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[成果]心理学部助理研究员冯俊姣博士在Nature Communications发文揭示执行功能的认知结构及其神经遗传学机制


发布时间:2022-10-24

由心理学部助理研究员冯俊姣等撰写的“A cognitive neurogenetic approach to uncovering the structure of executive functions”在Nature子刊Nature Communications上发表。

认知神经科学的一个核心任务是了解心理功能如何被映射到不同的大脑基质上。然而,由于认知结构的多面性以及心智和大脑之间的多对多映射,这类研究仍然面临艰巨的挑战。在本研究中,作者提出用一种认知神经遗传学的方法来揭示执行功能的结构。该方法使用了“中国青年成人认知神经遗传研究”(CNSCYA)项目中收集的9个执行功能(Executive Functions, EFs)任务(n=2110),部分被试的全基因组数据(n=1454)和静息态磁共振数据(n=870)。作者整合了遗传、神经和行为数据来研究执行功能的结构。

首先,为了全面考察EFs的结构,作者比较分析了基于三种最常讨论的EF成分(即抑制[I]、更新[U]和转移[S])的所有可能的12个候选模型,得到了五个具有良好拟合参数的模型。该结果不仅重复了之前受到广泛关注的两个模型:“抑制+更新+切换”模型(I+U+S),“共同+更新特异性+切换特异性”模型(C+U+S);而且拓展考察了由共同成分和一个特异性成分组成的模型,并且发现“共同+切换特异性”模型(C+S)拟合良好。

其次,作者使用静息态功能磁共振数据和基于脑连接组的预测模型(CPM)进一步考察了这五个模型。目的是确定一个模型,其执行功能成分可以通过分离的脑连接模式进行预测。CPM结果显示,只有 “C+S”模型中的所有潜变量成分可被大脑连接模式成功预测。进一步的分析发现,预测共同和切换特异性成分的连接边的重叠度不显著,表示该模型中的两个成分在神经机制上是分离的。为了进一步验证CPM结果,并确定与这两个执行功能成分相关的脑区,作者将CPM结果与NeuroSynth (http://www.neurosynth.org)的元分析结果进行了联合分析。结果发现与共同成分相关的脑区是额中回(MFG),而切换特异性成分的相关脑区是旁扣带回(Paracingulate)。

之后,为了整合基因、大脑和认知,作者基于艾伦人脑图谱(Allen Human Brain Atlas,AHBA)来探索不同执行功能成分的遗传结构。具体是,根据上述研究发现的共同和切换特异性成分对应的脑区,通过AHBA找到在这些脑区表达增强的基因集,并估计了候选基因集在两个执行功能成分上的富集模式。结果显示在额中回表达增强的基因集只对共同成分的遗传度有富集贡献,而在旁扣带回表达增强的基因集则只对切换特异性成分的遗传度有富集贡献,证明了这两个执行功能成分在遗传机制上的双分离。

上述结果显示"C+S"模型中的成分在行为、神经和基因水平上是分离的。在最后的分析中,作者应用了高维中介模型来进行“基因-大脑-执行功能成分”通路分析。结果表明,在额中回表达增强的基因通过调节该脑区的功能连接进而影响执行功能共同成分的得分。

综上,本研究确定了一个在行为、神经和遗传多层面上拟合良好的EFs模型。更重要的是提供了一个综合的数据驱动的框架来揭示复杂的心理结构。该框架与基于知识的系统方法(如认知图谱)相结合,可以对心理结构及其神经和遗传机制进行更详细和系统的描述,并推动认知神经科学的理论发展和转化应用。

澳门新葡新京平台助理研究员冯俊姣博士为该论文的第一作者,北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室薛贵教授为该论文的通讯作者。本研究获得了国家自然科学基金、中以国际合作研究基金等的资助。

论文链接:http://www.nature.com/articles/s41467-022-32383-0


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