Nature Neuroscience經(jīng)典任務(wù)態(tài)研究：神經(jīng)模式的相似性可預測長期恐懼記憶的形成

大腦的某些改變可能反映了恐懼學習，但目前還沒有已知的標志物（markers）來預示是否厭惡經(jīng)歷將發(fā)展成為恐懼記憶。研究者探究了人類恐懼學習的動態(tài)過程，對單試次磁共振成像數(shù)據(jù)進行多體素模式分析（multi-voxel pattern analysis，MVPA），結(jié)果發(fā)現(xiàn)恐懼學習時的神經(jīng)模式可以預測長期恐懼記憶的行為表達。本研究發(fā)表在Nature Neuroscience雜志。

研究背景

雖然我們知道增強或削弱恐懼記憶的過程，但我們對這些事件如何表征、加工以及最終得以改變大腦的神經(jīng)結(jié)構(gòu)仍尚不清楚。記憶研究的內(nèi)在限制（包括恐懼條件化）是我們只能從恐懼學習過程中的行為（例如，大鼠凍結(jié)、人類的生理反應(yīng)）與之后的記憶保存測試中的行為相似程度來推斷出恐懼記憶。盡管學習過程中的恐懼表達肯定與長期記憶有關(guān)，但我們學到的許多內(nèi)容最終并不會轉(zhuǎn)變?yōu)殚L期記憶。多模態(tài)磁共振成像的分析非常適宜于研究恐懼記憶，與傳統(tǒng)的腦激活分析（即基于單個體素的分析方法）相比，多模態(tài)磁共振成像是基于多個voxel的活動所構(gòu)成的一種pattern的分析，能提供更多的認知狀態(tài)的表征。

值得注意的是，恐懼記憶的核心不是對威脅刺激有意識地處理和對事件的事實記憶，而是對恐懼的自動化情緒表達。研究者研究者將（fMRI）與在恐懼聯(lián)結(jié)學習和記憶力測試中的行為反應(yīng)（即，瞳孔擴張反應(yīng)）相結(jié)合起來，探索是否可以通過學習過程中的神經(jīng)模式相似性來評估長期程序性恐懼記憶的形成。

研究方法

包括恐懼條件化階段和記憶階段（圖b，c）。在恐懼條件化階段，被試被告知,6個圖片刺激中有兩個會伴隨電擊(CS+neg)；有兩個會伴隨聲音(CS+neut)，還有兩個會單獨出現(xiàn)(CS–），他們需要學習刺激之間的聯(lián)結(jié)規(guī)律。在記憶階段，被試被告知在第一個run不會有電擊或者是聲音，作為基線。接著再將電極片固定在被試腳踝處，但實際上并不會出現(xiàn)電擊或聲音（恐懼記憶保存測試）?？謶謼l件化階段中，3張面孔中，一張50%的情況下會伴隨電擊(CS+neg)；一張50%會伴隨聲音(CS+neut)，另外一張單獨出現(xiàn)(CS–），3張房子圖片也是這樣配對。這六種刺激之間的順序是固定的，但也有一些試次中刺激隨機呈現(xiàn)，電擊與聲音也只在這些trial中出現(xiàn)，有電擊及聲音的試次不做之后的數(shù)據(jù)分析。（思影科技提供文中實驗所用磁共振兼容電刺激設(shè)施，感興趣可添加微信：siyingyxf進行咨詢了解）

研究者采用了試次相似性分析（ trial-by-trial similarity analysis）來檢驗恐懼聯(lián)結(jié)的形成、激活和消退，來探究神經(jīng)模式的相似性是否可預測長期恐懼記憶的形成。該研究對每個試次單獨建模。對于38名被試，研究者創(chuàng)建了一個包含BOLD fMRI信號空間模式的向量，包括6個興趣區(qū)（ROIs）：前扣帶回皮層（ACC），腦島，杏仁核，海馬，腹側(cè)前額葉皮層（vmPFC）和上額額回（SFG）。 接下來，研究者將每個向量與其他刺激表示有關(guān)的所有其他向量相關(guān)聯(lián)，從而得出42×42的相似性矩陣（圖1）。感興趣的相關(guān)性包括相同刺激的兩個連續(xù)相同刺激；以及不同刺激對之間的相關(guān)性，包括屬于同一類別（原始類別，都是面孔或都是房屋）的刺激以及共享一個聯(lián)結(jié)的結(jié)果（基于學會的聯(lián)結(jié)類別，都與電擊匹配或都與聲音匹配）。不同刺激之間的相似性的特點在于關(guān)注共同的結(jié)果而不是關(guān)注單個預測因素，更反映了一種基于高階認知過程的學習（圖2）。

圖1 恐懼學習過程中，上額額回相同刺激（對角線）與不同刺激之間的模式相關(guān)性。不同刺激的相關(guān)包括：屬于同一類別或聯(lián)結(jié)的刺激相同。

圖2 不同刺激對之間的相關(guān)性，包括屬于同一類別（原始類別，都是面孔或都是房屋）的刺激以及結(jié)果相同（基于學會的聯(lián)結(jié)類別，都與電擊匹配或都與聲音匹配）。

研究結(jié)果

圖3 在不同的實驗階段，神經(jīng)模式相似度與平均激活度之間的關(guān)系（a，b）。 ACC（前扣帶回皮層），杏仁核和SFG（上額額回）中刺激模式的相似度（相同分類刺激或相同聯(lián)結(jié)結(jié)果刺激）（a）和平均單試次激活（面部和房屋的平均值）（b）揭示了恐懼聯(lián)結(jié)學習的形成，重建及消退。與基于單個體素的分析方法相比，相似性分析的敏感性高，揭示了傳統(tǒng)恐懼回路之外的大腦區(qū)域環(huán)路。
表1：在六個解剖ROI中學習階段（n = 38，受試者內(nèi)部ANOVA）的fMRI數(shù)據(jù)的統(tǒng)計摘要。所有顯著值（P <0.05）用斜體表示，達到FDR校正顯著性的用粗體表示。

NT =未檢驗：沒有顯著刺激類型主效應(yīng)的腦區(qū)沒有檢驗試次效應(yīng)。

上標a代表不是由CS+ neg刺激值明顯較高引起的效果。

逐試次相似性分析的應(yīng)用揭示了清晰的學習曲線，該曲線反應(yīng)了關(guān)聯(lián)恐懼的形成（刺激內(nèi)：試次[6]×刺激[3]，刺激間：試次[7]×刺激[4]；所有P≤0.004，Pη2在0.06-0.22之間；圖3a，表1）（譯者注，文中未列出試次主效應(yīng)的表格，但按文章思路應(yīng)為顯著）。被試在2-6周后返回，進行記憶階段實驗（平均= 22.18±6.4天）。在沒有連接電極的情況下，暴露于先前學習的CS + neg刺激不會引起不同的模式相似性。裝上電極后，會再次出現(xiàn)不同的模式相似性，并且由于不再提供厭惡的結(jié)果，模式相似性最終消失。為了將我們的方法與標準單變量分析進行比較，研究者檢查了在ROI中所有體素上平均的單試次激活。盡管交互作用效應(yīng)未達到FDR校正的顯著性（所有P≥0.033；表1），但是這產(chǎn)生了與在ACC和腦島的相似性分析所獲得的相似的學習曲線和消失曲線。（圖3b）。

圖4.長期程序性恐懼記憶將學生的瞳孔擴張和神經(jīng)模式相似性分開。學生的瞳孔擴張反應(yīng)（n = 35）顯示出差異性學習和恐懼消退。根據(jù)消退階段前三項試次中瞳孔反應(yīng)的差異，將參與者分為保留組（對于瞳孔數(shù)據(jù)，n = 19；對于MRI數(shù)據(jù)，n =22 a；）或不保留組（n = 16；b）。盡管學習過程中瞳孔反應(yīng)的差異并不能預測隨后的瞳孔反應(yīng)，但是在包括vmPFC（b）在內(nèi)的幾個大腦區(qū)域中，差異模式的相似性確實如此。

與相似性分析的結(jié)果類似的是，在調(diào)節(jié)過程中，與CS+neut（伴隨聲音）和CS-（單獨出現(xiàn)）刺激相比，CS+neg（伴隨電擊）刺激引起的瞳孔擴大增加也證明成功的恐懼調(diào)節(jié)（試次[13]×刺激[3]，F24,816 =9.15，P <0.0005，Pη2= 0.21）。在沒有連接電極的情況下，先前學習過的CS+neg刺激的存在并不會引起瞳孔反應(yīng)的增強。安裝電極后，再次出現(xiàn)差異的瞳孔反應(yīng)（刺激主效應(yīng)，P <0.0005，Pη2=0.43），并最終消失（試次[13]×刺激[3]，F24,816 = 2.49，P <0. 0005 ，Pη2=0.07）。這些發(fā)現(xiàn)證實了條件性瞳孔擴張反應(yīng)作為恐懼行為的量度的有效性。即恐懼學習過程還可通過瞳孔擴張來反應(yīng)出來：恐懼學習階段，被試的瞳孔逐漸擴張；記憶測試階段，瞳孔逐漸縮??；記憶保存測試階段（固定上電極片之后）后，被試表現(xiàn)出恐懼重建，瞳孔又出現(xiàn)擴張反應(yīng)，電擊一直不出現(xiàn)導致消退效應(yīng)出現(xiàn)，瞳孔逐漸縮小。

在消退階段的前三個試次之后，瞳孔差異反應(yīng)迅速減弱（第二次消退對第三次消退試次，F1,37 = 0.14，P = 0.713；第三次消退對第四次消退試次，F1,37 = 8.10，P = 0.007），表明消退學習在第三次試次后開始。為了預測恐懼記憶的長期表達，研究者根據(jù)38名參與者的恐懼記憶行為表達對其進行了分類（圖4a），這些恐懼記憶是在消退學習變得明顯之前的前三個保留試次中平均得到的。如果與四個對照刺激中的任何一個相比，如果參與者對CS+neg面部刺激以及對CS+neg房屋刺激表現(xiàn)出較強的瞳孔反應(yīng)，則將他們分配給保留組（n=22）。其余的參與者被分配到無保留組（n=16）。各組在主觀和程序變量上沒有差異。

對于刺激之間的模式相似性，研究發(fā)現(xiàn)保留組在初始恐懼學習過程中的刺激活動差異大于無保留組（ACC、腦島、杏仁核、海馬、vmPFC；SFG有這種趨勢但不顯著）。而刺激內(nèi)的模式相似性，在組間沒有顯著差異。值得注意的是，記憶保留組與記憶無保留組的瞳孔反映在恐懼學習階段的無顯著差異。

兩組的隨訪測試分別顯示，在所有區(qū)域的保留組中，都有強烈的恐懼學習能力（表現(xiàn)為差異化的模式相似性）。但無保留組表現(xiàn)出出不同的模式。對于這組被試，在杏仁核，海馬和vmPFC中未觀察到恐懼學習，但在ACC，腦島和SFG中觀察到一些恐懼學習。連續(xù)評估模式相似性的預測值顯示，恐懼學習期間ACC，腦島，vmPFC和SFG的刺激模式相似性之間的差異與保留試次間隨后的瞳孔擴大之間存在線性關(guān)系。同樣地，恐懼學習過程中瞳孔反應(yīng)的差異并不能預測測試中瞳孔反應(yīng)的差異。

至關(guān)重要的是，研究者發(fā)現(xiàn)平均激活并不能預測恐懼記憶在任何ROI或大腦其他任何地方的后期表達。同時，研究者僅對任務(wù)有響應(yīng)的體素重復了ROI分析。這增強了模式相似性和均值激活的學習效應(yīng)，但也再次說明，程序性恐懼記憶的預測僅限于刺激之間的模式相似性。盡管刺激內(nèi)模式相似性不能清楚地預測程序性恐懼記憶，但研究者通過證明在海馬體中，相對于之后被記住的刺激，其內(nèi)刺激模式相似性高于之后被遺忘的刺激，這和重復陳述性記憶的其他發(fā)現(xiàn)相一致。

總而言之，對單個刺激的表征（刺激內(nèi)）似乎與更高級的恐懼聯(lián)結(jié)（刺激之間的相似性）是不一樣的。只有刺激之間的神經(jīng)模式相似性可以預測恐懼記憶的后期行為表達。高階認知的恐懼表達以神經(jīng)模式變化來表征學習可能為檢查恐懼記憶是否形成提供證明。

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