默认模式网络DMN

20 years of the default mode network: A review and synthesis

Vinod Menon,

* 1Department of Psychiatry & Behavioral Sciences and Department of Neurology & Neurological Sciences, Wu Tsai Neurosciences Institute,

Stanford University, Stanford, CA, USA

*Correspondence: menon@stanford.edu

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2023.04.023

Introduction

DMN是一个分布且相互连接的脑区集合，通常在个体专注于外部刺激时受到抑制；然而，在缺乏对外部刺激的注意时，DMN会切换或“默认”转向内部导向的思维过程，如自我反思、白日梦、心智游移、回忆个人经历以及展望未来。

图1. 默认模式网络的皮层和皮层下节点(A) 默认模式网络节点作为一个功能上和结构上相互连接系统的示意图。(B 和 C) 默认模式网络的皮层节点：后扣带回皮层（PCC）和压后皮层（RSC）位于后内侧顶叶皮层；内侧前额叶皮层（mPFC）及其背内侧（dmPFC）和腹内侧（dmPFC）亚区；前颞叶皮层（ATC）；颞中回（MTG）位于外侧颞叶皮层；内侧颞叶（MTL）；以及角回（AG）位于外侧顶叶皮层。(D) 默认模式网络（DMN）的皮质下节点：前丘脑核和内侧背侧丘脑核、内侧隔核和伏隔核。改编自 Alves 等人。

其发现的起源并非源于认知过程中激活的增强，而是源于其关键节点在认知需要、外部聚焦的任务中受到相对抑制或去激活。DMN抑制或去激活模式的一个显著特征是其在各种任务领域、实验范式和刺激模态中似乎具有普遍性

DMN在多个认知领域中发挥着更直接的作用——最显著的是自我参照、社会认知、情景记忆、语言与语义记忆以及心智游移，但整合到统一模型具有挑战

The DMN—Origins and discovery, a personal reflection

DMN并非孤立运作，其功能是通过与其他脑网络的动态相互作用而形成的

在主动任务期间显示出一致性减少的脑区包括后扣带/楔前叶（布罗德曼分区 [BA] 31/7）、左顶下皮层（BA 39/40）、左背外侧额叶皮层（BA 9）、左外侧额下回（BA 10/47）、左颞下回（BA 20）、内侧前额叶皮层（BAs 8, 9, 10, 和 32）以及右侧杏仁核（图2A）

图 2. 发现 DMN 的关键发现(A) 在九项 PET 功能性脑成像研究中，主动任务减去被动控制扫描时血流量减少。数字表示在参与者处理主动任务中的视觉图像时，与控制状态下的被动观察相比，显示活动减少的 14 个脑区。改编自 Shulman 等人。(B) 大脑提取氧气的比例图，显示双侧视觉皮层增加。尽管灰质和白质之间的血流和耗氧量相差近 4 倍，但氧气提取比例相对均匀，强调了静息、清醒状态下血流和耗氧量的密切匹配。改编自 Raichle 等人。（C）PCC，峰值蓝色箭头的内在功能连接性。八个显著簇（A-H）包括 AG、mPFC、MTG 和 MTL。(D) vACC 的内在功能连接性（峰值在蓝色箭头处）。四个显著簇（标记为 A-D）包括背侧 PCC/楔前叶、前部 PCC、伏隔核和下丘脑/前部中脑。(E) PCC 在低级视觉处理期间的连接模式与静息态显示相似特征。(F) PCC 波动与腹外侧和背外侧前额叶皮层呈负相关。改编自 Greicius 等人。

后续Mazoyer 及其同事进行的 PET 研究证实了这些发现；去激活的共性使作者提出，在意识休息状态下的大脑活动可能由一个大规模的多模态联合顶叶和额叶皮层区域网络维持。

任务相关的去激活似乎并非源于静息状态下增强的激活，并且去激活区域在基线状态下可能持续活跃的证据也难以捉摸

随着认知负荷增加而显示响应增强的脑区因任务和认知领域而异，但显示脑响应抑制的区域却保持一致。在fMRI中观察到的去激活模式与PET研究中的发现相似

扣带皮层（PCC）成为一个自然的种子点目标，其依据一方面是健康成人认知fMRI研究中观察到的任务相关去激活的共同部位，另一方面是阿尔茨海默病PET研究中观察到的功能损伤。

我们的分析显示，PCC与mPFC以及PET和fMRI认知研究中 持续 报告被去激活的其他几个脑区强烈耦合 图2c-f （静息态）

我们分离了在工作记忆期间显示活动增加的侧前额叶区域，并检查了它们在静息状态下的连接性。我们报告了PCC与多个侧前额叶区域之间存在显著的负相关

构成了对DMN内在及任务相关连接性的首次分析，并为存在一个连接在跨任务中显示一致去激活模式的脑区的连贯网络提供了令人信服的证据

Early speculations on DMN function and challenges in ascribing a unitary function

我们利用了在PCC、RSC和海马体中观察到的去激活与阿尔茨海默病中受影响的记忆系统之间的密切对应关系，认为情景记忆和语义知识的检索与操纵是可能的候选者

因为实验范式通常设计为排除内省过程（为何？）

在认知实验中，排除内省就是为了创造一个“纯净”的认知环境，以精确分离出目标脑功能。因为如果允许被试自由地进行自我反思和心智游移，那么：每个被试的内心想法会成为一个无法控制的“噪音”变量，严重干扰对目标认知过程（如记忆编码、注意集中）的神经信号的解读。无法归因：当观察到大脑激活时，研究者将无法判断这究竟是对外部任务的反应，还是源于被试某个突如其来的个人记忆或白日梦。并且研究中虽然可以使用“思维探针”来实时询问被试的内心状态，但这种自我报告是回顾性的，存在延迟和偏差，很难与瞬息万变的神经活动精确同步。此外，一旦我们引入一个外部“探针”（比如一个实验任务或一个思维探针问题），我们就在根本上改变甚至摧毁了我们想要观察的那个内省状态本身。为了测量它，我们干扰了它。

自然主义刺激：使用电影、故事等生态效度更高的材料，在相对自然的状态下引发内省和叙事过程。

DMN功能失调迅速成为几乎所有精神和神经系统疾病的一个重要特征，与记忆丧失相关的阿尔茨海默病中的DMN功能失调主要影响PCC、RSC和内侧颞叶（MTL），而与沉思相关的抑郁症中的功能失调主要影响腹侧mPFC和邻近的喙侧/膝下扣带皮层

Indirect role of the DMN in cognition: Mechanisms of suppression and cross-network interactions

发现注意力分散期间刺激处理效率较低的特点是PCC、楔前叶和角回（AG）这些DMN节点的去激活减少，以及刺激诱发的感觉活动减少和额叶及顶叶皮层广泛区域的过度活动。表明DMN抑制对于在外部聚焦认知过程中适应性脱离是必要的。至少，这些发现表明DMN通过与其他脑网络的相互作用在认知中扮演间接角色。

锚定在前岛叶和背侧前扣带皮层的突显网络，其在情感和奖赏处理区域具有显著的皮层下节点；以及锚定在背外侧前额叶皮层和后顶叶皮层的额顶网络

图3. DMN 抑制和网络转换的机制(A) 三网络模型提出，显著性网络在处理行为相关的外部事件中起核心作用，导致DMN 抑制及其与显著性网络和额顶叶网络的动态时间交互改变。随之而来的认知控制回路动力学和网络转换塑造了 DMN 的功能及其在认知中的间接作用。(B) 在听觉事件分割过程中，默认模式网络（DMN，黄色条形图）、注意网络（蓝色条形图）和额顶顶叶网络（绿色条形图）六个关键皮质节点的相关事件反应的起始潜伏期。注意网络的右侧 AI 及相邻额叶皮层（标记为 rFIC）节点比额顶顶叶网络和默认模式网络节点的起始潜伏期显著更早。改编自 Sridharan 等人。(C 和 D) DMN、显著性网络和额顶叶网络的净因果输出（输出-输入度）显示，在听觉和视觉注意力任务中，rFIC 的净因果输出显著高于 DMN 节点。改编自 Sridharan 等人。

到2011年，颅内脑电图研究已牢固确立了认知过程中DMN抑制的神经元起源

且以上发现已通过在大鼠脑中使用光遗传学刺激和光纤光度测量得到了验证（图4）。

图4. 通过前岛皮层的光遗传学刺激抑制默认模式网络(A) 在表达Chronos 基因的大鼠中进行 fMRI 时，对右侧前岛皮层神经元进行前馈式光遗传学刺激。提取与假设的默认模式网络和注意网络节点相对应的 ROI 的时间序列数据。(B) 在背侧颗粒无素岛叶皮层（AID）、腹侧颗粒无素岛叶皮层（AIV）和颗粒异常岛叶皮层（DI）亚区中，通过组织学证实了 EYFP 病毒载体表达（绿色）。光纤放置在右侧岛叶（AI）的 AID 和 AIV 亚区（绿色）。(C) 右侧 AI、扣带回（Cg）、前扣带回皮层（PrL）以及跨越右侧扣带回前后轴的六个分区(D 和 E) AI 刺激导致 AI 和 PrL 的激活，以及啮齿动物默认模式网络(RSC 节点)多个亚单位的抑制。(F) AI 与 RSC 前部亚区、RSC 内部以及 PrL 与 RSC 中部亚区之间的功能连接性降低。改编自 Menon 等人

Direct role of the DMN in cognition

Self-referential judgments

mPFC、PCC和角回（AG），在自我参照判断中持续激活，由作为DMN的枢纽节点的PCC维持

Social cognition  

DMN参与广泛探究社会认知和沟通的任务中，在PCC、mPFC、AG及邻近的颞顶联合区报告了一致的激活模式

Episodic memory 

情景记忆依赖于海马体及其相互连接的皮质回路之间的相互作用，其中默认模式网络（DMN）的 PCC、RSC、mPFC 和左侧 AG 节点发挥着重要作用

这些皮质节点似乎与情景记忆的不同方面相关：PCC 与自传体回忆相关，RSC 与空间导航相关，mPFC 与记忆编码和回忆的调节相关，而 AG 与记忆内容的深化相关。

基于DMN 的框架表明，没有单一的大脑区域负责情景记忆的主观体验；相反，情景记忆的构成成分受到多个参与分布式 DMN 节点的表征的影响和转化。

Language and semantic memory

荟萃分析已证实DMN与语言和语义处理系统之间存在显著重叠。这些系统交汇处的一个关键DMN节点是AG的PGp亚区。PGp区不仅参与单个词语的语义分类，还参与言语清晰度和句子理解。最近对五项不同研究的分析表明，PGp区是少数几个在涉及语义判断的任务中显示活动高于静息基线的脑区之一

Mind wandering

一项早期的开创性研究使用任务中思维抽样探针，在认知过程中获取心智游移的动态、实时测量。参与者被间歇性地要求自我报告他们当前的心理状态。在心智游移immediately 之前的时间间隔内，检测到mPFC、楔前叶和双侧AG的激活。对24项自发思维过程功能性神经影像学研究的荟萃分析确定了mPFC、PCC、MTL和AG的一致招募。对脑损伤患者的研究提供了进一步的支持，这些研究揭示了心智游移减少与左AG损伤之间的强关联。不同的研究提供了可重复的证据（话术）病变研究表明DMN在此过程中具有因果作用。

Unifying themes and perspectives on DMN function

DMN的各个节点已涉及广泛的认知功能，包括自我参照、社会认知、情景记忆以及语言和语义记忆。我提出，DMN整合这些认知功能，以创建我们经验的连贯内部叙事，被潜在的切换机制间歇性地改变，导致新的脑状态和心智游移。

图7. 默认模式网络在认知中的作用统一模型该模型提出了四个关键的综合主题，这些主题构成了默认模式网络（DMN）功能的基础：（1）网络切换塑造了 DMN 在认知中的作用。显著的刺激会导致在需要注意力的任务中抑制 DMN。这种抑制随后会反弹并返回到内部聚焦的心理过程。多方面的证据表明，前岛叶在抑制和 DMN 的脱离中起着重要作用。（2）DMN 节点连接了与自我参照判断、社会认知、语言和语义记忆以及情景记忆操作相关的多种认知功能。（3）DMN 将这些认知操作整合起来，构建了一个内部叙事。（4）DMN 维持着思维框架，其核心特性促进了网络切换和全局状态变化。这一动态过程创造了新的思维框架。走神是归因于 DMN 的一种认知功能，是这一动态过程的自然结果。

DMN 节点位于功能层次结构的一端，沿着从单模态到异模态脑区的谱系，使其能够整合来自多个脑区的结构化信息

应用于人类fMRI 和颅内 EEG 数据的动态因果建模表明，DMN 对其他脑网络具有持续的因果影响。令人惊讶的是，即使在静息状态下，DMN 的 PCC 和 mPFC 节点对侧额顶网络的因果影响也大于反向影响

普遍的观点是DMN作为一个锚定在PCC的单一系统运作。然而，最近的研究揭示了DMN内部存在显著水平的异质性和分离，形成相互交错的子网络。（可加入nature neuroscience那篇文章）

一个特殊挑战是从同一个体的多个脑叶获取DMN节点的颅内脑电图数据。此外，PCC、RSC和腹侧mPFC中的核心DMN节点通常不是接受难治性癫痫手术患者的典型癫痫灶。

以DMN节点表现出与初级感觉和运动皮层以及联合皮层最大的测地线距离为特征？

“测地线距离”不是指物理空间距离：它并非指大脑皮层上两点之间直线长度的毫米数。在大脑网络中，它指的是两个节点（脑区）之间最短路径所需要经过的“步数”或“连接数”。一步代表一个直接的解剖连接（如白质纤维束）。

“最大”的含义：这意味着，默认模式网络（DMN）的核心节点（如PCC、mPFC）在整个大脑的结构连接网络中，位于距离初级感觉皮层（如视觉皮层V1、听觉皮层A1）和运动皮层最“遥远”的位置。