持續注意(sustained attention)是一種對日常生活至關重要的基本心理能力。功能磁共振(Functional magnetic resonance imaging, fMRI)研究發現，多個腦功能網絡在被試內腦活動變化及持續注意的個體差異中起著重要作用。之前研究表明，背側注意網絡(dorsal attention network, DAN)，腹側注意網絡(ventral attention network, VAN)和默認網絡(default mode network, DMN)的活動與持續操作任務(continuous performance task, CPT)中的準確性和變異性相關。然而，

##方法##

1.被試

該研究招募了125名退伍軍人(6.4%女性，M=31.2±7.6，教育年限M=14.0±1.9)，排除標準包括:(a)神經疾病史(TBI除外)；(b)癲癇發作史；(c)精神分裂症譜系或其他精神障礙的當前診斷(與PTSD無關)；(d)目前需要進行危機干預的自殺和/或他殺意念、意圖或計劃；或(e)非創傷性腦損傷(TBI)所致的一般醫療狀況引起的認知障礙。

2.行為範式與刺激

2.1 持續操作任務

被試在核磁共振掃描儀中完成8分鐘的漸進呈現的持持續操作任務(gradual onset continuous performance task, gradCPT)，即go/no-goCPT。任務中隨機出現兩類場景刺激，山地或城市場景灰度照片。在每一個試次中，隨機呈現一個場景，要求被試在每一個城市場景出現時按鍵，而不對山地場景做出反應。實驗中的刺激有90%的可能為城市場景，10%的為山地場景。相同場景類別(不相同圖像)可以出現在連續的測試中。每個試次中場景圖像會在800毫秒內逐漸淡出至下一個，總共600個試次。掃描前，給予1-2分鐘的練習。使用標準的信號檢測方法，用虛報率和遺漏錯誤率來計算d-prime(d ')，它反映了被試區分城市和山區場景的能力。

2.2注意變量檢驗

注意變量檢驗(Test of Variables of Attention, TOVA)也是一個20分鐘測量持續注意力任務。所有刺激都是由一個白色正方形和一個位於白色正方形中間的黑色小方塊組成的。黑色方塊靠近白色方塊的頂部為目標刺激，靠近底部為非目標刺激。被試需要對目標刺激做出反應，忽略非目標刺激。每個試驗持續2000毫秒，共648個試次組成，50%是目標試驗。然而，在TOVA的前半部分，目標刺激出現的概率為22.5%，而在後半部分，目標刺激出現概率為77.5%。這項任務是在MRI掃描儀之外進行的，然後在一個安靜的測試室內進行掃描。計算每個被試的d '值。

3. 臨床評價

臨床心理學家用CAPS面試對PTSD症狀的嚴重程度通過進行評估(McGlinchey，et al., 2017)。該研究中，總症狀嚴重程度評分被作為協變量納入分析以控制PTSD。由波士頓TBI-Lifetime評估(Fortier et al., 2014)確定的TBI終生病史(在本樣本中，僅為輕度TBI)被評估為該退伍軍人群體的潛在協變量。老兵們還進行了韋氏成人閱讀測試(WTAR)，用於評估發病前的IQ。

4. MRI的獲取、處理和分析

在3T Siemens TIM Trio 掃描儀中獲取每個被試的磁化快速梯度回波序列的T1加權像(TR/ TE= 2530/3.32 ms, 體素分辨率1 × 1 × 1 mm^3, 翻轉角7°)。使用FreeSurfer(Fischl, 2012)對圖像進行皮層表面重建。總之，在灰質和白質、灰質和軟腦膜表面之間確定皮質帶灰質的高對比度邊界。自動化處理後，每一次掃描都進行手動調整，以確保準確性。皮質厚度定義為白質與軟腦膜表面上每一點之間的最短距離(Fischl & Dale, 2000)。根據皮質摺疊模式用FreeSurfer's fsaverage將皮層表面從個體空間表面配準到標準空間進行組間比較(Fischl, 2012 )。用20 mm^2高斯核平滑沿表面對皮質厚度進行測量

5. 統計分析
5.1 全腦縱向分析

多元迴歸分析用來檢驗持續注意能力(即gradCPT和TOVA任務中的d ')如何預測每個皮質頂點的皮質厚度。考慮到它們與注意力和皮層厚度的關係，所有的迴歸分析將年齡，CAPS分數，一生中輕度TBI的次數和智商作為協變量。因此，每個注意力任務都生成了大腦縱向效應圖，用以顯示這些關聯的方向和空間分佈。多重比較校正使用的是蒙特卡羅模擬來確定p值下的cluster的大小閾值。cluster垂直閾值p< 0.05，校正的cluster大小p <0.05，顯著區域以綠色邊界標註(圖1)。圖中也給出了通過兩個持續注意任務效應的重疊圖，用以顯示了皮層厚度與兩個持續注意任務表現相關的區域。

5.2 網絡間相關

這項研究還探討了持續注意與七個的主要腦功能網(Yeo et al., 2011)）皮層厚度之間的關係(控制了年齡、PTSD、TBI和智商的影響)。總的來說，每個任務計算了14個相關值(Pearson相關)，並使用FDR進行多重比較矯正。

##結果##

1.行為表現

對於gradCPT，所有被試的d '平均值2.84(SD=0.89)。在TOVA測試中，參與者的平均d '值為4.92 (SD=1.56)。d ' 在gradCPT和TOVA之間的相關(r=0 .523, p < 0.001)。

2.全腦垂直皮層厚度

兩項持續注意任務中持續注意與皮質厚度之間的關係如圖所示(圖1)。所有通過多重比較校正的區域都用綠色邊界標出。未存活的區域也被顯示出來，進行比較。圖1顯示了gradCPT(左邊)和TOVA(中柱)的準確性d'與皮層厚度的相關性。表1列出了在校正後顯著的區域。在gradCPT中，內側視覺區、頂葉和軀體運動區皮層厚度的增加與更高的準確性相關;雙側上顳葉和右側背頂葉區域也有顯著性差異(表1)。gradCPT中相關圖的空間分佈與TOVA生成的相關圖非常相似。在TOVA中，右側額上回區域的cluster通過了校正；而在gradCPT組，右側背頂葉區域的cluster通過了校正。兩項任務中，大腦皮層越厚，任務完成就越準確。圖1最右邊顯示了兩個任務中與d '相關的重疊區域的。表1總結了所有重要的clusters及其位置。反應時間變異與d '呈負相關，與皮層厚度呈負相關。作者還分析了皮層體積和表面積表明更大的gradCPT d '與右腦外側枕區灰質體積有關，MNI (28, -95, -6)大小為5949.30 mm^2。

圖1

表1

3.網絡間相關

如圖2所示，雙側視覺網絡和軀體運動網絡的皮層厚度與gradCPT的d '顯著相關(圖2a; 左視覺網絡: r = 0.248,p =0 .011;右視覺網絡: r = 0.258,p =0.0036;左側軀體運動: r =0.182,p =0.036;右側軀體運動: r = 0.194,p =0.022)。右DAN也表現出與gradCPT的d '正相關(r=0.214, p =0.028)。在多次比較中，只有左右視覺網絡通過FDR校正(分別為FDR q = 0.026和FDR q = 0.037)。經FDR校正後，右側DAN和軀體運動達到邊緣顯著(FDR q = 0.057, FDR q = 0.071)。TOVA的d '相關性主要與gradCPT基本一致，都與雙側軀體運動網絡(圖2bLH: r = 0.205, p =0.024; RH: r =0.208, p =0.022)；右視覺網絡(r = 0.196, p = 0.031)，右側DAN(r = 0.216, p =0.017)的皮層厚度顯著相關。與gradCPT不同的是，右側VAN與TOVA d '也有顯著的相關(r=0.215, p=0.018)(圖2)。右側視覺網絡、軀體運動網絡、DAN和VAN在FDR校正後依舊差異顯著(視覺網絡、軀體運動網絡、DAN FDR q = 0.052; VAN,FDR q = 0.055)。總體而言，持續注意任務(gradCPT/TOVA的d ')中一致且顯著相關的網絡為右側視覺網絡、雙側軀體運動網絡和右側DAN。

圖2

##討論##

當前研究以成年人(主要為男性)退伍軍人為樣本，探討了持續注意與皮質厚度之間的關係。結果表明，在兩個不同的持續注意任務(TOVA和gradCPT)中，大腦多個區域的皮層厚度與持續注意有關，皮質越厚，表現越好。與持續注意表現最相關的大腦區域包括視覺和軀體運動皮質，以及額葉和頂葉皮質的聯合皮質。在網絡層面，DAN、VAN、軀體運動網絡和視覺網絡的皮層厚度與持續注意顯著相關。持續注意和皮層厚度之間的相關性在右半球更強。該研究是第一個將大腦皮層厚度與注意力聯繫起來的研究，對理解大腦結構與認知的關係具有重要意義。

作者預測，更厚的皮質與更好的持續注意任務表現相關，更具體地說，是右半球DAN和VAN會表現出這些關聯。該研究發現了持續注意與右半球DAN(在gradCPT和TOVA期間)和右半球VAN (TOVA期間)的關係。雖然還缺乏沒有明顯神經損傷(如中風)的被試的結構上MRI研究，但損傷和fMRI相關研究可以解釋這些發現。在損傷研究中，有忽視的病人在持續注意方面有嚴重的缺陷。特別是腦損傷，尤其是後頂葉皮層損傷患者, 表現出非空間持續注意的損傷, 這暗示了右腦結構在維護警覺中的必要性。確切的說，這些損傷研究表明，功能正常的DAN和VAN，尤其是在右半球，對於維持注意力的最佳狀態是必要的。fMRI研究也顯示出這些區域在執行gradCPT任務期間的激活。這與研究者們之前的研究相一致。例如，低DAN活動可能是注意力缺失的前兆。這些發現與用經顱磁刺激(TMS) DAN來暫時的調節持續注意的研究結果一致。總的來說，右DAN和VAN中皮層厚度與持續注意的關係與之前涉及病人、fMRI和TMS的文獻中報道的是一致的。

該研究主要假設是，任務表現與注意力相關的區域的皮層厚度有關。然而，研究者們還發現，視覺網絡和軀體運動網絡的皮層厚度可以預測任務表現。因此，這些發現大體上支持了前面的假設，即任務相關區域的皮層越厚，任務表現越好。對於這些發現的一個可能的解釋是，擁有更厚的軀體運動網絡皮層的個體對手指運動有更好的控制，以達到最佳的一致性和準確性來完成持續操作任務(CPT)。類似地，視覺刺激的快速處理和分類應該有助於任務表現，而這可能受到視覺皮質完整性的影響。考慮到這項研究是在退伍軍人群體中進行的，故不能排除這種可能，即一些擁有出眾的持續注意力技能的人，可能已經找到了與視覺和軀體運動網絡相匹配的工作。重要的是，雖然gradCPT需要對複雜的場景進行快速的加工和分類，而在TOVA中要慢一些，但是這些相關結果依然穩健。此外，該研究中確定的視覺和軀體運動區域內的神經結構可能不僅對感覺和運動的貢獻很重要，對更廣泛地維持注意力也很重要。最近的研究已經證明了知覺、注意力和目標導向的運動行為之間的基本聯繫，因此這些過程可能不是獨立的。值得注意的是，其他不涉及任務表現的網絡，如邊緣網絡，並沒有被發現是任務表現的重要預測因子。對更多樣化的認知任務的進一步研究將更好地闡明皮層厚度的個體差異對任務表現的獨特貢獻。

為了更全面地瞭解持續注意與大腦結構的關係，研究者們使用了兩項都需要持續注意，但節奏不同的兩項任務。gradCPT是由城市和山地場景組成的CPT，要求參與者對城市場景做出反應(90%)，對山地場景不反應(10%的試驗)。TOVA要求參與者對黑色方塊的位置做出反應;在任務的前半部分目標出現概率低(22.5%)，在任務的後半部分目標出現概率高(77.5%)。局部腦區和網絡與兩項任務中更好的行為表現相關，包括視覺區、軀體運動區和背側注意力區域。這表明，這些區域的皮層厚度預測了持續注意水平，這種預示不具任務特異性。另一方面，這兩項任務通過了在go-no/go風格的持續操作任務的準確性評估，因此其他持續注意的補充測量，如精神運動警覺任務，將有助於確保這些結果的普遍性。此外，使用思維探針進行走神研究的任務也可以提供持續注意力的輔助測量，並可能涉及其他網絡，如DMN等。也有研究採用更多的因子分析法來探索認知和皮層結構之間的關係，他們考察了表面積、體積和皮層厚度之間的聯繫，以及智力和認知結構(如記憶和注意力)的潛在變量。他們發現在智力和認知能力的結構測量中有重疊的區域。關鍵的是，研究者們的結果即使在控制了智商的情況下依然穩健，這表明這些發現不能完全被全腦認知能力的差異所捕獲。此外，對錶面積和體積的分析發現，右半球外側枕葉區域更高gradCPT d '與更大皮質體積之間存在顯著的相關性，而且該區域與皮質厚度相關(見文章輔助材料)。雖然目前的研究旨在分離持續注意的大腦結構，但未來的研究可以進一步擴展該研究的方法，以獲得如持續注意與其他認知能力的相關聯的腦結構。

這個研究主要有以下幾個侷限性：

1.該研究雖然給出的相關性，但並沒有提供更厚的皮層導致更好的持續注意這樣一種機制。之前有人研究過皮層厚度的變化以及終生持續注意能力, 因此對被試進行縱向追蹤，研究年齡相關的皮質厚度變化與年齡相關的持續注意力變化之間的關係，以及這種關係在不同生命階段是更強還是更弱是很重要的。雖然有研究表明，在同一隊列中，gradCPT/TOVA之間的關係在1-2年內保持穩定，表明它們主要捕獲穩定的基於特徵的持續注意。然而，基於狀態的影響(例如，動機、壓力和疲勞)對任務表現的影響仍然值得考慮。

2.研究者們使用的是退伍軍人的樣本，所以創傷相關的條件，如PTSD，可以影響注意力和皮層厚度。然而，之前在退伍軍人樣本中所做的研究(精神疾病發生率與當前研究樣本相似)表明，gradCPT在退伍軍人和非退伍軍人樣本中的表現高度一致(Fortenbaugh et al., 2018)。Fortenbaugh等人(2018)也在退伍軍人樣本與非退伍軍人樣本中發現了類似的gradCPT期間的fMRI活動，這表明當前的老兵樣本可能代表了更大的人群。儘管如此，在非退伍軍人或有更多女性的樣本中重複當前的研究，將有助於評估這些結果的普遍性。

##總結##

總的來說，這項研究通過全腦縱向分析和基於皮層網絡的方法建立了皮層厚度和持續注意力之間的聯繫。研究結果表明了，背側注意網絡、腹側注意網絡、視覺和軀體運動網絡的皮層厚度與持續注意相關。這些結果對於進一步研究了大腦結構的正常變化及其與認知的關係，增加了結構MRI如何幫助解釋認知個體差異的知識以及大腦結構異常如何影響注意力缺陷的臨床人群中發揮作用，具有重要的意義。

參考文獻

Alex, M., David, R., Victoria, P., Meghan,R., Regina, M.,Joseph, D., & et al.Individual differences in sustained attention are associated with cortical thickness. Human brain mapping. 2019.

Fischl, B. R. (2012).FreeSurfer. NeuroImage, 62(2), 774–781.

Fortenbaugh, F. C.,Rothlein, D., McGlinchey, R., DeGutis, J., & Esterman, M. (2018). Tracking behavioral and neural fluctuations during sustained attention: A robust replication and extension. NeuroImage, 171, 148–164.

Fortier, C. B., Amick,M. M., Grande, L., McGlynn, S., Kenna, A., Morra, L., & et al. (2014). The Boston Assessment of Traumatic Brain Injury-Lifetime (BAT-L) semistructured interview: Evidence of research utility and validity. The Journal of Head Trauma Rehabilitation, 29(1), 89–98.

McGlinchey, R. E.,Milberg, W. P., Fonda, J. R., & Fortier, C. B. (2017). A methodology for assessing deployment trauma and its consequences in OEF/OIF/OND veterans: TheTRACTS longitudinal prospective cohort study. International Journal of Methodsin Psychiatric Research, 26(3), e1556.

Yeo, B. T. T., Krienen,F. M., Sepulcre, J., Sabuncu, M. R., Lashkari, D., Hollinshead, M., & etal. (2011). The organization of the human cerebral cortex estimated by intrinsic functional connectivity. Journal of Neurophysiology, 106,1125–1165.

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