大脑中特殊的连接枢纽：驱动创造性思维的信息交互中心

执行复杂的认知任务必须通过一个精细的流程，这涉及到多个认知处理单元的互动。其中，创造性思维是人类复杂认知的一个典型例子。在创造性思维过程中，人们需要将远距离的语义信息进行组合或重塑，以产生新颖和有用的想法。这个过程是通过记忆、注意、执行控制以及心理模拟等多个不同类型的认知功能在特定的时间序列中进行交互（简称为“异质性功能交互”）来实现的。

网络神经科学的最新进展表明，被称为“连接枢纽”的大脑结构集群在异质性功能交互中发挥着重要作用。这些结构集群位于脑功能网络的拓扑中心，具有跨越多个脑网络的广泛连接，是大脑信息整合与控制的基础。此外，这些结构集群之间的连接非常密集，形成了类似“富人俱乐部”的特性。这些特性暗示了它们在人类认知等级中的核心位置，并与创造性思维有着密切的联系。然而，连接枢纽并非一个统一的整体，它们具有连接模式不同且功能各异的亚结构，包括“执行-控制”枢纽、“交叉-控制”枢纽和“控制-默认”枢纽。我们尚不清楚这些连接枢纽的亚结构对创造性思维的作用是否存在差异。

本研究基于大脑静息态功能连接模式的差异性，定义了成对脑区间的异质性水平。那些连接模式相似的脑区被认为有相似的认知功能，因此它们的异质性水平较低；相反，连接模式差异越大的脑区，在认知功能上的差异也越大，因此它们的异质性水平较高。据此，本研究主要探讨两个问题：（1）不同类型的脑连接枢纽如何在不同程度上参与异质性脑区间的功能交互？（2）连接枢纽的相关特性如何影响它们与创造性思维的关系。

研究结果表明，连接枢纽结构具有明确的层级特性。其中，“控制-默认”枢纽位于一个“异质性”层级的顶端，该枢纽集群涵盖了来自默认网络与额顶控制网络的脑区（涉及楔前叶/后扣带皮层、颞顶联合区和额上回等区域）。“控制-默认”不仅本身具有最高的异质性（与其它脑区的平均连接模式差异最大），同时也最大程度地中介了高度异质性脑区间的交互（图1）。通过考察定向介数中心性，研究发现，异质性脑区可通过涉及“控制-默认”枢纽的最短拓扑路径进行有效功能交互，而其它类型的连接枢纽在此方面的贡献相对较小。这一发现在两个大规模的静息态数据集（N1=910；N2=810）中高度一致。

图1：不同类型大脑连接枢纽在异质性层级中的特性

此外，研究发现了“控制-默认”枢纽与创造性思维能力之间的有趣联系。具体来说，当“控制-默认”枢纽负责中介异质脑区间通信的最短拓扑路径数量增加时，个体的创造性思维能力（基于发散性思维任务）会显著增强。这种效应在高度异质性的脑区交互中尤为突出，并且在三个独立样本（N1=403；N2=573；N3=171）中都稳定存在。结合个体在创造性思维任务中的功能连接变化，研究进一步揭示“控制-默认”枢纽影响创造性思维能力的作用路径。研究发现，“控制-默认”枢纽中介异质性功能交互的最短拓扑路径能够正向影响任务中异质性脑区间的功能连接强度，从而影响个体创造性思维水平（图2）。

图2：“控制-默认”枢纽影响创造性思维能力的作用路径

在过去的十年中，创新性神经科学领域的研究发展已经达成了一个广泛的共识，即额顶控制网络和默认网络中的某些关键区域对于创新性思维的产生具有普遍的重要性。然而，仅仅将这些区域与单一的认知功能相联系，并不能充分理解它们在各种创造性任务中所发挥的基本作用。上述研究发现为我们提供了一个可能的解释：额顶控制网络和默认网络中的连接枢纽结构能够整合、协调于控制来自不同认知处理单元的信息，并将其转化为新颖和有创意的思想。不同的创造性任务虽然需要整合不同类型的信息，但该过程都依赖于“控制-默认”枢纽的参与。

该成果近期发表在《Cerebral Cortex》杂志（JCR Q1）上。西南大学心理学部邱江教授为论文通讯作者，已毕业博士研究生庄恺祥为论文第一作者。本研究获国家自然基金（32071070）和重庆市自然科学基金（cstc2019jcyj-msxmX0520, cstc2020jcyj-msxmX0299）等项目资助。论文索引：https://doi.org/10.1093/cercor/bhad356