Brain:多种神经发育障碍的共同神经基础
原创
摘要
神经发育障碍是根据不同临床综合表现进行分类和研究。然而，神经发育合并症具有较高的发生率，表明跨诊断的共性可能比目前所认识的要大。核心-外围模型认为，核心感知和运动区域内的大脑区域彼此的连接，要比多模态关联的灵活外围区域更紧密。该模型可以作为理解正常发育和临床疾病中神经数据的框架，有助于解释神经发育障碍的合并症以及个体认知系统之间竞争处理的优势和劣势。
前言
神经发育障碍，是指大脑系统先天性发育不良引起的认知和行为障碍，对学业、社会和心理健康会有广泛的影响。神经发育障碍往往发生在特定认知功能上，如阅读障碍、先天性面孔失认症、注意缺陷多动障碍（ADHD）或自闭症谱系障碍（ASD）。许多关于神经发育障碍的认知来自疾病内部研究，而不是跨疾病的比较。研究跨诊断组的网络功能共性可以帮助深入了解大脑疾病之间哪些连接组的改变。大脑组织的核心-外围模型将稳定的核心感知和运动区域与灵活外围的多模式关联区域区分开来，核心区域比外围区域的互连更密集。
本综述阐述了核心基本处理单元与高级外围联合皮层之间连接性改变的常见模式，对感知、学习和记忆功能的神经发育障碍的影响。这种跨诊断方法有助于解释个体的合并症和自相矛盾的极端优势和劣势。
图1 与感知、助记和学术功能相关的长连接纤维
跨认知领域的神经发育障碍
知觉功能：先天性失认症和失乐症
先天性面容失认症是指无法感知面孔的人。在个体中，面部处理由跨腹侧枕颞叶皮层的网络支持，该网络包括梭状面部区域和枕面部区域，在结构上由下纵束和下枕额束连接（图 1B）。该网络中的额叶区域，通常与执行功能和注意力相关。先天性面容失认症，被认为是由于无法在功能性腹侧枕颞叶皮层和面部处理网络的扩展节点之间传播神经信号而引起的。
先天性失乐症是指终生无法感知音调的人。音调感知由额颞网络支持，该网络包括初级听觉皮层、颞上回和额下回，在结构上由上纵束连接（图1B）。患?
助记功能：自传式记忆、意象和导航
众所周知，分布式皮层参与了记忆任务信息的编码、存储和检索，这对有意识地理解助记符内容至关重要。海马-新皮层连接，通过穹窿（海马的主要传出通路）和长联合纤维到达额叶和顶叶，与实验室和自传式记忆任务的表现有关。对于自传式记忆严重缺乏症患者 （SDAM）（图 1C），其终生无法生动地回忆过去的自传事件，而其他功能则保留。患有SDAM 的个体表现出完整的基本知觉记忆处理，但他们表现出与有意识回忆或重新体验所遇到事件相关的大规模神经同步性降低。相比之下，与SDAM相反的是自传式记忆高度增强患者(HSAM)，会表现出增强的前额叶-海马体功能连接。
SDAM的基本缺陷目前还无法通过实验验证。视觉意象是一种与自传式记忆密切相关的认知能力。患有失语症的人，终生无法在脑海中创造自主心理意象，其视觉和其他感官主观意象低下，即使感知处理完好无损，他们也无法从视觉图像中获取信息。同样，它们对感知到的而非意象驱动的恐惧诱导刺激表现出生理反应。失能症表现出的视觉意象缺陷不是在知觉处理单元中实例化，而是在额叶和视觉皮层之间的反馈连接中实例化。相反，幻觉症则会在前额叶区域和视觉网络之间表现出更强的功能连接。
人类的空间认知由一个包括海马体、海马旁、压后皮质和前额叶皮质的网络支持。发育性地形定向障碍（DTD）的特征是终生无法驾驭新的和熟悉的环境。DTD 患者在较低水平的知觉区域（例如海马旁区）表现出完整的处理能力，但海马体、海马旁区、压后皮质和前额叶皮质和内部的结构和功能连接性降低。那些具有强大空间定向能力的人在空间定向网络中表现出更高的全局效率水平，并在海马体、边缘上回和初级运动皮层中增加节点中心性。同样，低密度脑电图数据的技术表明，与弱的空间导航能力相比，具有较强空间导航能力的个体表现出更多的功能连接。
学术能力：阅读和数学能力
阅读能力由左侧网络支持，与语言网络高度重叠，包括颞上回（Wernicke区）、额下回（Broca 区）和梭状回，并由下纵束连接，上纵束纵束、下额枕束和放射冠（图 1D）。患有发育性阅读障碍的个体在听觉皮层中表现出完整的语音表征，但这些颞区与左侧额下回之间的功能和结构连接减少。阅读障碍者还表现出视觉词形区域的连接性降低，但右半球内的连接性增加。值得注意的是，患有阅读障碍的人在阅读网络之外的大脑系统（例如边缘系统和运动系统）中表现出复杂的异常连接甚至超连接，这支持了特定行为障碍的广泛网络级起源的想法。
数学思维，包括基本的数字处理和更高层次的符号操作和计算，是学术领域内预测未来成功的另一项关键技能。发育性计算障碍是一种特定的数学学习障碍，与阅读障碍同样普遍，但研究却少得多。数学思维由额顶网络支持，该网络包括顶内沟、顶下小叶、顶上小叶和前额叶皮层，并且在结构上由一系列白质通路连接，包括下纵束、上纵束、下额枕束、放射冠、皮质脊髓束和胼胝体后段（图 1D）。发育性计算障碍表现为这些白质束内的结构连通性降低。计算障碍患者还表现出数字表示和数学网络中功能连接的异常，并且在成人和儿童中有所不同。患有计算障碍的成人在数字处理过程中表现出颞枕区的功能超连接和额顶叶区域的异常功能激活，而儿童在额顶网络和默认模式网络中表现出超连接。
根据跨感知、记忆和学术领域的神经影像学发现（图 1），表明跨不同认知领域的神经发育障碍具有共同的神经基质，即局部知觉区域和更高区域之间的远程投射减少，控制有意识地访问信息的前额叶区域。其他障碍（例如述情障碍、发育协调障碍、书写障碍）由于研究数量较少，因此未进行详细介绍。由于从病例对照脑成像数据中得出的推论存在局限性，观察到的分布效应不能最终与局部（模块化）效应区分开来。我们的目标不是排除模块功能障碍，而是强调网络级方法在解释神经发育障碍之间的共性方面的作用。
将网络神经科学应用于神经发育障碍
在不同的发育障碍患者上，局部知觉区域和前额叶区域之间接收远程皮质神经元投射呈现网络级减少。与神经发育障碍相关的缺陷范围从学习障碍到更广泛的执行功能、社交技能或智力障碍。从神经功能系统的角度解释特定领域神经发育障碍的研究，往往忽略了已知的跨大脑系统的动态交互性。利用神经影像数据的大脑网络，其非随机和独特的组织原则可以表征正常和紊乱的大脑功能的神经基质。
有研究提出，用核心-外围模型（见方框 2）来描述功能性大脑模块之间联系。核心-外围模型假设人类连接组由具有有限时间连接可变的稳定核心（即感觉运动和视觉区域）和具有频繁变化连接模式的灵活外围（即多模式关联区域）组成（图 1E）。与模块化一样，核心-外围组织在整个过程中得到巩固和加强，从而形成优化的模块化和集成的拓扑结构，同时支持模块内功能专业化和模块间协调。至关重要的是，核心-外围组织比单独的模块组织更准确地预测了发展过程中认知的个体差异。因此，核心-外围组织是一种可用于理解神经精神疾病和神经发育障碍的最佳模型。
方框 2
网络神经科学和核心-外围模型
神经影像学方法的进步促进了对大脑区域的结构和功能连接进行建模，这些连接已应用于识别和支持复杂行为的大脑网络。图 1E是神经发育障碍的核心-外围网络组织的示意图。网络神经科学模型利用图论框架，支持本地处理的系统元素或节点通过边连接。节点和边缘结合形成网络社区，由大脑网络中高度的节点连接，这些节点在网络的整体组织中占据中心位置（即枢纽节点）。网络倾向于通过形成局部密集的节点集群来最小化布线成本，这些节点被称为彼此高度连接但与其他集群稀疏连接的“模块”。大脑内的模块化反映了支持信息隔离的不同功能系统的解剖学基础。在整个开发过程中，模块内的连接性增强，而模块间的连接性减弱，但选定的中心边缘连接模块除外。因此，网络模块在整个发育过程中变得更加独特。这种存在于成年期的集成模块化拓扑结构支持大脑网络在不同认知领域的功能专业化。远程连接通常通过多个枢纽区域，使空间和功能不同的大脑模块之间能够进行有效通信。枢纽区域往往彼此紧密相连，在网络中形成中央“核心”。由密集连接的枢纽组成的核心和优先连接到核心的低度节点外围组成的网络被称为具有核心-外围组织。发育障碍的特点是核心-外围连接较弱，由于代偿性网络重组导致核心-外围连接更强，这可能是个体内部存在极端优势和劣势的原因。
在特定领域障碍（例如精神分裂症、自闭症、抑郁症）出现临床症状之前，就能观察到核心-外围异常。研究结果表明，特定领域的神经发育障碍与低水平、特定领域的知觉处理区域和高水平处理网络之间的连通性降低有关。这表明特定领域的疾病是核心和外围之间连接发育异常的结果，而不是核心本身的功能障碍。更具体地说，特定领域的神经发育障碍相关的网络级异常，来自构成外围的高级处理网络（主要在联合皮层内）到核心感知区域（例如视觉或听觉皮层）的异常反复反向投射。网络中的连接可能会因此重新配置以优化核心-外围组织约束内的功能。
在跨诊断方法中利用连通性
核心缺陷假说（见方框 2）试图解释具有单一和特定机械损伤的多方面神经生物学现象，例如阅读障碍的语音缺陷模型。然而，这种通过单一机械核心缺陷来解释特定神经发育障碍的尝试并未成功。因此，特定神经发育障碍是由封闭的神经区域或回路支持的。相反，研究人员提出，应将发育障碍重新定义为“很少有特定障碍，没有特定大脑区域”。
方框 3
核心缺陷假说
儿童在广泛的认知领域表现出相对优势和劣势的复杂组合。当孤立出特定的弱点时（例如，在阅读成绩不佳的情况下出现阅读障碍），可诊断为发育性学习障碍。然而，一些达到多种神经发育障碍诊断标准的儿童从未被正式诊断。这可能是因为“核心缺陷”假说是发展心理学研究的基础，尤其是神经发育障碍的研究。核心缺陷假说认为，单一的机械损伤可以解释特定诊断类别中所有观察到的认知和神经特征。阅读领域内核心缺陷模型的一个例子是语音缺陷理论，该理论认为有阅读障碍的儿童有选择地与音位意识作斗争。在数学领域，核心缺陷模型认为发育性计算障碍是专门用于处理数量的进化古老系统内缺陷的结果。虽然核心缺陷模型有望通过识别基本的认知或神经基础来增强对复杂行为现象的理解，但支持此类模型的研究遇到了一系列方法论问题，包括高度选择性、小样本和使用循环逻辑选择的测量。此外，核心缺陷假说无法解释自相矛盾的优势，这些优势在患有神经发育障碍的个体中一直存在。由于这些限制，研究人员正在接受更大、更多样化的样本、更广泛的评估方法和脑功能网络模型。
我们的综述表明，虽然与神经发育障碍相关的特定区域内存在功能障碍，但特定领域神经发育障碍的“共同特征”是核心区域与外围区域之间的长期投射中断，因此完整的低水平处理无法激发相关的意识。
通过网络查看神经发育障碍有助于解释由于网络混乱而发生的合并症。患有各种神经发育障碍与神经中枢的连通性相关，而不是单一的认知和大脑激活之间的一对一映射。通过内侧颞叶内的结构畸变，以及连接内侧颞叶和阅读关键领域特定区域的回路中功能连通性的降低，可以分别将患有阅读障碍和计算障碍的儿童区分开来。相关地，人工神经网络可以识别数据驱动的神经认知维度，这些维度与诊断无关，但反映了大脑组织的不同模式。未来的研究需要应用新开发的基于模型的方法，以揭示大脑网络的核心模块和特定外围模块之间的连通性，是否解释了具有特定领域神经发育障碍的个体诊断组之间的差异。
通过网络神经科学的镜头重新概念化神经发育障碍，也提供了对特定领域发育障碍的某些个体表现出的“矛盾”优势的洞察力（即在看似与个体障碍无关的领域中无法解释的优势）。
网络竞争，例如编码个人体验的特定细节和提取跨体验的规律性之间的计算权衡，表明网络的缺陷可能伴随着额外的资源分配给不同的补偿网络。在助记领域内，患有 SDAM 和失语症的个体在非情节过程中表现出优势，并且在高级科学专业中的比例过高。在学术领域内，患有特定学习障碍的儿童有时会在其他学习领域表现出自相矛盾的优势。同一个人内存在极高和极低的能力是分布式系统之间竞争和并行处理的结果。在网络神经科学和核心-外围组织的指导原则下，概念化神经发育障碍增强了这些想法的潜力，以支持学习者的全部能力，而不仅仅是那些患有神经发育障碍的人。
结论
从历史上看，神经发育障碍是在认知领域内而不是跨认知领域进行研究的。综合神经发育障碍的功能和结构连接发现，不同的神经发育障碍的特点是低级知觉处理模块和高级控制网络之间的结构和功能连接减少。核心-外围网络为解释这些发现提供了一个有用的框架。具体来说，看似不同的神经发育障碍在人类连接组的核心和外围之间的远程连接中都存在功能障碍。通过一种网络方法来识别跨内容域的神经发育障碍的共同起源，可以解释个体内部的合并症和矛盾优势等特征，而这些特征在侧重于特定内容域的表面水平差异的分析中并不明显。这种方法将有助于定义“大脑连接异常的连接组景观”，对于开发和实施个性化预防和干预方法以支持非典型学习者跨越发展具有重要意义。
参考文献：Common neural substrates of diverse neurodevelopmental disorders
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