默認網絡：最新的解剖、生理研究及其研究發展過程中的新觀點
- 2019 年 10 月 10 日
- 筆記
導讀：
默認網絡是近年來靜息態研究中最典型的研究發現，但該網絡最初的發現卻是來源於任務態研究。可以說，默認網絡在連接靜息態研究和任務態研究成果方面起到了至關重要的作用。因此，在腦科學研究中具有舉足輕重地位的研究者對該網絡都給予了很高的關注力度。例如，思影科技公眾號在之前為大家帶來的Marcus E. Raichle教授關於默認網絡所寫文章，直接點擊即可閱覽：
近日，來自哈佛大學心理學部的Randy L. Buckner教授在《Nature Reviews Neuroscience》雜誌上發文，系統地討論了默認網絡的研究路徑（即發展歷程）、最新的研究發現、分佈式網絡的網絡連接特徵、猴腦及嚙齒類動物模型中的默認網絡同系物帶來的研究啟示、默認網絡的解剖證據、默認網絡可能的發展路徑以及可能的控制環路。在這一整套完整的系統化的思維表述的背後，是Buckner教授對近年來圍繞默認網絡所做的相關工作所發現的結果和證據之間的微妙的相互關係的仔細觀察。正是這種仔細的觀察以及對各方面信息及證據的整合才構建起了這樣一座造型宏大、內部結構精細的精美「建築」。在讀這篇文章的時候，一定要將自己的學術視野放大，將各個方面（如神經影像學、生理學、醫學解剖、數學統計、圖像處理、人工智能等等）的知識都調動起來，不要受到「路徑依賴」思維的影響，才能從這篇內容豐富但邏輯縝密的文章中吸取到「獨特」的養分，這份「獨特」的養分一定會給你帶來超出於paper之外的靈感！
在過去20年的研究中，我們發現這樣一個現象。在需要外界注意的任務中，分佈在整個聯合皮層(通常被稱為默認網絡)的部分區域會受到抑制（在早期，這甚至被認為是因研究方法而帶來的一種觀察誤差），而在記憶、想像未來和做出社會推斷時，這些區域處於活躍狀態。正是這個意外的但是頻繁出現的難以解釋的問題引發了研究人員的極大興趣，從而產生了我們今天所稱的「默認網絡」！
這篇文章描述了對處於這些關聯區域網絡中的腦區的組織和功能方面的研究進展。對單個個體進行詳細的高分辨率分析表明，默認網絡並不像以往研究中描述的那樣是一個單一的網絡，而是由多個相互交織的網絡組成（其實如果大家做靜息態的ICA時就會發現，默認網絡可能會被分為兩個網絡或三個網絡，這並不是偶然）。
我們觀察到的這種多個網絡共享一個共同的組織模式(即默認網絡，值得注意的是，這種特徵在狨猴和獼猴解剖迴路中也很明顯)，可能依賴於其內部構造形成的一般處理功能而不是由外部約束表示。
每個獨立的交織在一起的網絡可能都專門用於一個不同的處理領域（即默認網絡可能存在多個子網絡，作者在文中主要認為分為兩個）。同時，人類和猴子的直接神經記錄揭示了內部（默認網絡）和外部導向網絡（其他高級功能網絡，如注意網絡）之間競爭關係的證據。
而對嚙齒類動物研究的結果則表明，丘腦可能對控制通過特定的丘腦網狀神經元(包括拮抗亞群)參與的網絡至關重要。作者認為，這些聯繫網絡(可能還有丘腦皮層迴路)在人類大腦中不斷擴展，同時，可能特別容易受到與精神疾病有關的失調的影響。在最後，作者討論了默認網絡研究中仍舊存在的缺陷，並對未來的發展方向進行了一些討論。
默認網絡的發現是認知神經科學的研究人員的一個意外發現，他們在使用fMRI來研究人類大腦功能時，發現當參與者執行需要積極注意力的任務時，相對於他們在被動條件下的活動水平，聯合皮層的大片區域表現出活動減少（即負激活）的現象。這部分區域包括額葉、後中線和頂葉下葉的廣泛部分，被稱為大腦的默認網絡(或默認模式網絡)。具體來說，是由離散的、雙側的和對稱的皮層區域組成，位於人類、非人靈長類動物、貓和嚙齒動物大腦的內側和外側頂葉、內側前額葉、內側和外側顳葉皮質。
該研究最初是用正電子發射斷層掃描(positron emission tomography)進行的。在正電子發射斷層掃描中，研究者將各種新奇的、需要注意力的、非自我參照的任務，與閉上眼睛安靜休息或簡單的視覺固定相比較。與這些放鬆的非任務狀態下的活動相比，默認模式網絡始終會減少其活動。此外，構成默認網絡的分佈區域內的自發活動波動（從靜息態數據觀察所得）相互關聯，說明它們形成了一個相互作用的網絡。
並且，一些依賴於內部表示的任務(包括記憶、展望未來和做出社會推斷等)在默認網絡區域的活動增加，超過了被動條件（即注視點條件時）下觀察到的激活狀況。這些功能性的觀察提出了一種可能性，即默認網絡在人類思維的高級階段（這裡指一些高級認知功能）是活躍的。
儘管有這些可重複的觀察結果，關於默認網絡的許多發現仍難以整合。這個過程中出現的一個主要困難是對默認網絡的經驗觀察反映的現象並不是單一的，甚至反映的不是單個網絡的行為。但一個統一的理論解釋是必要的，即明確默認網絡的功能與其相關的行為反應之間的一個系統的科學假設。然而，一個關鍵的新發現是，默認網絡可能由多個並立的獨立網絡組成，而不是像最初設想的那樣是一個單一的整體網絡。
另一個挑戰則與過度依賴人類神經影像學研究的相關發現有關，因為這些研究本身就模稜兩可（這是由於目前所使用的技術手段所帶來的，例如fMRI中大量噪聲的存在以及仍然有限的分辨率問題，還有技術處理等等問題的存在）。
在本文中，作者提出了在默認網絡中存在多個網絡的證據，並探討了這些新發現的含義。作者關注了在神經影像學研究中觀察到的不同現象，以及從人類神經生理記錄和在猴子和嚙齒類動物模型中的探索中得到的趨同發現。同時，作者還推薦感興趣的讀者閱讀補充評論，討論默認網絡對自發認知形式和定向任務的處理貢獻（但這不是本綜述的重點，因此只在補充評論中詳細討論，這篇文章中作者並未提及）。
1. 默認網絡相關研究的發展歷程
在探索關於大腦默認網絡的新觀點之前，作者首先調查了四類以往的研究發現，每一類都是基於不同時期對默認網絡概念演變的不同經驗觀察（例圖一）。分別是：任務抑制、內在功能連接、負相關（anticorrelations）和內在任務的正向調節（即激活）。
在這個部分，作者重點介紹了用於進行不同觀測（即上一段提出的四種不同觀察方法）的實驗方法，並強調了它們在解釋時的模糊性。同時還討論了這些不同的觀察是如何相互關聯的，以及如何通過在解剖學和神經生理學相關發現的背景下解釋它們，從而來闡明它們的起源。
（1）任務抑制（任務態）
現在被稱為「默認網絡」的大腦區域最初是在獨立的PET研究中發現的，後來在兩篇評論文章中強調了這兩個區域。正電子發射斷層掃描(PET)數據顯示，在積極的外部任務（例如單詞判斷或視覺對象分類）相對於控制條件（比如被動地看東西或者盯着交叉的十字注視點）下的活動時（即任務condition>控制condition），這些區域始終處於穩定的「負激活（deactive）」狀態。
為了解釋這些影響，研究者提出了兩類假設:這種情況的出現，要麼是在被動條件下被試對任務加工進行的過程激活了這些區域，要麼是大腦參與主動任務時通過直接的抑制，抑制了這些區域（文中的被動條件指的是類似於注視點這樣的條件，這些條件往往會被用來作為控制條件，但從當前看來，這種做法可能是錯誤的。控制條件的設置對於任務態激活的結果解釋來說，至關重要！）。
由於PET對大腦活動的測量是相對的(因為他們比較的是一種任務狀態和另一種任務狀態下的血液灌注模式)。因此，他們的發現對於神經刺激或突觸活動(即興奮性或抑制性)其真實情況下對觀察到的結果的影響能力在解釋方面必然是模稜兩可的。
因此，不可能從相對差的初始觀測中確定這種效應是否對稱（這裡效應對稱的意思是說，想要判斷這些「負激活」區域是否是由那些主要由被動任務所涉及的流程驅動的任務導致的需要形成一個邏輯上的對稱關係，因為我們認為這些任務應當引起的相關加工腦區的激活，而這些負激活的腦區是不符合我們的邏輯假設的，如果要證明這些區域的負激活時由被動任務所涉及的相關任務導致的，那就需要明確這些任務引起的「激活區域」和這裡的「負激活」區域之間的「對稱關係」），或者判斷出現激活的任務是否通過激活機制（即任務態的理論基礎）引起大規模腦網絡的廣泛抑制。也有研究者認為是其他原因導致的，例如血液供應的重新分配(偷血，blood stealing)，但這種假設是不符合生理原理的，因為它們與血管儲備的已知特性不一致。同時，這個網絡可以通過依賴於葡萄糖代謝而不是血液灌注的成像方法來識別也說明了這種假設的不可能性。
對被動任務中大腦認知可能出現的過程的探索提供了一種見解，該見解為該領域未來的大量工作提供了指導:在神經成像研究中實施被動任務時，被試的思維方式會趨向於一種固定的刻板狀態（這並不難以理解，因為實驗任務中出現的控制條件往往一種模式的，例如rest、盯着十字看或者盯着無意義的圖看等）。
然後，在一項早期研究中，該研究專門探討了默認網絡在自發思維中的作用，即對任務的瞬時行為的測量，這一觀察結果在其他研究中得到了證實。通過集中觀察默認網絡與控制(或休息)條件之間的關係，一個強調網絡在自發認知事件中的活動的方向出現了。此類事件是與默認網絡區域中的活動相關的幾個功能之一。
定向記憶、展望未來以及某些形式的社會推理也激活了與默認網絡重疊的區域。這些觀察清楚地表明，默認網絡參與的範圍比無定向認知的範圍更廣。
圖一 不同方式下觀察到的默認網絡的活動
a為被動任務激活狀態下觀察到的被抑制的默認網絡（即負激活），
b為靜息態數據中觀察到的功能連接，
c為內在任務下（如推斷他人的想法和信仰）激活的默認網絡激活模式
（2）內在功能連接（靜息態）
自發的大腦活動在默認網絡的所有分佈區域都有很強的選擇性關聯。研究者發現，當默認網絡中的一個區域的活動水平(通過fMRI間接測量)增加時，其他區域的活動水平也會增加。雖然這通常是在被動休息時進行測量的，但這些自發的關聯（即功能連接）在所有的任務狀態中都是普遍存在的，也包括那些需要外界注意的任務狀態中。這一觀察表明，支撐這些相關性的機制與最初用於通過任務抑制發現默認網絡的機制是不同的（即這種自發的波動並不是由外在注意任務所引起的抑制而特異引發的）。
通過分析任務抑制和功能連接所提供的觀察結果，可以發現在組平均數據中這兩種方式發現的默認網絡收斂於類似的解剖模式(圖1)。默認網絡的多個分佈區域之間存在着很強的相關性，這一發現表明，這組區域可能是一個網絡或大腦系統，該系統與其他具有解剖連接和共享功能依賴關係的分佈式系統（例如聽覺系統等）非常相似。
（3）負相關
關於默認網絡的第三個主要觀察來自於對其功能連接性的研究。除了網絡內部各區域之間表現出很強的正相關關係外，它們還表現出與外部注意加工的相關區域之間的負相關關係。最初揭示這一發現的兩項研究都使用了相同的一般方法:從靜止的fMRI信號中提取後中線腦區的fMRI信號的時間序列，然後它們的研究發現，大腦中與所選區域正相關的區域再現了默認網絡。
而與同一腦區負相關的區域顯示出完全不同的模式，該模式包括沿頂葉溝的區域、靠近額部及框額皮質的區域以及靠近顳中區域的視外側皮質。該文章對這些與後中線腦區存在負相關的區域進行檢測時，形成了一個強正相關的區域網絡。該通常被稱為背側注意網絡，在面向外部、需要注意力的任務中發揮功能。
這些研究結果表明，默認網絡與另一個主要網絡是對立的，後者通過對外部感官環境的積極關注而參與內部形式的心理狀態和自發認知。同樣重要的是，這種對立可以通過分析獨立於外部任務需求的任何變化的內在活動的信號波動來揭示，這提出了大腦當中可能存在支持網絡之間競爭關係的穩定機制的可能性（這種可能性為「中央瓶頸理論」提供了可能的生理基礎，這對研究心理與認知機制來說至關重要）。
然而，從人類功能連接數據推斷出這種「競爭機制」是一個挑戰。因為，在最初的研究和隨後的許多研究中，都是在對局部fMRI信號時間過程進行歸一化後估計相關性，其中包括對全局信號波動的回歸。這個處理步驟迫使大腦所有區域的相關性分佈以零為中心，這意味着一半的相關性將被賦值為正，一半被賦值為負。如果不進行這樣的標準化，整個大腦的信號就會存在一種低水平的正相關，這種正相關被認為是影響fMRI測量的神經元信號和非神經元噪聲信號的結合導致的。隨之而來的便是一場關於如何解釋負相關關係的廣泛辯論，隨後提出了新的標準化方法和新的研究焦點。
從發現負相關關係和隨後的辯論中我們可以吸取兩個教訓。首先，觀察到的網絡之間的差異是魯棒的。無論是否從機械的角度來解釋這些「負相關」關係，與大腦中的其他網絡相比，與外部注意相關的網絡與默認網絡的關聯性更小，這一點仍然是正確的。
其次，在解釋這種相對的相關值時是有很大的模糊性的。儘管魯棒的「負相關」關係的存在提出了網絡之間存在「競爭關係」的重要可能性，但需要功能連接性研究之外的數據源來確認這些關係並深入了解它們的機制（這一點是極為重要的，這對於我們確認這種負相關關係的神經基礎而言是決定性的！）。
（4）正向任務調節（任務態）
儘管我們將其命名為「默認網絡」，但是，默認網絡的相應區域在特定形式的定向任務期間確實增加了活動（即任務態的正激活）。
抑制默認網絡活動的任務往往是面向外部的（前文已經描述過），也就是說，他們要求被試要有選擇地關注和回應環境中的刺激。相反，增加默認網絡活動的任務往往依賴於基於內部構造的信息，也就是說，心理表徵是由記憶和圖式靈活構建的，該任務遠遠超出了直接的感官環境。在早期的研究中出現了這類任務的兩個突出例子，一個是自傳體記憶，另一個是需要某種形式的社會或自我參照推理的任務。在這兩類任務中，默認網絡被發現出現了廣泛激活。
自傳體記憶任務要求個體回憶過去事件的細節。當以組平均數據進行分析時，自傳體記憶任務會激活與默認網絡非常相似的分佈式區域。自傳體記憶任務的幾個有趣的特性提供了對這個網絡功能的深入了解。首先，它們依賴陳述性記憶(即內側顳葉依賴)，其次，從任務-需求的觀點來看，它們落在外部-內部導向統一體的極端內部末端（即基本不需要外部導向）。雖然外部提示常常在任務指導過程中提供指導，但參與者很快就進入了一種內部心理狀態，在這種狀態下，記憶的進展只需要來自外部世界的最小輸入。這項工作的擴展指出，當個人想像未來的假想場景時，默認網絡的類似區域也參與其中（這是因為當人們的注意力從當前的外部環境轉移到豐富的真實或想像事件的內部表現上時，他們的注意力就會轉向內部）。
涉及社會推理的任務也會增加默認網絡區域的活動。社會推理任務有多種形式，不太可能涉及單一的心理結構。其中一類經過充分研究的任務探究了人類表徵他人心理狀態的能力，這種能力通常被稱為心智理論（theory of mind）。心智理論任務需要一個基本一致的大腦區域網絡，這些區域與默認網絡重疊。這些任務需要理解一個中間人的信念，而不是由直接環境中的線索提供的現實刺激。在這類任務中，被試必須暫停他們自己的觀點(也稱為解耦)來考慮另一個人無法觀察到的想法、信仰或感受。
涉及社會認知和自我認知的其他方面的任務也揭示了與默認網絡區域重疊的解剖結構。了解一個人的內心或了解另一個人的內心是類似的認知任務，因為它們都需要靈活地採用不同於當前經驗世界的觀點。
這些集體觀察提高了一種可能性，即默認網絡廣泛地參與依賴於內部心理狀態的高級思維和推理形式。一個有待解決的問題是，這些不同的內部心理狀態任務在多大程度上依賴於真正共享的(而不是相關的，甚至是可分離的)過程。
在下一節，作者調查了過去十年的觀察結果，發現不同觀察形式之間發現的默認網絡活動的特定解剖區域存在一定差異，這對它們的功能專門化提出了一些新的問題。
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2. 功能異質性
對激活默認網絡的任務的研究最開始強調了它們發現中的共性。這些探索使用了群體平均數據和研究之間的粗略比較來證明，範圍廣泛的內部心理狀態任務(包括記憶、展望未來和推斷他人的信念)激活了一組類似的分佈區域。
這種原始的觀察集中在廣泛的皮層區域，以及這些區域共享的性質和功能，並以不同於典型的感覺運動網絡的方式運作。然而，這些粗略的描述並沒有詳細探討網絡中不同區域的嵌入式系統、不同區域的功能和網絡的體系結構。
當在同一實驗中操作內部心理狀態任務的形式時，不同的任務類別會激活不同的並列區域。儘管這些研究的結果仍然受到群體平均導致的空間模糊的限制，但當涉及記憶的任務與需要對他人的想法和信念(心智理論)進行推斷的任務進行對比時，一個特別明顯的區別就顯現了出來。利用自傳體記憶的任務優先涉及海馬旁皮質和後中線的腹側部分，靠近後壓部皮質。在頂葉下部，涉及記憶的任務也更多地涉及後部區域(即尾側)，而思維理論任務則優先涉及前部區域(即吻側)，後者還延伸至顳頂葉交界處。
操縱記憶回溯任務的兩項研究揭示了典型(即組定義方式)的默認網絡內子區域功能分離的明顯例子。在這兩項研究中，都對人與地點進行了判斷，而最具說服力的專業化證據是通過分析個體參與者的空間細節得出的。在第一項研究中，受試者被要求使用高場強(7T)、高分辨率fMRI掃描，任務是判斷兩個已知的地點(附近的城市)中哪一個在空間上離他們更近，或者兩個已知的人中哪一個離他們更近。儘管這兩個任務都在典型的默認網絡中廣泛激活，但它們在空間上明顯分離，包括在後中線附近。面向人的判斷激活後扣帶皮層的一個中心區域，而面向空間的判斷則優先激活腹側後扣帶皮層、後壓部皮質和背側區域的多個周圍區域。這些響應的交錯提供了證據，證明在默認網絡的緊密並列區域之間存在差異的專門化。同樣，在另一項研究中，受試者在回憶名人VS熟人(湯姆漢克斯，他們的朋友)與知名地點VS他們熟知的地點(時代廣場，他們的工作場所)時，當參與者回憶來自這兩個領域的信息時，典型默認網絡的多個區域處於活躍狀態，但在涉及人和地點的任務之間的後中線腦區內再次出現了明顯的分隔，該研究複製了2015年研究中發現的相鄰區域的功能專門化。
圖2 記憶回溯任務中空間記憶與任務記憶的默認網絡內部的功能分離，b為7T研究中發現的差異，藍色為該研究區分出的默認網絡中的A網絡，黃色為B網絡，c為後續研究中的組水平結果
這些研究說明，當使用高分辨率的個性化方法來探索默認網絡組織的細節時，確實可以將不同的網絡分離開來。
3. 最新的結構基礎相關研究
目前，能夠說明默認網絡存在多個分佈式關聯網絡的證據已經不斷出現。雖然最初設想默認網絡是一個單一的網絡，但它很可能是由多個彼此相鄰的不同網絡組成的（圖2a）。在這一節里，作者系統的討論了新近發現的關於默認網絡的結構基礎的研究，同時，還大篇幅地討論了在靈長類動物和非靈長類動物研究中觀察到的現象。這些結果給人腦的研究帶來了很多啟發。
當對個體內部的內在功能連通性進行充分研究時，這些網絡的詳細組織就會顯露出來，從而使精細的空間細節得到觀察，而不會與群體的平均水平相混淆。從這些研究中出現的證據表明，默認網絡至少包括兩個獨立的網絡，在大腦的後中線和前中線腦區上有明顯的空間差異，這兩個區域通常被認為是中心節點。
這些多個分佈式網絡具有組織特性，可以洞察它們的功能和發展起源。第一個顯著特徵是組件網絡包括分佈式並行節點。除了少數例外，一個網絡的節點與另一個網絡的節點並列。一種可能性是，這種分佈式和並行的組織可能是在早期發展階段出現的細分和專門化的結果;因此，一個單一的、差別較小的原組織在功能開發的過程中通過依賴於特定活動的過程變得專門化（作者舉了一個面部視覺區在人類和猴子的視覺皮層出現並發展的例子，在成年人類和猴子中，多個外紋皮質區域(在猴腦中被稱為斑塊區域)優先對面部刺激做出反應。而這些具有面部選擇性的皮質區域並不是先天形成的，這些區域在早期只具有視網膜的組織特性，在面部刺激（典型刺激）的反覆活動下，這個區域的原型組織進行了細分和專門化。最終，顳葉皮層中靠近中央視覺表徵的某些區域成為人臉的特化區域）。
第二個關鍵特徵是，儘管這兩個網絡在許多關聯區域並立，但它們與內側顳葉內的後海馬旁皮質的耦合關係顯示出分離。文獻中一個流行的主題是，默認網絡參與了一系列廣泛的任務，包括記憶和推斷他人的想法和信仰，從而引出了關於這些任務可能共享同一核心流程的想法。
外紋視覺皮層的特化對於理解多個並置關聯網絡的特化具有重要的借鑒意義。雖然不同的外紋視覺區域的處理模式是共享的，而且所有區域都包含從視網膜開始的平行前饋解剖投射，但不同的特定區域對不同類別的刺激(包括面孔和風景)做出反應（即功能特異）。默認網絡中的多個分佈式網絡也可能具有相同的處理模式，這種處理模式依賴於內部構造（即內部信息加工）的表示，而不是外部約束（即外部刺激表徵）的表示，並包括專門用於不同處理域（即功能不同）的獨立並置網絡。
個體中明顯的精細空間細節(圖2a)也需要重新評估關於默認網絡的組織假設。具體地說，默認網絡的某些區域被估計為網絡中心的「集線器」——即對默認網絡的多個子網之間的信息流起信息交換的中心作用的節點。新近受到重視的默認網絡的精細組織研究表明，用於確定這種強中心性區域的建模方法將需要重新評估，因為多個網絡上的組平均方式是模糊的，這種模糊可能扭曲了對中心性節點的估計。沿着類似的思路，一個突出的假設是，默認網絡由位於中線的一組集線器所連接的子網絡組成。這種中樞與特定的子網絡相互作用的可能性需要加以修正，因為假定的中心性節點，包括內側前額葉皮質內的節點，現在已被證明參與了多個不同的、空間並列的網絡。
默認網絡的分佈式關聯網絡由解剖連接支持
作者認為，以往研究中，傳統上所定義體系結構區域（文中的體系結構區域指的是包括傳統的初級運動網絡、顳聽覺網絡、枕視覺網絡等）與默認網絡的解剖連接的估計之間似乎不存在簡單的對應關係。在神經科學研究中，一個經常持有的假設是，功能專門化的網絡將與架構性定義的大腦區域（即由結構連接所定義的框架）有可定義的相互關係。
對人類和猴子骨髓結構和細胞結構的比較研究表明，默認網絡由多個廣泛分佈的區域集群組成，包括從額極延伸的區域（其中包括9區、10區可能還有11區，這裡作者所說的是布魯德曼分區）、中線從後壓部皮質延伸到楔前頁的腹側區域、後頂葉皮層接近枕葉的一部分區域、顳聯合皮層的廣泛區域和背外側前額皮質內的其他區域。默認網絡跨越多個相鄰區域的範圍表明，這些區域與傳統上所定義的體系結構區域的邊界經常重疊，因此，默認網絡和底層體系結構區域之間不太可能像迄今為止定義的那樣對應。
解剖連接的研究為我們提供了一個不同的觀點。通過對示蹤劑注射產生的投射模式的研究，人類神經成像對大範圍默認網絡模式的估計與猴子解剖之間出現了明顯的同源性。圖3a顯示的是對恆河猴腦中與人類默認網絡同類網絡的一個綜合估計。這些解剖投影的幾個特徵與典型的人類默認網絡平行。
首先，白質投射的區域在空間上分佈上與定義人類默認網絡的多個分佈式區域重合。其次，這種投射模式是通過使用分佈在大腦多個區域的注射位點進行的白質纖維束追蹤研究來概括的。例如，海馬旁註射確定了分佈網絡的大部分，這一觀察結果在隨後的研究中得到了重複，另一項研究中包括的後扣帶回注射也證實了這一點。在額極的注射也概括了網絡上的許多區域。最後，一個區域內的投射區域(最明顯的是頂葉聯合皮層)在解剖學上是特定的。頂葉聯合皮層接收和發送投射到海馬旁皮層的區域是Opt（頂下小葉的尾部）。在靠近Opt的頂葉皮質內注射有時出現一種與更大區域相連接的印象，尤其是考慮到局部投射幾乎總是在注射部位附近發現。相比之下，通過注射在海馬旁皮質和後扣帶回三角部中識別出的中心節點，其特異性得到了提高，這一區域可能是默認網絡的中心區域。
在對狨猴的大腦示蹤劑的研究中發現了令人驚喜的結果。狨猴擁有一個解剖學上連接的網絡，其中包括在人類默認網絡中發現的所有分佈區域。例如,逆行示蹤劑注入額極皮層區10和與其相鄰的額極皮層區域9和11，可以通過示蹤劑顯示預測的區域包括：海馬旁皮層,前扣帶,頂葉腹側、後扣帶,或廣泛的前顳聯合皮質一值延伸到顳極(圖3 b)。
人類與新大陸猴(包括狨)最近的共同祖先生活在距今約4500萬年前，這一事實提出了一種有趣的可能性，即支持人類默認網絡的基本解剖結構可能在數千萬年前就已經在靈長類祖先身上得到了很好的體現。這個網絡的一個關鍵特徵是它與前額皮質的前頂端的連接，這是由來自三個不同的新大陸和舊大陸的猴子的共同解剖數據所支持的（新大陸猴在幾個方面與舊大陸猴略有不同。最突出的表型區別是鼻子，這是最常用於區分兩組的特徵。新大陸猴闊鼻亞目的分支意味着「扁鼻子」。新大陸猴（除了吼猴屬的吼猴）也通常缺乏舊大陸猴的三色視覺。）。
一個尚未解決的重要問題是，動物模型是否能為在人類身上發現的多個緊密並列的網絡提供解剖學基礎（從系統發育的角度看，這一點可能是難以解決的重要議題）。同時，這也對猴子解剖研究的解釋提出了挑戰，就像對群體平均人類神經成像研究的解釋一樣。雖然個別猴子的投射模式可以高精度地分辨出來，但注射本身往往很大，而且在個別猴子之間並不精確對齊。因此，圖3b所示的紅色網絡可能是多個相鄰網絡的模糊組合。
作者假設，在人類身上發現的相互交織的平行網絡反映了多個靈長類物種共享的解剖學連接的潛在組織。同時，作者認為，即使一個默認網絡結構被廣泛地證實存在於猴子中，它在所有或某些靈長類物種中的差異可能要比在人類中要小。通過比較靈長類動物的額皮質區10，我們可以了解這一點。這一區域在狨猴身上比在獼猴身上更同質，而獼猴的皮質又比人類在這一區域更同質。現有的數據表明，猴子確實擁有與人類默認網絡相同的基因，但其分化程度仍未確定。如果分佈式關聯網絡（即默認網絡）的進化與現存靈長類動物的額皮質區10的擴張和分化相平行，將這一現象從進化的角度來看，對構成人類默認網絡的多個網絡的研究將會非常有趣，因為它們同樣具有相對的擴展和分化。
圖3 猴腦中發現的默認網絡的解剖結果，a為恆河猴，b為狨猴
註解：在a中，藍色區域標記默認網絡的主要區域，藍線表示已知的解剖投射。AS：弓狀束;CF,距狀裂; CingS：扣帶回; CS：中央溝; IOS：枕下溝; IPS：頂區內溝; LF：外側(外側)裂;LS,顳枕交界;OTS：枕顳溝;PHC：海馬旁皮質;POS 頂枕溝;PS,額下溝; RhF：嗅裂;STS，顳上溝。
在b中，紅色部分為通過示蹤劑對狨猴的默認網絡的結構連接的追蹤，額葉的白色圓圈部分代表的是不同區域的注射點。黑色輪廓劃定了體系結構區域界定的腦區，其中枕葉視覺皮質(V1)、中顳葉(MT)區、顳聯合皮質(TE3)、初級運動皮質 (Mot)、PHC（海馬旁皮質）等均作了標記以供參考。
4. 將默認網絡嵌入到一個宏觀的腦網絡組織中
在這一節中，作者指出了構成人類聯繫皮層的多個相互交織的網絡的一個顯著特徵是，它們在廣泛的網絡組織方面是極為相似的。這種組織主題不僅適用於分解默認網絡的兩個主要網絡(如圖2所示)，還適用於其他幾個相鄰的分佈式關聯網絡，包括那些支持外部感官注意和認知控制方面的網絡。因此，將默認網絡與其他高級認知網絡放在一個宏觀的腦網絡組織結構中去討論是必要的。
儘管存在一些例外，但每個分佈式關聯網絡往往在大腦皮層的每個主要關聯區域都有一個較為獨立的組織成分。此外，當所有的網絡被放在一起觀察時，它們的分佈揭示了皮質表面的有序空間分佈。在狨猴解剖連接研究(圖4)中，以及在狨猴和獼猴的功能網絡研究中，也發現了相同的主題和多個關聯網絡之間的空間關係。這些組織形式包括兩個特徵：第一，跨網絡的組織形式；第二，不同網絡在空間上有序展開。這兩個特徵為從進化和發展的約束中提出宏觀組織的出現提供了一定的可能性。
同時，這些多個分佈的關聯區域在空間上都遠離感覺區。這些關聯區域包含多個關聯網絡，包括那些定義默認網絡的關聯網絡，這些關聯區域被認為是用來填充感覺網絡與高級網絡之間的空白的。從空間上可以觀察到，與外部感官注意相聯繫的聯想網絡最接近初級感官區域，接着是多個更高階的網絡，一個接一個。就初級感覺皮層向外的空間進展而言，默認網絡是最遠的。有趣的是，人類小腦皮層網絡表徵的有序空間排列也遵循同樣的順序：小腦前葉包含主要的軀體運動模塊，在此之後，小腦的後續區域代表了與皮質序列所反映的相同的聯繫網絡。大腦聯合皮層中網絡的順序在小腦中反映了兩次。在小腦序列中，默認網絡再次被指定為離感覺皮層最遠的頂點關聯網絡。
默認網絡(或者更具體地說，由多個並列的網絡組成的默認網絡)位於跨模式網絡的頂點，這一發現具有有趣的含義。首先，這一觀察為理解神經成像早期出現的無數經驗發現提供了一個背景，神經成像主要針對感知任務和刺激控制決策。集中於需要外部注意的任務的研究，會集中強調與處理當前環境信息有關的網絡的貢獻。只有被動任務才會意外地放鬆對外部注意力的要求，從而充分揭示頂點跨模態網絡中的活動，這可能是因為這些網絡專門用於不同的面向內部的處理模式。
其次，沿着多個並行網絡在宏觀梯度上彼此相鄰的概念可以發現一些重要的問題，例如，多個獨立網絡的存在是否為探索網絡之間的競爭提供了可能。特別值得注意的是，內在功能連通性研究揭示了跨模態頂點網絡與接近感覺皮質的早期網絡之間的負相關關係（可能是一種對抗關係）。除了表明這些網絡的功能專門化之外，這些觀察結果還可能反映出在全腦範圍內廣泛網絡集團之間競爭的穩定機制（作者對這一話題在後文中進行了進一步探討）。
圖4 人類大腦不同網絡的梯度組織形式和狨猴解剖連接中發現的不同網絡的梯度組織形式
5. 神經生理學
在這一節，作者通過更精確的神經生理學證據討論了默認網絡的生理基礎，對於我們理解fMRI成像結果有着很重要的借鑒意義。
人類顱內記錄顯示，在積極的外部指導任務期間，默認網絡會受到抑制。在一項關於高頻寬帶(HFB)信號的研究中，當個體從事活動任務時，位於後扣帶皮層和內側前額葉皮層的電極都檢測到信號明顯減少（可理解為負激活）。這些反應在解剖學上是選擇性的，放置在輔助運動區和初級視覺皮層的電極會檢測到相反的效果（即出現信號的明顯增強，可以理解為激活，圖5a）。對任務傳導抑制HFB信號的在空間表徵的結果進行觀察，可以發現，這些影響跨越了默認網絡的多個分佈式節點。此外，HFB監測中，默認網絡受到任務抑制的程度和持續時間與任務難度呈正相關，這與人類神經影像學發現的另一個特徵相一致。這些發現表明，默認網絡的原始定義特徵是通過外部定向和被動任務狀態來調節其活動水平的，這在直接記錄的神經元活動中表現得很明顯。
在猴子中，與任務抑制的單單位和多單位活動相關的區域在後扣帶回部。相對於刺激前的基線，當猴子將目光轉向暫時存在的視覺目標時，這一區域的神經活動受到了強烈的抑制，這是一項需要外界注意的任務。當收到活動任務將被延遲的提示時，這些動物的後扣帶皮層的單單位活動增加，與在人類顱內記錄中觀察到的默認網絡活動增加的現象相似。這種抑制作用對猴子和人類都具有解剖學選擇性;在類似的條件下，與外部感官注意相關的側頂葉內區域表現出增強而非抑制的活動。
圖5a 人類大腦顱內電極記錄發現的結果，淡藍色為簡單注視點時電極記錄，深紫色為刺激目標出現時的電極記錄，很清楚地可以觀察到感覺運動區節點的反應與默認網絡節點的反應之間是負相關的
圖5 b.c b為人腦HFB電極記錄的頻譜圖，可以看到暗示休息時和進行數學計算時，大腦後內側皮質的能量波動隨着時間變化的狀態是相反的。
c為一隻受過訓練的猴子在大腦中單個位置及多個位置上記錄的腦電變化狀況，可以發現在需要外界注意的任務執行過程中，猴腦中無論是單個區域還是多個區域（默認網絡中的區域）都出現了明顯的活動下降
新出現的技術能夠從猴子廣泛的皮層區域進行長期記錄，為深入探索任務抑制的電生理相關提供了一種方法。這些強大的方法，同時在許多不同的網絡中調查了神經元的反應特性，揭示了任務相關的增強和抑制作用在整個大腦中是廣泛的。例如，在一項要求很高的外部任務中，明顯的抑制作用與猴子大腦中假定的默認網絡（我們還不確定猴腦中與人類默認網絡極為相似的網絡是否為默認網絡）很接近，比如位於或接近Opt的頂葉聯合皮層。這些有趣的方法將揭示一些關於默認網絡任務抑制的生理學問題，並以一種與對人類觀察相關的方式來揭示這些問題。
人類的直接神經元記錄(提供了慢血流動力學測量無法獲得的見解)表明，HFB信號抑制在啟動外部定向任務後不久就開始了(在250 ~ 600毫秒內)，而且一旦提示休息開始，HFB活動就會迅速增加(在400毫秒內)。在猴子中，後扣帶皮層活動的抑制也發生得很快(~ 300-400毫秒)。這種抑制的緊張性特徵與對其他各種任務相關事件(包括目標陳述和獎勵傳遞)的短暫反應形成對比，這可能是其機制起源的重要線索。
人類的直接神經記錄也顯示，在人們普遍認為依賴於內部心理狀態的各種任務中，HFB信號的水平往往高於基線水平。在一項關於與注意相關的HFB信號增加的詳細研究中，位於後扣帶附件的顱內電極在注意力集中的數學任務中表現出HFB抑制（圖5b），當在被問及個體確認的自傳體記憶問題時，HFB信號則表示出增強（即抑制下降）。這種反應的層次結構(HFB的抑制在積極的外部任務中最高，在休息時居中，在需要集中內在關注的任務中最低)與神經成像的結果是一致的。
儘管如此，任務調節的活動增加到目前為止並未顯示出一個簡單的組織模式。異質性在多個維度上是明顯的，包括鄰近部位反應幅度的差異，反應潛伏期沿解剖梯度的變化和對內部心理領域內不同任務的反應的可變性。一個令人困惑的觀察結果是，在那些顯示自傳體記憶和抑制效應的電極位置之間的重疊，要比自傳體記憶和暗示休息活動時信號增加之間的重疊更多，作者認為，這些複雜的模式可能反映了一種組合，即對精細組織知之甚少，同時也反映了噪音和標準化的技術來源。因此，未來研究的一個重要途徑是將個人大腦網絡詳細組織的新知識與廣泛植入顱內記錄電極的患者的定向探索相結合。
6. 對默認網絡的控制
在這一節，作者討論了默認網絡的控制機制問題。
默認網絡在對任務抑制的最早研究中偶然出現，隨後發現的負相關現象可能反映了網絡之間廣泛的穩定的競爭—抑制作用。一種可能性是外部和內部處理模式使用不兼容的(甚至可能是對立的)功能設定。關鍵的是，支持外部和內部處理模式的每個網絡和區域本身並不是單一的，例如，視覺皮層擁有一系列特殊的處理區域和嵌入在平行通路中的部分組織;這些途徑與更廣泛的分佈式網絡相互作用，用於從外部世界提取和處理信息。
正如這篇文章所討論的一樣，我們可以知道最初描述的默認網絡也具有多個專門區域和分佈式網絡(圖2)，這些區域和網絡提供了與內部狀態相關的功能多樣性。然而，控制這些競爭和相互作用的網絡的機制仍有待確定。
（1）可能的解釋理論之一：丘腦皮層和基底前腦機制
丘腦皮層迴路是控制分佈皮層網絡內部和網絡之間信息流交換的候選迴路。靈長類動物的某些丘腦核投射到大腦皮層的分佈相關區域，而內側髓核(也可能是內側背核的一部分)與大腦皮層的前後區域也有着廣泛的連接。這些區域可能是組成人類默認網絡的關聯網絡的同系物。這些丘腦聯合核由周圍的丘腦網狀核(TRN)直接調控。TRN必須通過抑制丘腦投射神經元的氨基丁酸能（GABAergic）來施加這種控制，因為TRN沒有直接投射到皮質。由於丘腦投射神經元支配TRN，這種結構可能與抑制有關，也可以通過在丘腦從而實現對前額葉輸入信息的前饋抑制。因此，在解剖學上，丘腦皮層迴路處於良好的位置，能夠在皮質網絡內部和網絡之間發揮廣泛的影響，並充當調節中樞。
對嚙齒類動物的基於丘腦迴路的觀察說明了TRN（丘腦網狀核）神經元不同亞群的相反效應，這可能表明了默認網絡的控制機制。在小鼠中，長期放置在TRN神經元附近的電極顯示，在睡眠和清醒的探索行為階段，TRN神經元的不同亞群與兩種喚醒狀態相關(或正或負)。利用光遺傳學方法去探索這種差異，發現了不同的感覺投射和邊緣投射TRN神經元的分離，以及它們生理特性的分離。與靜息呈正相關的TRN神經元是感覺投射，而與靜息負相關的是邊緣投射。並且，在這兩個TRN神經元亞群中觀察到了不同的行為模式，超越了睡眠-覺醒狀態的差異，這種差異延伸到在要求注意力的視覺任務中更細微的差異方面。儘管還沒有證據表明嚙齒動物的調節作用與人類的調節作用是相似的，但值得注意的是，不同的感覺相關和邊緣相關的TRN神經元可以表現出相反的效果，讓我們可以聯想到在人類任務抑制和負相關現象中觀察到的大規模的網絡變化。
圖6 a丘腦聯合核及丘腦網狀核的結構連接解剖示意，b為絨猴體內的候選默認網絡迴路
其他候選迴路也可能有助於調控默認網絡。例如，對老鼠的研究表明，當老鼠從家裡的籠子被轉移到一個鼓勵深入探索的新場所時，基底前腦的伽馬波（gamma）的能量會降低，而基底前腦是大腦皮層膽鹼能傳遞的主要物質。與主動探索相比，在梳理毛髮和安靜清醒期間（包括在新環境里），基底前腦的伽馬波（gamma）的能量會相對增加。這些調節作用在基礎前腦平行特徵的默認網絡任務抑制中，因此，為探索性研究提供了一個額外的目標，可以提高我們對默認網絡調節機制的理解。
在討論對默認網絡的控制時，將我們對局部迴路特性的強調與更廣泛的關於前額皮質網絡的文獻聯繫起來是很重要的，前額皮質網絡一直是人類和猴子研究的共同焦點。相當多的證據表明，前額葉區域參與自上而下的控制和調節整個大腦的信息處理網絡。但是，對實施這種控制的具體機制的關注仍然有限。
在重點研究皮層和基底前腦迴路調節不同任務狀態下的放電特性時，作者強調我們要關注可能支持皮層網絡對其他網絡施加控制的局部迴路特性。有趣的是，嚙齒類動物和靈長類動物的許多迴路特性是守恆的。這種守恆現象為利用現代分子遺傳工具研究非人類靈長類動物的控制機制和功能障礙的人性化模型提供了一個機會。此外，這種守恆意味着，這種迴路的古老特徵可能是在人類神經成像研究中觀察到的競爭性網絡交互的構建基礎。
（2）分層網絡控制
我們對默認網絡控制的一個方面知之甚少，即是否只有一個或有多個機制在不同規模的組織中運行。第一個是控制範圍問題，這個問題涉及到當個體執行外部集中的任務時出現的廣泛的任務抑制。第二個是控制尺度問題，這個問題與在不同形式的內部心理狀態(如記憶與社會推理)中局部網絡的選擇性增強有關。一種可能是有一種共同的機制在起作用：由任務驅動的特定網絡的活動可能在其他可能的網絡上得到增強，這樣，廣泛任務抑制的出現僅僅是對內部和外部信息通道的定向注意狀態之間的極端對比的副產品。當對比任務以更微妙的方式不同時，可能會出現局部調製。
另一個有趣的替代方案是，可能存在多種機制在不同的尺度上對網絡選擇進行分層控制，並具有廣泛的競爭機制，這個機制能夠實現抑制默認網絡或其他外部注意重要網絡之間的皮層大片區域。但在大腦皮層的這些廣闊區域內，不同的機制也可能支持根據當前進行的任務的需要來選擇狹窄的皮層區域和網絡。也就是說，當注意力指向外部世界時，多個網絡可能會被聯合抑制，但當需要在特定任務環境中進行主動信息處理時，則會選擇性地增強該區域。
（3）默認網絡控制的機制可能提供對精神疾病的相應洞察
在具有精神病特徵的精神分裂症和雙相I型障礙患者（雙相情感障礙）中，參與認知控制的默認網絡和相關的大型網絡出現失調現象。同時，精神分裂症和雙相情感障礙也是最容易遺傳的精神疾病。因此，可以去考慮分子遺傳變異是否會導致默認網絡的失調，從而增加精神疾病的風險。特別是對精神分裂症的研究，這種研究為功能障礙的產生提供了有趣的線索。
對精神分裂症患者基因變異的有力研究已經確定了一個與T型鈣通道相關的候選風險位點，該通道在TRN（丘腦網狀核）中顯著表達。這些觀察結果為心理健康和認知網絡失調之間提供了一種可能的聯繫，儘管這只是眾多因素中的一種潛在作用機制。考慮到精神分裂症患者觀察到的神經振蕩的活動模的不規則性依賴於TRN迴路，一種可能性是，被破壞的丘腦皮質迴路可能導致默認的網絡失調。同時，改變丘腦皮質迴路功能的基因變異反過來可能導致臨床相關的網絡選擇和相互作用的干擾。
7. 總結
聯合皮層的大型分佈區域由多個網絡組成，這些網絡在不同形式的內部思維活動中活躍。這些網絡通常統稱為大腦的默認網絡，當注意力集中在外部世界時，這些網絡就會受到抑制。因此，默認網絡的偶然發現為大腦處理網絡的基本專門化提供了一個窗口，這些網絡參與從外部世界提取信息，而那些構建表徵的網絡，會部分地或完全地脫離當前外部環境。最近的研究結果表明，默認網絡不是一個單一的實體，而是由多個並行交叉的網絡組成，這些網絡顯示出跨區域的專門化，類似於那些在經過充分研究的感覺系統中發現的網絡的組織形式。
對構成默認網絡的多個網絡的抑制和參與的現象觀察結果是魯棒的，這些結果可以通過人類和非人靈長類動物的直接神經元記錄來測量，同時與嚙齒動物的網絡調節類似。因此，未來研究的一個關鍵主題是如何控制構成默認網絡的網絡，包括支持在外部注意期間廣泛抑制默認網絡的機制。這些研究表明，由不同的獨立網絡組所支持的廣泛的信息處理模式之間可能存在着重大的競爭關係。了解這些網絡是如何被調節來控制信息流的，可以讓我們深入了解認知控制的一般機制以及它們在精神疾病中受到的干擾。迄今為止，對默認網絡的研究表明，一些有趣的現象可能會讓我們深入了解其他對人類高級思維非常重要的網絡。
過去幾十年的另一個收穫是，人類的神經成像觀測很難單獨解釋。可重複的發現本身無法克服用於獲得它們的相關方法中所固有的模糊性。來自於對同一主題進行限制的多種方法(包括神經生理學研究和適於電路解剖的動物模型)越來越多地可用來幫助解釋對人類大腦網絡的發現。例如，在獼猴和狨猴中存在着強大的默認網絡的候選同源解剖網絡。要深入了解大腦的默認網絡，需要結合這些可獲得的靈長類動物模型的洞見、來自人類臨床人群的電生理和迴路調節研究的發現，以及提供基本觀察的神經成像方法。
寫在最後：總體來說，這篇文章的證據豐富程度是很少見到的，而作者在面對這麼多方面的證據時，高度系統的研究思路為不同方面證據的梳理提供了良好的路徑。在面對默認網絡這樣一個「龐然大物」時，任何方面的努力看起來都是「單薄」的，但是當不同方面的證據都浮現在我們眼前時，我們要做的就是找到它們之間的關係，並且沿着新的思路將這個科學問題繼續深挖下去。這篇文章中引用到的一些關鍵文章，作者在參考文獻部分進行了備註，希望感興趣的朋友能夠繼續去閱讀。也希望我們的解讀給您帶來更多的啟發！
原文：
The brain's default network: updated anatomy, physiology and evolving insights
RL Buckner, LM DiNicola – Nature Reviews Neuroscience, 2019 – nature.com
