大脑前扣带回皮层与执行功能

【摘要】  回顾了近期有关大脑前扣带回皮层（ACC）参与执行功能的研究资料。结果显示，ACC可以对正在进行的目标定向行为实施在线监控，在出现反应冲突或错误时提供信号，以便能及时调整与分配注意资源，因此可能是一个行为规划与执行的高级调控结构。这两年来的新发现提示，ACC的执行监控作用可能是基于动机与奖赏期待做出的对“意志行动”的整合性控制，并可能具有对行动结果的情绪评价意义。

【关键词】  前扣带回皮层，执行功能，冲突与错误监控，动机与情绪评价。

     执行功能（executive function）是指个体在实施目的行为过程中以动态、灵活的方式协调多个认知子系统活动的复杂认知过程[1,2]。由于它可能与人类许多高级心理功能有密切关系，因而成为了当今认知神经科学研究的重要前沿课题。现有的研究[1~3]提示，执行功能可能主要涉及额叶皮层与其它皮层及皮层下脑区的动态交互作用。其中，位于大脑额叶内侧的前扣带回皮层（ACC, Anterior Cingulate Cortex，包括Brodmann 24,25和32区）可以监控正在进行的目标定向行为，在出现反应冲突或错误时提供信号，并能根据当前的任务加工要求将注意资源在相关脑区中进行有效配置，因而可能是执行功能神经网络中的一个高级调控结构[1]。近两年来的研究开始探查ACC参与执行功能的内在作用机制：如反应冲突与错误监控是否由ACC的分离系统来调节[4,5]；ACC提供的反应冲突或错误出现信号的动机与情绪评价意义，及其对行为决策与意志行动控制的影响[6~11]。本文将试图对这一领域的相关资料与理论假设进行评述。

    1 注意监管假设

    执行功能可能存在多种不同表现形式，其中注意与抑制可能是最基本的加工要素[12]。Shallice等[13]基于“注意监管系统”（supervisory attentional system, SAS）假设构建的反应选择模式可以说明目标定向行为执行的调控机制（图１）。模式的中心是一些图式控制单元（schema control units）或动作反应表征，它们对应于某些外显动作，或能引起目的行为的长时记忆激活。知觉系统的信息输入通过与控制单元间的习得性联系启动图式反应。如果有多个图式控制单元同时激活，则需要有控制性加工的参与以保证选择合适的控制单元。这可以通过两种方式来实现，一是竞争性时间安排(contention scheduling)，它被动接受输入信息的驱动，并按时逐一完成所有的动作图式，这比较适合控制单元间相互排斥的情况。另一是通过SAS实现的加工，它可以根据情境需要让某些图式控制单元优先得到选择，以实现动作执行的动态可塑性变化。如人们遇到困难的、新奇的、需要纠错和克服习惯反应的情境时就须启动SAS的加工。许多研究证据[14~20]表明，ACC在目标定向行为的执行中可能起到SAS的作用。

    Corbetta等[14]在一项正电子放射层描术（PET）的研究中让被试选择注意视觉刺激的一种特征（颜色、运动或形状），或同时注意这三种特征的变化，后一种条件下须进行注意资源的分配。结果显示，与被动观测的控制条件相比，选择注意条件出现了与这些特征加工相关联络区皮层的活动增强，如注意运动时出现外侧前纹状皮层的血流增加，注意颜色时引起了更为内侧脑区的血流增加。分配注意条件下ACC的血流增加最明显，提示此时需要一个高级的注意系统来监管这些特征模块的加工。

    ACC的损伤在临床上会引起语言障碍，早期PET研究也发现词汇产生任务加工中ACC和下部前额叶皮层同时被激活。Raichle等[15]的PET研究进一步检查了词汇产生任务难度与ACC激活的相关性。实验先让被试在几个语义相关动词中选择一个与靶名词匹配，如“苹果”一词的可能选择反应的是“削皮”、“吃”、“扔”或“打印”等；随后的实验变成了一项记忆提取测验，所需报告的词总是相同的语义关联词。在前一项任务加工中，ACC和前额叶皮层有明显的激活，表明面对新异刺激和加工条件苛刻时需要注意监管系统的参与。后一种条件下明显激活的脑区移向了颞叶脑岛皮层，这可能是因为词汇项目不再新异了，词汇产生也变得容易了，这时对注意监管系统的需要也随之减弱。一旦实验中使用了新的词表时，ACC的激活又重新出现。

    Posner[16]根据以上证据提出假设（见图2）认为，ACC可能处于行为执行控制结构的高级部位，能协调不同注意系统之间的活动。由于PET较差的时间分辨率，使得研究者还无法确定ACC、外侧前额叶皮层与后部活跃脑区的明确作用。Snyder等[17]的事件相关电位（ERPs）研究对此作了解答。实验采用相减法，得出了词产生与复述条件之间ERPs的波型差异。采用定位法，可以确认它们活动差异的来源和时间进程。同时采用PET技术可以确定各个活动集中脑区之间的空间关系。结果表明，第一个差异出现在靶名词呈现后180ms，产生源只在ACC；大约30ms之后，第二个产生源出现在左半球的外侧前额叶皮层；最后，大约在刺激呈现后620ms，左半球的后部皮层出现了第三个产生源。基于这一时间进程研究者认为，ACC的最早活动反映了注意资源在这些新异刺激间的分配，它也许建立了外侧前额叶皮层工作记忆系统活动的一个节点，以便进一步从后部脑区有关词的长时语义记忆中获取表征。随着加工在后部脑区语义网络中的扩散，工作记忆系统将抑制那些无关的联想表征（如红的，或园的），允许相关联想得以激活（如吃）。可见，ACC的注意监管作用可以保证目标定向行为中工作记忆和长时记忆之间的相互作用。

    Stroop任务要求被试命名以不同颜色写出的色词，有词与色一致和不一致两种情况，被试须命名词的颜色，而抑制读词的自然倾向。在一致条件下（如以绿色写出的绿字）由于词所激活的图式单元也引起同样的反应，因而没有冲突；但在不一致条件下（如以红色写出的绿字）两种图式是冲突的，被试须克服读词的倾向，而集中注意词的颜色。在完成Stroop任务时采用PET技术的研究资料[18,19]显示ACC有更多的激活，提示ACC可能在克服习惯性反应中起作用。

    诱发电位的研究[20]还表明ACC在检查错误中的作用。当被试做出错误反应时前额叶皮层的较大诱发反应—错误相关负波（ERN）消失了，而这种反应出现在ACC。有趣的是ERN在被试对错误反应没有意识时消失了，且错误反应的强度与诱发反应的振幅相关。研究者推测，ACC监控到已被启动的错误反应图式，并试图打消这一反应，但常常由于太迟而无法抑制。

    近期，Ridderinkhof等[21]采用“侧向任务”(flanker task)检查分心刺激引起的ERN是否受服用酒精的损害。被试在服用安慰剂和服用两种不同剂量酒精的三种处理后完成任务操作。结果表明，服用酒精对代表ACC监控不一致刺激冲突正确反应的N2波没有影响。安慰剂条件下与错误反应明显相关的是ERN，在ACC附近的中央额处振幅最大。与安慰剂条件相比，服用两种不同计量酒精条件均选择性减弱了ERN的振幅，这会损害错误出现后发动纠正行为的调节能力。研究者认为，这也许就是酒精影响内侧额叶功能而导致错误出现后妥协行为的可能机制。

    2 反应冲突评价假设

    Carter等[22]采用事件相关的磁共振成像技术(fMRI)检查了ACC的功能，确认这一脑区在错误发生时有激活，但在反应竞争增加的条件下出现正确反应时也有激活，这提示ACC监控的似乎是错误可能发生的条件，而不是错误本身。Cohen等[23]进一步提出，ACC的关键作用是评价反应冲突，如困难与新奇情境可能会导致反应的冲突；动词产生任务中会出现多个合适选择反应之间的冲突；错误反应本身会产生冲突；Stroop任务加工中也会出现所选反应与习惯反应倾向之间的冲突。他们认为，冲突监控是资源分配前的计算需求。当监控出有较高的冲突水平时，就必须增加注意的警觉性, 此时ACC的活动增加是为了调整其它脑区的活动。这一假设得到了一些fMRI研究证据[23~27]的支持。采用“侧向任务”的研究[23]发现：不一致条件下ACC的活动强于一致条件；被试反应正确时ACC也增加激活水平；当前一次测验为不一致条件时，后一次相同条件引起ACC活动的减弱。研究者认为，尽管不能排除错误发生时会有ACC活动水平的增加，但ACC的活动主要是提供冲突存在的信号，并征用注意资源去处理冲突。Barch等[24]的研究也表明，ACC的激活尽管在错误和正确反应时都出现，但较大竞争条件是必需的。他们还发现，那些能够诱发竞争性动词产生的任务才会明显激活ACC。因此，ACC的主要功能可能是监控不合适反应的竞争或串扰（crosstalk）。

    我国学者罗劲等以传统谜语为材料对“顿悟”思维过程的研究也提供了与反应冲突评价假设相符的结果。他们在一项fMRI研究[25]中发现，相对于不包含思维定势打破的项目，包含思维定势打破的项目都伴随有ACC的激活。在另一项与之平行的ERPs研究[26]中还发现，与不包含思维定势打破的项目/答案相比较，包含思维定势打破的项目/答案出现了一个波峰为380ms的差异负波（N380）。研究者认为，这一负波相当于对正确反应冲突监控的N2波或对错误编码的ERN，偶极子分析证实其波源在ACC。研究者推测，由于整个顿悟过程从启动到完成约需2000ms左右，ACC的活动是发生在顿悟过程启动的初级阶段，在思维定势的打破中起到一个“早期预警系统”的作用，可能控制思维的信息加工流向。

    近期，Sanfey等[27]采用fMRI技术检查了最后通牒式游戏者（Ultimatum Game players）在任务加工中认知和情绪参与经济决策过程的神经基础。游戏中两个游戏者共分一笔钱，一个人建议采取一种分配方法，另一个人可以接受，也可以拒绝。成像扫描在被试做出公平与不公平的反应时进行。结果发现，人类伙伴的不公平建议相对于公平建议在两侧前部岛叶、背外侧前额叶皮层和ACC出现更大的激活。研究者认为，前部岛叶的激活表征了不公平建议引起的情绪性厌恶反应，这与身体刺激（如味觉和嗅觉）性厌恶征用了相同的神经结构；背外侧前额叶一般与认知加工，如目标保持和执行控制有关，不公平条件下这一脑区的激活也许与任务目标，即尽可能聚集更多钱的目标表征与保持有关；ACC参与了认知冲突的监控，它的活动也许反映了认知与情绪在任务加工中的冲突。

    3 监控反应冲突与错误的ACC分离系统

    虽然有研究资料支持ACC监控高度冲突任务加工的假设，但ACC在出现错误时也有明显激活。近期，有些研究开始检查监控反应冲突与错误是否由统一的ACC的结构与功能系统来完成, 还是可以相互分离的。Veen等[4]采用ERPs产生源定位技术检查了ACC在监控反应冲突与监控错误的时间模式。偶极电子建模的结果提示，额叶中央区出现的先于正确冲突反应的N2波和伴随错误反应的ERN，其产生源均定位于尾部ACC，提示这两个电位变化可能由相同的加工支持。结果还显示，喙部ACC激活在错误后出现，也在ERN之后，潜伏期为200~500ms，可能对错误的正波（PE）起作用。这些发现提示，尾部ACC的先期活动表明这一脑区可能监控冲突的发生，但在错误监控中尾部与喙部ACC活动可能是相分离的，这反映ACC可能存在着分离的评价功能成份。

    Swick等[5]采用ERPs技术检查了一例罕见的局部性喙部至中间背部ACC损伤病人在完成冲突任务与错误反应时的神经激活过程。结果表明，与正常人相比病人错误反应之后的ERN减弱了，并伴有较低的错误纠正为正确的反应率。正确冲突测验的N450却有所增强。这提示，ACC负责的两个注意控制单元之间的不同。病人错误监控的ERPs信号减弱了，他改正错误的能力（或动机）也受到损害。相反，冲突监控相关的ERPs却有所增强，说明背部ACC并不产生这种成份。研究者假设，正常条件下外侧前额叶脑区会监控反应冲突，而背部ACC的损伤可能会障碍反应的抑制，这可能是扣带回与补充运动脑区间的失联系所致。因此，喙部至背部ACC在错误监控中的作用可能与冲突监控过程相分离。研究者认为，前额叶皮层监控反应冲突，并与背部ACC、后部扣带回和补充运动区联络以解决冲突。这一假设与由背部ACC监控反应冲突和提供信号给外侧前额叶皮层以解决冲突的观点不一致。

    4 ACC执行监控信号的动机与情绪评价意义

    尽管较多研究普遍认同ACC在目标定向行为的执行中能提供监控信号，但对于ACC确切监控了什么仍不甚了解。目前的研究可能基于两种不同假设[6]：一是ACC提供了可能导致错误的不适合反应加工同时激活所出现的冲突量的信号，即冲突评价假设；二是ACC提供了预期与实际反应间比较的信号，或预期与实际强化间比较的信号。前一种假设虽然可以解释许多研究结果，但显然过于表面化。后一种假设由于指向了监控的内在动因与行为结果之间的关系，更可能涉及监控作用的深层机制。近两年在美国Science杂志上发表的多篇研究报告[6~11]开始探查ACC监控信号对行为结果的动机与情绪评价意义，这为了解ACC参与执行功能的内在作用机制提供了一些有价值的资料。

    Ito等[6]的研究记录了猴子在完成一项快速眼动扫描撤销（Saccade Countermanding）任务时ACC的细胞单位放电活动，这一实验范式可以提供眼动执行加工中错误、强化和冲突监控相分离的神经信号。结果发现，错误信号神经元有半数对获得性强化的冗长有反应；还有不同种类的神经元对获得性强化或非期待性强化提供信号；没有神经元对由于任务快速准备中断所带来的冲突提供信号。这一结果倾向于支持ACC监控行动结果的假设。

    Shidara等[7]让猴子完成包含多个测验的程序性任务，当视觉线索提示奖赏将要出现时，随着所剩测验的减少猴子的反应错误率会下降，表明伴随奖赏的逼近动机或奖赏性期待在不断增强。细胞单位放电记录的结果表明，猴子的ACC有约三分之一的细胞出现信号反应，且会随动机性奖赏期待的提高不断增强。不过，这一效应在随机线索呈现时消失了。研究者认为，ACC在目标行为执行监控中所起的作用可能都依赖于对获得奖赏可能性的评价。Peoples[8]在Science上撰文评论这一发现时指出，ACC可能是调节意志行动神经环路中的重要成分。为了生存、利益最大化和弱化伤害，个体需要选择那些可以实现适应性目标的理想行动。在长时间与不确定的动作系列执行过程中，需要有一个为了实现目标选择合适行为的“意志”控制。既然ACC中找到了一组可以编码奖励期待的神经元，且这种预期性神经编码出现在可能影响将来行为的时刻，也许它们对于推动那些改善奖励获得可能性的行动是关键的。因此，ACC可能对动机影响行为有全面的整合性贡献。

    Gehring等[9]的ERPs研究还发现，ACC的激活似乎代表了脑在一瞬间对事件结果的情绪反应。他们记录了赌博任务中告知参加者输赢结果后265ms神经加工。ACC产生的时间相关性内侧额叶负波(MFN)在两可选择可能都导致输钱比导致赢钱时出现更大的振幅。这种输钱相关的敏感性并不简单地反映对错误的监控。Miller[10]在Science上撰文认为，这一发现有两个重要启示：（1）ACC监控信号所起的作用可能是更为基本的，即对事情结果进行好与坏的主观评价，甚至出现在人们意识到所做事情的结果之前；（2）ACC的监控信号可以中介情绪评价来影响执行加工中的反应选择。

    另外，Eisenberger等[11]采用fMRI技术的研究也提示了ACC监控信号对负性情绪评价意义。他们发现人类被试的ACC在游戏过程中被拒绝或排斥时比参与过程有更多的激活，与自我报告的悲伤程度成正相关。右半球腹侧前额叶皮层(RVPFC)在被试被拒绝或排斥过程中也有激活，与自我评价的悲伤程度成负相关。这表明：ACC的激活可能与自我评价的情感状态相关；ACC的活性改变可能中介调节着RVPFC的悲痛相关，RVPFC也可以通过中断ACC的活动来减低社会性拒绝或排斥引起的悲痛。

    5 总结与展望

    纵观10多年来的研究资料，ACC参与目标行为执行功能的研究的确取得了令人瞩目的进展。目前的研究主要集中在检查ACC对目的行为的执行如何实施在线监控的机制上。由于监控作用涉及到规划与执行复杂认知加工的高级调控过程，因而，它对执行功能的影响可能是全面的和整合性的。研究ACC执行监控机制的关键在于解决监控什么与如何监控的问题。“冲突评价假设”的相关研究认为，ACC可以提供不同加工之间或不同反应之间出现冲突的信号，以便根据任务加工要求进一步对人脑的注意与加工资源进行重新配置。这种观点虽然回答了监控什么，但并没有涉及如何监控的问题。近两年来的研究表明，ACC的监测信号可能是基于行动目标与实际反应间的比较作出的，其性质也许是对这种误差的情绪评价，并可能据此影响随后的认知决策或“意志行动”控制。这些新的进展提示，ACC参与执行功能可能不仅主要表现为对执行加工过程的注意与抑制，而且有可能中介情绪评价在动机影响行为过程中发挥全面与整合性监控作用。

    ACC与执行功能的关系是目前认知神经科学研究领域的一个热点课题，近两年Science杂志上多篇关于ACC与执行功能关系的研究报告[6~11,21,25]就说明了这一点。ACC在目标行为执行过程中的在线监控机制虽已初见端倪，但由于它不仅涉及认知加工过程，而且也可能与动机、情绪和意志行动控制有着复杂的相互作用，因此，ACC参与执行功能机制的研究可能是困难和具有挑战性的。今后的研究可以在以下方面有所作为：（1）设计更为精巧的认知行为实验检测ACC执行功能及其与其它脑功能系统的关联；（2）继续采用对脑功能活动有高时间分辨率技术（如ERPs）与高空间分辨率技术（如fMRI）；（3）对高等灵长动物的ACC进行细胞单位电活动的精细记录与分析；（4）选择临床上ACC局部区域受损病人进行执行功能紊乱的细致检查。以上研究技术和实验方法需要进行合理有效的整合才能发挥各自的优势。可以预期，ACC参与执行功能机制的最终揭示将对人脑的一些高级心理机能及其障碍的阐明有重要贡献。