基于TMS-fMRI刺激-功能成像技术研究视觉注意控制的神经机制

Attention is a basic cognitive function in humans. Attention disorders have close relationships with clinical diseases, such as attention deficit hyperactivity disorder, schizophrenias, Alzheimer's disease, and hypertension. For the improving of clinical technology, it is necessary to understand neural mechanisms of attention. The studies show that visual attention is controlled by both top-down cognitive factors and bottom-up sensory factors, involved in fronto-parietal network. Due to the limitation of invasive technology used in humans, timing sequence and information flow in fronto-parietal network is still unclear under two kinds of attentional control in humans..This project aims to explore the causal mechanism of the fronto-parietal network in the control of visual attention by using TMS-fMRI technologies. We will develop 1) a method for TMS stimulating localization constrainted by fMRI functional information, and to establish the timing sequence relationship of the target functional brain areas using online TMS technique; 2) a technology based on the combination of offline TMS stimulation and fMRI functional network, and to establish the change models of brain functional network after the interference of the brain regions. By using these technologies, we will explore 1) timing sequence relationship in fronto-parietal network under two kinds of visual attentional control and their differences; 2) the information flow in fronto-parietal network under two visual attentional controls, and the differences from that of non-human primates.

注意是人类一项基本的认知功能，注意的障碍与注意缺陷多动障碍、精神分裂症、阿尔茨海默病、高血压等临床疾病有密切的关系，因此对正常人的注意神经机制的研究是进一步进行临床研究的基础。研究表明视觉注意受自上而下的认知因素和自下而上的感觉因素两者的控制，主要涉及到额-顶网络。受有创技术使用的限制，两种注意控制下人脑额-顶网络的时序和信息流向仍未研究清楚。.本项目针对视觉注意控制的额-顶网络因果机制问题，发展两种TMS-fMRI刺激-功能成像融合技术：1）发展基于fMRI功能信息约束TMS刺激定位的方法，利用在线TMS技术建立目标功能脑区的时序关系；2）发展离线TMS刺激方式与fMRI功能网络相结合的点-网络融合技术，建立目标脑区干扰后的脑功能网络变化模型；探讨两个科学问题：1）两种视觉注意控制的额-顶网络的时序关系及其差异；2）两种视觉注意控制下额-顶网络的信息流向，及其与非人灵长类动物的差异。

注意是人类一项基本的认知功能，可以提高行为检测能力并加快反应的时间；注意的障碍与注意缺陷多动障碍、精神分裂症、阿尔茨海默病、高血压等临床疾病有密切的关系，因此对正常人的注意神经机制的研究是进一步进行临床研究的基础。本项目针对自上而下和自下而上的视觉注意控制的额-顶工作机制问题，在三方面取得研究进展：1）TMS-fMRI刺激-功能融合技术方面：实现了TMS-fMRI刺激-功能数据记录和融合分析，一方面发展和应用基于fMRI功能信息约束TMS刺激皮层定位方法，精准探索视觉注意控制的额-顶脑区；另一方面利用在线TMS技术建立目标脑区功能的时序差异关系，即在不同时刻进行TMS干预后对行为的影响来判断视觉注意控制的额-顶脑区时间特性；最后，发展和应用离线TMS刺激方式与fMRI功能网络相结合的点-网络融合技术，建立动态因果模型，探索真假干预下视觉注意控制额-顶的因果变化特性。2）视觉注意控制额-顶工作机制方面：采用fMRI约束TMS定位靶点技术，TMS干预右侧背外侧前额叶、额眼区和顶上小叶，发现额叶和顶叶皮层都参与自上而下的注意处理过程，而右侧背外侧前额叶与搜索中认知负荷增加下的执行控制相关，该工作发表在本领域TOP期刊Cortex上。采用在线TMS技术干预不同时刻，发现在自上而下注意控制下，晚期干预顶上小叶比早期影响更大。采用cTBS-fMRI技术和动态因果模型，发现当cTBS干预右侧顶上小叶时，自下而上注意控制下抑制对侧顶叶，而自上而下注意控制下激活了对侧顶叶的兴奋；此外，右侧额眼区对右侧顶上小叶的抑制作用在两种注意控制中均有减弱，且其自身在自下而上控制时的兴奋性也显著增强了，而左侧额眼区对其的抑制也随之增加。3）自上而下视觉注意控制中目标促进和干扰抑制认知过程：行为上，发现对目标物或干扰物位置的线索加快搜索反应，即目标物强化效应和干扰物抑制效应，结构像和静息数据分析显示两种效应具有不同的神经基础，该工作发表在本领域TOP期刊NeuroImage上。.本项目利用TMS-fMRI刺激-功能融合技术在视觉注意控制相关的神经机制方面取得了重要阶段性成果：自上而下和自下而上视觉注意控制额-顶皮层的功能参与的重要性和分离性。本项目共发表21篇SCI/SSCI标注论文，授权5项中国发明专利、2项软件著作权，参加了8个国际会议、7个国内会议，毕业博士4人、硕士9人。