心理所開發(fā)出Think-Aloud fMRI研究范式并刻畫靜息態(tài)自發(fā)思維的大腦表征模式
軍工資源網(wǎng) 2022年12月06日靜息態(tài)功能磁共振成像(Resting-State fMRI)因設(shè)計簡單、便于積累大數(shù)據(jù)、臨床易實施等優(yōu)勢而成為主流腦影像研究手段。采用靜息態(tài)方法的研究取得了豐碩成果,但靜息態(tài)fMRI的可靠性常受到質(zhì)疑。在導(dǎo)致可靠性降低的諸多因素中,靜息態(tài)下無約束的心理活動變異可能起到關(guān)鍵作用。
“靜息態(tài)”磁共振數(shù)據(jù)完全來自“靜止”的大腦?已有研究表明,雖然靜息態(tài)掃描過程不涉及外部驅(qū)動的認知加工,但個體在該過程中仍會有意識地產(chǎn)生許多持續(xù)的內(nèi)源性的認知加工(自發(fā)思維)。盡管構(gòu)成個體休息期間持續(xù)體驗的認知、感知和運動過程豐富多樣,但研究較少承認這些貢獻,而是使用單一的術(shù)語如“內(nèi)在”(intrinsic)或“自發(fā)”(spontaneous)來描述在靜息態(tài)fMRI期間觀察到的所有神經(jīng)活動。然而,將這部分內(nèi)源性持續(xù)的認知加工所引發(fā)的腦活動簡單地歸為人腦的內(nèi)在活動不利于靜息態(tài)腦成像研究的發(fā)展。對于群體間比較研究,如果組間存在自發(fā)思維傾向差異,那么他們的靜息態(tài)自發(fā)思維可能存在組間系統(tǒng)差異,進而體現(xiàn)在靜息態(tài)的神經(jīng)活動模式上。較多類型的精神疾病均與自發(fā)思維的異常有聯(lián)系,例如,抑郁癥患者自發(fā)思維出現(xiàn)的頻率顯著高于正常個體。他們的自發(fā)思維內(nèi)容多是負性的、指向過去的。因此,對于常見的精神疾病與健康人的對比研究,靜息態(tài)自發(fā)思維的系統(tǒng)差異會影響靜息態(tài)方法的效度。
中國科學(xué)院心理研究所行為科學(xué)重點實驗室嚴超贛研究組開發(fā)了出聲思維功能磁共振成像(Think-Aloud fMRI)新范式,采用出聲思維法收集了101名被試在磁共振中實時的思維流(質(zhì)控后最終分析樣本為86人)。與經(jīng)典的靜息態(tài)fMRI不同的是,被試睜眼注視屏幕上的“+”注視點之外,當發(fā)現(xiàn)腦中出現(xiàn)想法/畫面時需要當即匯報出來。研究檢測了think-aloud fMRI探究持續(xù)思維流的可行性,包括闡明自發(fā)言語報告時大腦的激活模式以及思想內(nèi)容是否與大腦活動相關(guān)。研究融合自然語言處理(natural language processing,NLP),使用表征相似性分析 (Representational similarity analysis,RSA)刻畫了靜息態(tài)下思維流的大腦表征模式(圖1),即將錄音轉(zhuǎn)錄為文本,并按照時間性和話題相似性對思維內(nèi)容轉(zhuǎn)換進行標注和切分,進一步使用NLP將每個思維片段量化為768維固定長度的向量,以構(gòu)建語義特征表征差異性矩陣(representational dissimilarity matrix,RDM)。研究計算每個思維片段對應(yīng)的平均BOLD(blood oxygenation level-dependent)值以構(gòu)建神經(jīng)水平的RDM。研究使用RSA在三個全腦神經(jīng)水平上探索了靜息態(tài)思維流的大腦表征模式——體素水平(全腦探照燈分析)、區(qū)域水平(采用Schaefer 400 分區(qū))和系統(tǒng)水平(采用七個Yeo網(wǎng)絡(luò))。
全腦三個水平的RSA分析結(jié)果均表明,靜息態(tài)下思維流的大腦表征模式涉及廣泛的大腦區(qū)域,不僅涉及默認網(wǎng)絡(luò)(default mode network,DMN),而且涉及所有七個大腦網(wǎng)絡(luò)(圖2、3)。通過直接將思維的自發(fā)性和動態(tài)性與大腦活動的自發(fā)性和動態(tài)性相結(jié)合,研究實證地獲得了大腦靜息態(tài)下自發(fā)活動的內(nèi)在空間模式。
該研究強調(diào)了關(guān)注靜息態(tài)下持續(xù)認知活動的重要性,闡明了大腦靜息態(tài)思維流的內(nèi)在空間模式,并為時空神經(jīng)科學(xué)提供了支持,將推進腦自發(fā)活動研究和靜息態(tài)fMRI研究。在方法上,該研究證明了將出聲思維、自然語言處理、表征相似性分析與fMRI結(jié)合起來以探討靜息態(tài)思維流與大腦自發(fā)活動之間聯(lián)系的潛力,展望了Think-Aloud fMRI研究范式的研究前景。未來,嚴超贛研究組將進一步明確靜息態(tài)下不同思維內(nèi)容特征的大腦空間模式。
相關(guān)研究成果在線發(fā)表在NeuroImage上。研究代碼已開源共享在https://github.com/Chaogan-Yan/PaperScripts/tree/master/LiHX_2022_NeuroImage,數(shù)據(jù)已共享在http://rfmri.org/ThinkAloudfMRIData,并將在心理科學(xué)數(shù)據(jù)銀行更新。研究工作得到科技創(chuàng)新2030-腦科學(xué)與類腦研究重大項目、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中科院、北京市科技新星計劃及心理所科學(xué)基金的支持。
圖1.實驗分析示意圖
圖2.體素水平的RSA分析結(jié)果
圖3.區(qū)域水平的RSA分析結(jié)果