学龄儿童青少年期是大脑快速发育，高级认知能力发展的黄金期。其中，工作记忆能力作为执行功能的核心成分，在学龄儿童及青少年期经历着重要发展，被研究者们作为认知发展的关键指标之一。学龄儿童青少年的工作记忆能力与其他认知能力如推理、思维等密切相关，并且能够预测后期的学业成绩及个人成就。已有的行为研究结果表明，作为执行功能的重要领域，工作记忆的发育成熟一直持续到个体青少年阶段，在此基础上神经影像学的研究能够为其行为表现发展提升过程提供更多的神经发育信息。与此同时，对儿童青少年工作记忆能力发展的探索以及其背后大脑在信息处理过程中发育规律的研究，不仅有助于了解儿童执行功能正常发育进程中作为认知基础的神经机制，还能认识到在执行功能发育过程中不同大脑系统各自所发挥的作用。更进一步而言，通过研究和探索学龄儿童青少年认知发展的脑机制，对于识别大脑的异常发展(例如精神病理学)也起着作用至关重要的作用，为我们研究如何提升执行功能以及后续进行有效干预提供证据与支持。
基于脑智发育与认知发展的交互式特异化理论，儿童大脑在发育过程中往往需要协同多个脑区共同支持某一特定的认知任务。额顶网络（fronto-parietal network，FPN）涉及广泛的外源性认知加工，对于执行功能（如工作记忆）和认知灵活性等至关重要。然而，默认网络（default mode network，DMN）在以往研究中往往被认为跟内源性信息加工更相关，其活跃程度工作记忆等任务负相关。近年来，有研究者提出新的观点：默认网络是大脑的全局工作空间（Global workspace），用于汇聚来自人体内部和外部的信息从而帮助个体预测和适应不断变化的环境需求，同时在认知功能执行的过程中也起着积极作用。越来越多的研究也发现大脑默认网络与额顶网络的功能交互，在高级认知功能如长时程记忆中发挥着关键作用。以往大部分研究倾向于关注成人群体，而在大脑尚未成熟的儿童青少年期，我们对大脑默认网络与额顶网络究竟如何相互作用进而支持个体认知发展，特别是默认网络在其中起着何种作用这一关键问题还知之甚少并亟待解决。
近日，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室、IDG/麦戈文脑科学研究院秦绍正团队与陶沙团队联合在《Cerebral Cortex》在线发表的最新实证研究，以人脑默认网络与额顶网络的功能交互作为出发点，利用无创功能性磁共振成像技术fMRI和经典数字工作记忆范式，结合横断和纵向追踪设计，通过三年追踪考察528名6-15岁中国儿童青少年在工作记忆任务中大脑默认网络与额顶网络的纵向发育模式以及发育过程中的交互规律，并将发育中的儿童青少年脑功能状态与103名健康成年人进行对比，揭示出大脑默认网络和额顶网络在6-15岁儿童青少年时期在多体素活动模式和大脑功能网络连接两个维度上具有发育异质性，并且发现在儿童青少年时期功能相对较为成熟的大脑默认网络对额顶网络发挥着“脚手架（scaffolding）”的支持作用。
“脚手架”作用是认知发展的一种特定机制，包括使用和发展补偿性或者可替代性的神经机制去完成既定的认知目标，其存在和发展可以贯穿个体整个过程。具体来说，儿童大脑默认网络在多体素活动模式和网络内连接水平上都比额顶网络更早达到成人水平，儿童静息态下大脑默认-额顶网络间功能耦合（functional coupling）调节了年龄与工作记忆任务下两个网络间功能耦合之间的关系，其中大脑默认和额顶网络内的核心节点脑区——后扣带皮层（PCC）与背外侧前额叶皮层（DLPFC）之间的功能耦合成为两个网络之间的核心关键通路。
该研究进一步发现，儿童静息态下PCC- DLPFC的耦合与工作记忆任务状态下PCC的活动共同调节了儿童在工作记忆行为表现随年龄带来的纵向改善。该研究结果表明，大脑额顶网络的功能发育对于支持儿童青少年执行功能的发展起着至关重要的作用，而在发育过程中，相对较为成熟的大脑默认网络则通过功能交互为支持功能尚未成熟的额顶网络提供了脚手架作用。
首先，我们利用纵向加速追踪研究技术考察528名儿童青少年在三年时间内执行功能的发育，任务选用经典数字n-back工作记忆范式，包括0-，1-和2-back三种任务难度（图1A）。行为结果发现，儿童青少年在6-15岁阶段工作记忆表现与成人相比仍未发育成熟，同时在此发育过程中儿童青少年的工作记忆能力随着年龄增长而显著提升。
图1：数字工作记忆任务范式以及6-15岁儿童青少年工作记忆表现纵向发育轨迹
随后，我们采用多体素成熟度的计算方法，分别计算了在工作记忆三种难度条件下6-15岁儿童青少年的大脑默认与额顶网络与成人多体素活动模式的表征相似性，并刻画出这两个大脑网络在儿童青少年阶段多体素活动模式的纵向发育轨迹。其中儿童青少年大脑默认网络表现出与成人相似的多体素活动模式，而额顶网络则表现出持续随年龄发育的特征（图2）。这一结果表明，在多体素神经活动模式层面，儿童青少年大脑默认网络与额顶网络相比更接近成人的成熟模式。
图2：儿童青少年大脑默认网络和额顶网络在工作记忆任务下多体素活动模式的纵向发育轨迹
进一步，我们继续考察了儿童青少年与成人分别在静息状态以及工作记忆任务状态下大脑默认网络与额顶网络分别在网络内以及网络间的功能连接水平。研究结果表明，静息态以及工作记忆任务条件下，儿童青少年均表现出与成人相似的大脑默认网络内功能连接水平（图3D，图4A），但额顶网络内功能连接与成人相比仍然较弱（图3E，图4B）。另外，儿童青少年在大脑默认与额顶网络间的功能连接水平均高于成人水平（图3F，图4C）。同时，我们还发现，工作记忆任务条件下儿童青少年的大脑默认与额顶网络的网络间功能连接水平可以预测儿童青少年工作记忆行为表现（图4E），表明在发育过程中大脑默认网络与额顶网络的功能交互可以促进儿童青少年工作记忆行为表现的发展。
图3：工作记忆任务下儿童青少年与成人大脑默认与额顶网络的功能连接的差异
图4：静息态下儿童青少年与成人大脑默认与额顶网络的功能连接的差异
最后，为了进一步表征大脑默认与额顶网络中具体是哪些脑区之间的功能连接驱动儿童青少年在工作记忆任务下网络间功能连接水平比成人更强，我们对儿童青少年和成人在静息态以及工作记忆2-back条件下默认与额顶网络间的所有功能连接分别进行了独立t检验，结果发现儿童青少年的后扣带回-背外侧前额叶连接通路（PCC-DLPFC）是儿童青少年大脑默认与额顶网络功能连接之间的关键核心通路。进一步使用中介分析结果表明，儿童青少年静息态下后扣带回-背外侧前额叶功能连接中介了儿童青少年年龄与任务态下该通路的连接水平。链式中介分析结果表明，静息态下儿童青少年静息态下后扣带回-背外侧前额叶功能连接联合后扣带回皮层在工作记忆任务下的激活共同中介了儿童青少年的年龄与工作记忆表现发育之间的关系。该研究结果说明，年龄更小的儿童青少年倾向于表现出更高的静息态下后扣带回-背外侧前额叶功能连接和更高的2-back条件下后扣带回激活，这些大脑变化与儿童工作记忆表现随发育而提高改善有关（图5）。
图5：儿童青少年后扣带回-背外侧前额叶连接通路是默认与额顶网络间的关键核心通路并中介工作记忆发展
综上所述，研究团队通过整合任务态和静息态功能磁共振(fMRI)脑影像数据，结合行为分析、多体素分析以及脑网络分析，利用纵向加速追踪研究手段从多个维度研究了大脑默认网络和额顶网络的发育以及彼此之间的相互作用对于6至15岁儿童青少年的工作记忆能力发展的支持。我们的研究结果揭示出大脑默认网络与额顶网络在工作记忆任务下发育的异质性；同时也显示出在大脑发育过程中，相对较为成熟的默认网络可能为功能尚未成熟的额顶网络提供“脚手架”支撑作用，从而促进儿童青少年工作记忆能力发展。
本研究依托于中国学龄儿童脑发育项目北京队列（Children School Functions and Brain Development Project，CBD Beijing Cohort），也是课题组近年来在儿童青少年情感认知与脑智发育领域(Qin et al. 2014; Hao et al. 2021; Jiang et al. 2021; Tian et al. 2021; Xu et al. 2022)的延伸和拓展。
本研究受到国家自然科学基金委重点项目、国家社科基金重大项目、国家重点实验室开放课题和中央高校基本科研专项等支持。论文第一作者（含共同）为陈梦璐博士、在读博士生何颖和郝磊博士，通讯作者为陶沙教授与秦绍正教授。同时，感谢北京大学磁共振中心高家红教授、北京师范大学贺永教授、北京回龙观医院谭淑平教授等，对本论文中儿童青少年神经影像数据的采集给予的大力支持和帮助。
论文信息：Menglu Chen#, Ying He#, Lei Hao#, Jiahua Xu, Ting Tian, Siya Peng, Gai Zhao, Jing Lu, Yuyao Zhao, Hui Zhao, Min Jiang, Jia-Hong Gao, Shuping Tan, Yong He, Chao Liu, Sha Tao, Lucina Q Uddin, Qi Dong, Shaozheng Qin, Default mode network scaffolds immature frontoparietal network in cognitive development, Cerebral Cortex, 2022 (In Press). https://doi.org/10.1093/cercor/bhac414
课题组网站：http://icanbrainlab.bnu.edu.cn/en/infolist-99.html
前期相关成果与文献：
Hao L, Li L, Chen M, Xu J, Jiang M, Wang Y, Jiang L, Chen X, Qiu J, Tan S, Gao JH, He Y, Tao S, Dong Q, Qin S. 2021. Mapping Domain- and Age-Specific Functional Brain Activity for Children’s Cognitive and Affective Development. Neurosci Bull. 37:763–776.
Jiang N, Xu J, Li X, Wang Y, Zhuang L, Qin S. 2021. Negative Parenting Affects Adolescent Internalizing Symptoms Through Alterations in Amygdala-Prefrontal Circuitry: A Longitudinal Twin Study. Biol Psychiatry. 89:560–569.
Qin S, Cho S, Chen T, Rosenberg-Lee M, Geary DC, Menon V. 2014. Hippocampal-neocortical functional reorganization underlies children’s cognitive development. Nat Neurosci. 17:1263–1269.
Tian T, Young CB, Zhu Y, Xu J, He Y, Chen M, Hao L, Jiang M, Qiu J, Chen X, Qin S. 2021. Socioeconomic Disparities Affect Children’s Amygdala-Prefrontal Circuitry via Stress Hormone Response. Biol Psychiatry. 90:173–181.
Xu J, Hao L, Chen M, He Y, Jiang M, Tian T, Wang H, Wang Y, Wang D, Han ZR, Tan S, Men W, Gao J, He Y, Tao S, Dong Q, Qin S. 2022. Developmental Sex Differences in Negative Emotion Decision-Making Dynamics: Computational Evidence and Amygdala-Prefrontal Pathways. Cereb Cortex. 32:2478–2491.
