ；不是由于经皮外周神经刺激造成；与电场可能到达感觉区域的潜在边际影响无关。本研究确定(基于本研究的神经成像数据实验)并刺激了一个不同于IFJ的大脑结构，该结构原则上与非空间注意力无关。选择作为对照靶点的皮层区域是顶点(10-20 EEG坐标系统的Cz位置，该结构通常在研究高级认知功能的非侵入性脑刺激研究中用作控制点；图3e)。所有其他实验参数与实验4相同。首先，本研究证实了在这种主动控制条件下，电场对IFJ、PPA和V5的影响不大(感兴趣区域的所有体素＜0.1V/m)。其次，运动或场景的tACS诱导电场相位变化对行为表现没有显著的调节作用。因此，该实验表明在实验4中观察到的tACS对非空间注意的调节作用确实与IFJ的刺激有关。

结论

本研究方法以及增强非空间注意力的可能性对与自上而下控制失调相关的疾病有重要意义。例如，饮食行为障碍与前额叶自上而下控制奖赏加工的大脑结构减少有关。无法减少与创伤经历相关的恐惧似乎源于对侵入性记忆的无效抑制，这是由于前额叶对海马的自上而下控制不足所致。然而，在这些例子中，大脑与行为的关系仅仅是相关的，并且这些功能是否依赖于自上而下的控制仍然是未知的。虽然我们在研究中观察到的效果似乎只在刺激期间有效，但最近的研究表明，重复应用tACS可以产生持久的益处。总的来说，有选择性地调节自上而下的控制为理解高级认知中的注意机制和开发与自上而下控制失调相关疾病的靶向疗法创造了机会。

参考文献：Brus, J., Heng, J.A., Beliaeva, V. et al. Causal phase-dependent control of non-spatial attention in human prefrontal cortex. Nat Hum Behav (2024). https://doi.org/10.1038/s41562-024-01820-z

小伙伴们关注茗创科技，将第一时间收到精彩内容推送哦～