Directional coordination along the cortical hierarchy is selectively reorganized in schizophrenia

人类大脑并非一个静态的机器，而是一个动态的景观，在不同的运作模式之间不断切换。几十年来，科学家们已经了解到大脑是具有层级结构的，这种分层结构中，较低的区域处理基本的感官输入（如视觉和听觉），而较高的区域则管理复杂的思考与规划。神经科学中的一个核心问题是，这些层级之间是如何进行交流的。是高层区域向低层区域发送指令，还是低层区域将原始数据向上发送以进行处理？在被称为精神分裂症的疾病中，这种通信被认为出现了崩溃，导致世界变得感觉像是未经过滤且脱离了语境的感官体验。然而，直到目前为止，用于研究大脑的工具就像是一台只能记录场景亮度却忽略光线方向的照相机。它们可以告诉研究人员两个大脑区域之间的连接有多强，但无法看到在任何给定时刻，哪个区域在主导对话。

由三机构转化神经影像与数据科学中心（Tri-Institutional Center for Translational Research in Neuroimaging and Data Science）的研究人员开展的一项新研究通过开发一种观察大脑交通方向的方法改变了这一现状。通过分析包括精神分裂症患者在内的数百人的脑部扫描图像，该团队发现大脑自然地循环通过三种不同的通信状态。在一种状态下，高层思维区域领导着低层感觉区域，扮演着像经理发布指令的角色。在另一种状态下，感觉区域处于领先地位，将原始数据向上发送。在第三种平衡状态下，双方平等地交换信息。研究人员发现，在精神分裂症患者中，这种自然的节奏被破坏了。大脑不再能在这些状态之间自由移动，而是卡在了平衡的中立状态，并失去了维持“管理者主导”状态的能力。这种此前的方法无法察觉的特定崩溃，与症状的严重程度以及一个人的思维能力密切相关。

这项研究始于观察 151 名精神分裂症患者和 160 名健康对照组个体的静息态脑部扫描。研究人员使用了一种特殊的数学方法，该方法保留了大脑信号之间的时间差异，从而能够观察到哪个区域在领先，哪个在跟随。他们发现健康的脑部会经历三种循环模式。一种模式被称为“反馈”（feedback），发生在负责复杂思考的关联区领先于感觉区时。另一种模式被称为“前馈”（feedforward），发生在感觉区领先于关联区时。第三种模式是“整合型”（integrative），即流动是平衡的。这三种模式在不同人群和不同扫描仪中都一致出现，证明了它们是脑部运作的基本特征。

当研究人员将健康组与精神分裂症组进行比较时，他们发现了这些模式的选择性重组。精神分裂症患者的大脑在“反馈”状态（即高层区域引导低层区域）下停留的时间显著减少。他们也在“整合”状态（即流动平衡的状态）下停留了更多时间。至关重要的是，“前馈”状态（即感觉区域领先）基本保持不变。这意味着该疾病并非简单地削弱所有连接，而是专门侵蚀了大脑维持自上而下引导系统的能力。精神分裂症患者的大脑在这些状态之间移动的频率也降低了，并且会更快地沉降到其模式中，这表明其灵活性有所丧失。研究人员在第二组独立的患者和对照组中证实了这些发现，确保结果并非单一数据集的偶然现象。

该研究还探讨了这些大脑模式如何与现实世界的行为和症状相关联。在健康人群中，大脑沉降到稳定模式的速度与学习能力较好有关。然而，在精神分裂症患者中，这种关系发生了反转：同样的快速沉降与注意力下降和认知表现降低有关。这表明，虽然稳定的脑态对健康的心智是有益的，但在功能障碍的大脑中，它代表了一种向僵化、无效率模式的坍塌。此外，阳性症状（如幻觉或妄想）的严重程度与大脑从平衡状态滑向“前馈”状态的频率有关。大脑向“让感官数据在缺乏语境的情况下领先”的方向偏移得越多，症状就越严重。

为了证明这些模式不仅仅是统计学上的巧合，而是大脑的一种真实且可控的属性，研究人员在另一组健康志愿者身上进行了实验，并在不同条件下测试了该系统。他们使用了一种名为丙泊酚（propofol）的药物使志愿者进入镇静状态，并使用一项涉及想象打网球的任务来激发他们的思维。镇静作用将大脑活动转向了“反馈”状态（即高层区域领先），而心理想象任务则将其转向了“前馈”状态。这种双重偏移证明了大脑的方向轴可以通过实验手段进行移动，从而证实了在精神分裂症中观察到的破坏是一种真实的动态失效，而非固定的解剖缺陷。

研究人员还排除了其他解释其发现的可能性。他们表明，信号的方向并非由血流的固定延迟引起（这是脑成像中的一个常见问题），因为方向在单次扫描内会发生快速变化。他们还证明了这种定向组织不能用其他已知的脑部原理（如全局唤醒水平或大脑连接的一般布局）来解释。他们发现的定向模式是独特的，并携带了其他任何测量手段都无法捕捉的信息。

最终，这项工作为我们理解大脑层级结构的运作提供了一种全新的方式。它揭示了精神分裂症不仅是连接减弱的疾病，更是一种方向性的疾病。大脑失去了维持自上而下的引导以帮助我们理解世界的能力，陷入了一个信息流动却缺乏明确领导的中立地带。通过识别这种特定的动态失效，该研究为理解该疾病并开发有助于恢复大脑自然节奏的治疗方法提供了潜在的新靶点。研究结果表明，问题的关键不在于连接的强度，而在于流动的方向——这是一个此前隐藏在众目睽睽之下的大脑活动维度。