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是一個(gè)分布且相互連接的腦區(qū)集合，通常在個(gè)體專注于外部刺激時(shí)受到抑制；然而，在缺乏對(duì)外部刺激的注意時(shí)，DMN會(huì)切換或“默認(rèn)”轉(zhuǎn)向內(nèi)部導(dǎo)向的思維過程，如自我反思、白日夢(mèng)、心智游移、回憶個(gè)人經(jīng)歷以及展望未來。

圖1. 默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)的皮層和皮層下節(jié)點(diǎn)(A) 默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)功能上和結(jié)構(gòu)上相互連接系統(tǒng)的示意圖。(B 和 C) 默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)的皮層節(jié)點(diǎn)：后扣帶回皮層（PCC）和壓后皮層（RSC）位于后內(nèi)側(cè)頂葉皮層；內(nèi)側(cè)前額葉皮層（mPFC）及其背內(nèi)側(cè)（dmPFC）和腹內(nèi)側(cè)（dmPFC）亞區(qū)；前顳葉皮層（ATC）；顳中回（MTG）位于外側(cè)顳葉皮層；內(nèi)側(cè)顳葉（MTL）；以及角回（AG）位于外側(cè)頂葉皮層。(D) 默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)（DMN）的皮質(zhì)下節(jié)點(diǎn)：前丘腦核和內(nèi)側(cè)背側(cè)丘腦核、內(nèi)側(cè)隔核和伏隔核。改編自 Alves 等人。

其發(fā)現(xiàn)的起源并非源于認(rèn)知過程中激活的增強(qiáng)，而是源于其關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在認(rèn)知需要、外部聚焦的任務(wù)中受到相對(duì)抑制或去激活。DMN抑制或去激活模式的一個(gè)顯著特征是其在各種任務(wù)領(lǐng)域、實(shí)驗(yàn)范式和刺激模態(tài)中似乎具有普遍性

DMN在多個(gè)認(rèn)知領(lǐng)域中發(fā)揮著更直接的作用——最顯著的是自我參照、社會(huì)認(rèn)知、情景記憶、語(yǔ)言與語(yǔ)義記憶以及心智游移，但整合到統(tǒng)一模型具有挑戰(zhàn)

The DMN—Origins and discovery, a personal reflection

DMN并非孤立運(yùn)作，其功能是通過與其他腦網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)相互作用而形成的

在主動(dòng)任務(wù)期間顯示出一致性減少的腦區(qū)包括后扣帶/楔前葉（布羅德曼分區(qū) [BA] 31/7）、左頂下皮層（BA 39/40）、左背外側(cè)額葉皮層（BA 9）、左外側(cè)額下回（BA 10/47）、左顳下回（BA 20）、內(nèi)側(cè)前額葉皮層（BAs 8, 9, 10, 和 32）以及右側(cè)杏仁核（圖2A）

圖 2. 發(fā)現(xiàn) DMN 的關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)(A) 在九項(xiàng) PET 功能性腦成像研究中，主動(dòng)任務(wù)減去被動(dòng)控制掃描時(shí)血流量減少。數(shù)字表示在參與者處理主動(dòng)任務(wù)中的視覺圖像時(shí)，與控制狀態(tài)下的被動(dòng)觀察相比，顯示活動(dòng)減少的 14 個(gè)腦區(qū)。改編自 Shulman 等人。(B) 大腦提取氧氣的比例圖，顯示雙側(cè)視覺皮層增加。盡管灰質(zhì)和白質(zhì)之間的血流和耗氧量相差近 4 倍，但氧氣提取比例相對(duì)均勻，強(qiáng)調(diào)了靜息、清醒狀態(tài)下血流和耗氧量的密切匹配。改編自 Raichle 等人。（C）PCC，峰值藍(lán)色箭頭的內(nèi)在功能連接性。八個(gè)顯著簇（A-H）包括 AG、mPFC、MTG 和 MTL。(D) vACC 的內(nèi)在功能連接性（峰值在藍(lán)色箭頭處）。四個(gè)顯著簇（標(biāo)記為 A-D）包括背側(cè) PCC/楔前葉、前部 PCC、伏隔核和下丘腦/前部中腦。(E) PCC 在低級(jí)視覺處理期間的連接模式與靜息態(tài)顯示相似特征。(F) PCC 波動(dòng)與腹外側(cè)和背外側(cè)前額葉皮層呈負(fù)相關(guān)。改編自 Greicius 等人。

后續(xù)Mazoyer 及其同事進(jìn)行的 PET 研究證實(shí)了這些發(fā)現(xiàn)；去激活的共性使作者提出，在意識(shí)休息狀態(tài)下的大腦活動(dòng)可能由一個(gè)大規(guī)模的多模態(tài)聯(lián)合頂葉和額葉皮層區(qū)域網(wǎng)絡(luò)維持。

任務(wù)相關(guān)的去激活似乎并非源于靜息狀態(tài)下增強(qiáng)的激活，并且去激活區(qū)域在基線狀態(tài)下可能持續(xù)活躍的證據(jù)也難以捉摸

隨著認(rèn)知負(fù)荷增加而顯示響應(yīng)增強(qiáng)的腦區(qū)因任務(wù)和認(rèn)知領(lǐng)域而異，但顯示腦響應(yīng)抑制的區(qū)域卻保持一致。在fMRI中觀察到的去激活模式與PET研究中的發(fā)現(xiàn)相似

扣帶皮層（PCC）成為一個(gè)自然的種子點(diǎn)目標(biāo)，其依據(jù)一方面是健康成人認(rèn)知fMRI研究中觀察到的任務(wù)相關(guān)去激活的共同部位，另一方面是阿爾茨海默病PET研究中觀察到的功能損傷。

我們的分析顯示，PCC與mPFC以及PET和fMRI認(rèn)知研究中 持續(xù) 報(bào)告被去激活的其他幾個(gè)腦區(qū)強(qiáng)烈耦合 圖2c-f （靜息態(tài)）

我們分離了在工作記憶期間顯示活動(dòng)增加的側(cè)前額葉區(qū)域，并檢查了它們?cè)陟o息狀態(tài)下的連接性。我們報(bào)告了PCC與多個(gè)側(cè)前額葉區(qū)域之間存在顯著的負(fù)相關(guān)

構(gòu)成了對(duì)DMN內(nèi)在及任務(wù)相關(guān)連接性的首次分析，并為存在一個(gè)連接在跨任務(wù)中顯示一致去激活模式的腦區(qū)的連貫網(wǎng)絡(luò)提供了令人信服的證據(jù)

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

我們利用了在PCC、RSC和海馬體中觀察到的去激活與阿爾茨海默病中受影響的記憶系統(tǒng)之間的密切對(duì)應(yīng)關(guān)系，認(rèn)為情景記憶和語(yǔ)義知識(shí)的檢索與操縱是可能的候選者

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因?yàn)閷?shí)驗(yàn)范式通常設(shè)計(jì)為排除內(nèi)省過程（為何？）

在認(rèn)知實(shí)驗(yàn)中，排除內(nèi)省就是為了創(chuàng)造一個(gè)“純凈”的認(rèn)知環(huán)境，以精確分離出目標(biāo)腦功能。因?yàn)槿绻试S被試自由地進(jìn)行自我反思和心智游移，那么：每個(gè)被試的內(nèi)心想法會(huì)成為一個(gè)無法控制的“噪音”變量，嚴(yán)重干擾對(duì)目標(biāo)認(rèn)知過程（如記憶編碼、注意集中）的神經(jīng)信號(hào)的解讀。無法歸因：當(dāng)觀察到大腦激活時(shí)，研究者將無法判斷這究竟是對(duì)外部任務(wù)的反應(yīng)，還是源于被試某個(gè)突如其來的個(gè)人記憶或白日夢(mèng)。并且研究中雖然可以使用“思維探針”來實(shí)時(shí)詢問被試的內(nèi)心狀態(tài)，但這種自我報(bào)告是回顧性的，存在延遲和偏差，很難與瞬息萬變的神經(jīng)活動(dòng)精確同步。此外，一旦我們引入一個(gè)外部“探針”（比如一個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)或一個(gè)思維探針問題），我們就在根本上改變甚至摧毀了我們想要觀察的那個(gè)內(nèi)省狀態(tài)本身。為了測(cè)量它，我們干擾了它。

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自然主義刺激：使用電影、故事等生態(tài)效度更高的材料，在相對(duì)自然的狀態(tài)下引發(fā)內(nèi)省和敘事過程。

DMN功能失調(diào)迅速成為幾乎所有精神和神經(jīng)系統(tǒng)疾病的一個(gè)重要特征，與記憶喪失相關(guān)的阿爾茨海默病中的DMN功能失調(diào)主要影響PCC、RSC和內(nèi)側(cè)顳葉（MTL），而與沉思相關(guān)的抑郁癥中的功能失調(diào)主要影響腹側(cè)mPFC和鄰近的喙側(cè)/膝下扣帶皮層

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

發(fā)現(xiàn)注意力分散期間刺激處理效率較低的特點(diǎn)是PCC、楔前葉和角回（AG）這些DMN節(jié)點(diǎn)的去激活減少，以及刺激誘發(fā)的感覺活動(dòng)減少和額葉及頂葉皮層廣泛區(qū)域的過度活動(dòng)。表明DMN抑制對(duì)于在外部聚焦認(rèn)知過程中適應(yīng)性脫離是必要的。至少，這些發(fā)現(xiàn)表明DMN通過與其他腦網(wǎng)絡(luò)的相互作用在認(rèn)知中扮演間接角色。

錨定在前島葉和背側(cè)前扣帶皮層的突顯網(wǎng)絡(luò)，其在情感和獎(jiǎng)賞處理區(qū)域具有顯著的皮層下節(jié)點(diǎn)；以及錨定在背外側(cè)前額葉皮層和后頂葉皮層的額頂網(wǎng)絡(luò)

圖3. DMN 抑制和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換的機(jī)制(A) 三網(wǎng)絡(luò)模型提出，顯著性網(wǎng)絡(luò)在處理行為相關(guān)的外部事件中起核心作用，導(dǎo)致DMN 抑制及其與顯著性網(wǎng)絡(luò)和額頂葉網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)時(shí)間交互改變。隨之而來的認(rèn)知控制回路動(dòng)力學(xué)和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換塑造了 DMN 的功能及其在認(rèn)知中的間接作用。(B) 在聽覺事件分割過程中，默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)（DMN，黃色條形圖）、注意網(wǎng)絡(luò)（藍(lán)色條形圖）和額頂網(wǎng)絡(luò)（綠色條形圖）六個(gè)關(guān)鍵皮質(zhì)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)事件反應(yīng)的起始潛伏期。注意網(wǎng)絡(luò)的右側(cè) AI 及相鄰額葉皮層（標(biāo)記為 rFIC）節(jié)點(diǎn)比額頂網(wǎng)絡(luò)和默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的起始潛伏期顯著更早。改編自 Sridharan 等人。(C 和 D) DMN、顯著性網(wǎng)絡(luò)和額頂網(wǎng)絡(luò)的凈因果輸出（輸出-輸入度）顯示，在聽覺和視覺注意力任務(wù)中，rFIC 的凈因果輸出顯著高于 DMN 節(jié)點(diǎn)。改編自 Sridharan 等人。

到2011年，顱內(nèi)腦電圖研究已牢固確立了認(rèn)知過程中DMN抑制的神經(jīng)元起源

且以上發(fā)現(xiàn)已通過在大鼠腦中使用光遺傳學(xué)刺激和光纖光度測(cè)量得到了驗(yàn)證（圖4）。

圖4. 通過前島皮層的光遺傳學(xué)刺激抑制默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(A) 在表達(dá)Chronos 基因的大鼠中進(jìn)行 fMRI 時(shí)，對(duì)右側(cè)前島皮層神經(jīng)元進(jìn)行前饋式光遺傳學(xué)刺激。提取與假設(shè)的默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)和注意網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的 ROI 的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。(B) 在背側(cè)顆粒無素島葉皮層（AID）、腹側(cè)顆粒無素島葉皮層（AIV）和顆粒異常島葉皮層（DI）亞區(qū)中，通過組織學(xué)證實(shí)了 EYFP 病毒載體表達(dá)（綠色）。光纖放置在右側(cè)島葉（AI）的 AID 和 AIV 亞區(qū)（綠色）。(C) 右側(cè) AI、扣帶回（Cg）、前扣帶回皮層（PrL）以及跨越右側(cè)扣帶回前后軸的六個(gè)分區(qū)(D 和 E) AI 刺激導(dǎo)致 AI 和 PrL 的激活，以及嚙齒動(dòng)物默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(RSC 節(jié)點(diǎn))多個(gè)亞單位的抑制。(F) AI 與 RSC 前部亞區(qū)、RSC 內(nèi)部以及 PrL 與 RSC 中部亞區(qū)之間的功能連接性降低。改編自 Menon 等人

Direct role of the DMN in cognition

Self-referential judgments

mPFC、PCC和角回（AG），在自我參照判斷中持續(xù)激活，由作為DMN的樞紐節(jié)點(diǎn)的PCC維持

Social cognition ?

DMN參與廣泛探究社會(huì)認(rèn)知和溝通的任務(wù)中，在PCC、mPFC、AG及鄰近的顳頂聯(lián)合區(qū)報(bào)告了一致的激活模式

Episodic memory?

情景記憶依賴于海馬體及其相互連接的皮質(zhì)回路之間的相互作用，其中默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)（DMN）的 PCC、RSC、mPFC 和左側(cè) AG 節(jié)點(diǎn)發(fā)揮著重要作用

這些皮質(zhì)節(jié)點(diǎn)似乎與情景記憶的不同方面相關(guān)：PCC 與自傳體回憶相關(guān)，RSC 與空間導(dǎo)航相關(guān)，mPFC 與記憶編碼和回憶的調(diào)節(jié)相關(guān)，而 AG 與記憶內(nèi)容的深化相關(guān)。

基于DMN 的框架表明，沒有單一的大腦區(qū)域負(fù)責(zé)情景記憶的主觀體驗(yàn)；相反，情景記憶的構(gòu)成成分受到多個(gè)參與分布式 DMN 節(jié)點(diǎn)的表征的影響和轉(zhuǎn)化。

Language and semantic memory

薈萃分析已證實(shí)DMN與語(yǔ)言和語(yǔ)義處理系統(tǒng)之間存在顯著重疊。這些系統(tǒng)交匯處的一個(gè)關(guān)鍵DMN節(jié)點(diǎn)是AG的PGp亞區(qū)。PGp區(qū)不僅參與單個(gè)詞語(yǔ)的語(yǔ)義分類，還參與言語(yǔ)清晰度和句子理解。最近對(duì)五項(xiàng)不同研究的分析表明，PGp區(qū)是少數(shù)幾個(gè)在涉及語(yǔ)義判斷的任務(wù)中顯示活動(dòng)高于靜息基線的腦區(qū)之一

Mind wandering

一項(xiàng)早期的開創(chuàng)性研究使用任務(wù)中思維抽樣探針，在認(rèn)知過程中獲取心智游移的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)測(cè)量。參與者被間歇性地要求自我報(bào)告他們當(dāng)前的心理狀態(tài)。在心智游移即刻之前的時(shí)間間隔內(nèi)，檢測(cè)到mPFC、楔前葉和雙側(cè)AG的激活。對(duì)24項(xiàng)自發(fā)思維過程功能性神經(jīng)影像學(xué)研究的薈萃分析確定了mPFC、PCC、MTL和AG的一致招募。對(duì)腦損傷患者的研究提供了進(jìn)一步的支持，這些研究揭示了心智游移減少與左AG損傷之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)。不同的研究提供了可重復(fù)的證據(jù)（話術(shù)）病變研究表明DMN在此過程中具有因果作用。

Unifying themes and perspectives on DMN function

DMN的各個(gè)節(jié)點(diǎn)已涉及廣泛的認(rèn)知功能，包括自我參照、社會(huì)認(rèn)知、情景記憶以及語(yǔ)言和語(yǔ)義記憶。我提出，DMN整合這些認(rèn)知功能，以創(chuàng)建我們經(jīng)驗(yàn)的連貫內(nèi)部敘事，被潛在的切換機(jī)制間歇性地改變，導(dǎo)致新的腦狀態(tài)和心智游移。

圖7. 默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)在認(rèn)知中的作用統(tǒng)一模型該模型提出了四個(gè)關(guān)鍵的綜合主題，這些主題構(gòu)成了默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)（DMN）功能的基礎(chǔ)：（1）網(wǎng)絡(luò)切換塑造了 DMN 在認(rèn)知中的作用。顯著的刺激會(huì)導(dǎo)致在需要注意力的任務(wù)中抑制 DMN。這種抑制隨后會(huì)反彈并返回到內(nèi)部聚焦的心理過程。多方面的證據(jù)表明，前島葉在抑制和 DMN 的脫離中起著重要作用。（2）DMN 節(jié)點(diǎn)連接了與自我參照判斷、社會(huì)認(rèn)知、語(yǔ)言和語(yǔ)義記憶以及情景記憶操作相關(guān)的多種認(rèn)知功能。（3）DMN 將這些認(rèn)知操作整合起來，構(gòu)建了一個(gè)內(nèi)部敘事。（4）DMN 維持著思維框架，其核心特性促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)切換和全局狀態(tài)變化。這一動(dòng)態(tài)過程創(chuàng)造了新的思維框架。走神是歸因于 DMN 的一種認(rèn)知功能，是這一動(dòng)態(tài)過程的自然結(jié)果。

DMN 節(jié)點(diǎn)位于功能層次結(jié)構(gòu)的一端，沿著從單模態(tài)到異模態(tài)腦區(qū)的譜系，使其能夠整合來自多個(gè)腦區(qū)的結(jié)構(gòu)化信息

應(yīng)用于人類fMRI 和顱內(nèi) EEG 數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)因果建模表明，DMN 對(duì)其他腦網(wǎng)絡(luò)具有持續(xù)的因果影響。令人驚訝的是，即使在靜息狀態(tài)下，DMN 的 PCC 和 mPFC 節(jié)點(diǎn)對(duì)側(cè)額頂網(wǎng)絡(luò)的因果影響也大于反向影響

普遍的觀點(diǎn)是DMN作為一個(gè)錨定在PCC的單一系統(tǒng)運(yùn)作。然而，最近的研究揭示了DMN內(nèi)部存在顯著水平的異質(zhì)性和分離，形成相互交錯(cuò)的子網(wǎng)絡(luò)。

一個(gè)特殊挑戰(zhàn)是從同一個(gè)體的多個(gè)腦葉獲取DMN節(jié)點(diǎn)的顱內(nèi)腦電圖數(shù)據(jù)。此外，PCC、RSC和腹側(cè)mPFC中的核心DMN節(jié)點(diǎn)通常不是接受難治性癲癇手術(shù)患者的典型癲癇灶。

以DMN節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)出與初級(jí)感覺和運(yùn)動(dòng)皮層以及聯(lián)合皮層最大的測(cè)地線距離為特征？

“測(cè)地線距離”不是指物理空間距離：它并非指大腦皮層上兩點(diǎn)之間直線長(zhǎng)度的毫米數(shù)。在大腦網(wǎng)絡(luò)中，它指的是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)（腦區(qū)）之間最短路徑所需要經(jīng)過的“步數(shù)”或“連接數(shù)”。一步代表一個(gè)直接的解剖連接（如白質(zhì)纖維束）。

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“最大”的含義：這意味著，默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)（DMN）的核心節(jié)點(diǎn)（如PCC、mPFC）在整個(gè)大腦的結(jié)構(gòu)連接網(wǎng)絡(luò)中，位于距離初級(jí)感覺皮層（如視覺皮層V1、聽覺皮層A1）和運(yùn)動(dòng)皮層最“遙遠(yuǎn)”的位置。