颞顶联合区在孤独症儿童社会认知中的作用机制研究进展*(综述)

彭苏浩 宣 宾

安徽师范大学教育科学学院(芜湖) 241000 E-mail:pengsuhao120@163.com

孤独症谱系障碍(Autism Spectrum Disorder,ASD)是一组幼年期初发的神经发育障碍,核心特征是社交障碍、重复行为和兴趣狭窄,表现出持续的社会交流和社会交往障碍,通常伴随着感觉异常和语言发展的延迟或缺失[1]。ASD 社交障碍主要由于社会感知能力受损,主要表现在自我参照加工和心理理论等社会认知加工方面[2]。神经影像研究表明颞顶联合脑区(temporoparietal junction,TPJ)是参与社会认知加工的核心脑区,TPJ功能和结构的改变以及发育异常是ASD 儿童社交障碍的神经生物学特征[3]。近十几年来,我国孤独症的患病率逐年提高,众多学者对ASD 的发病机制和治疗方法进行了大量的探索,但由于ASD 临床症状的复杂性,其治疗方法依然进展缓慢。随着脑科学的兴起,研究者们开始关注ASD 儿童心理理论相关神经活动异常,尤其是近年来大量研究聚焦TPJ在社会认知中的作用,探索孤独症社会认知障碍的相关神经机制[4]。本文梳理了TPJ在ASD 儿童社会认知中的作用,并进一步探讨TPJ脑区的无创脑刺激(NIBS)对ASD 社会认知能力的改善作用,为未来ASD 的早期发现和非侵入脑刺激干预提供思路。

1 颞顶联合区在社会认知中的作用机制

TPJ是颞叶和顶叶相交的区域,包括顶下小叶(inferior parietal lobule),外侧枕叶皮层(lateral occipital cortex)和后颞上沟(posterior superior temporal sulcus)[5]。TPJ负责整合来自丘脑和边缘系统以及视觉、听觉和躯体感觉系统的信息[6]。TPJ参与了很多认知加工过程,如情景记忆、语言加工、注意定向以及社会认知等[7]。目前大量研究集中在探索右侧TPJ的功能上,该脑区神经活动与自上而下的社会认知加工有着密切关系[8]。ASD 儿童表现出的部分核心特征,如注意缺陷和社交障碍,都与右侧TPJ涉及的认知加工密切相关[9]。

共同注意能力与社会认知发展(如心理理论)有着密切关系,ASD 儿童的核心障碍表现为共同注意能力不足,无法理解他人意图,难以推测他人的心理状态,这表明共同注意相关脑区发育异常是儿童社会认知障碍的重要因素[10]。共同注意异常是ASD儿童早期普遍表现出的特点,也是社会认知能力发展的标志之一,涉及的主要脑区有内侧前额叶皮层和TPJ。已有研究表明,共同注意与颞叶、顶叶皮层活动相关,如健康儿童追随他人视角观察目标刺激时,颞上沟表现出了显著激活现象,但是在ASD 儿童中,并没有表现出这种现象。此外,ASD 儿童在线索诱发共同注意时,左侧颞上沟后部没有表现出显著信号增强,说明TPJ(如颞上沟脑区)的发育异常导致孤独症儿童无法有效完成共同注意[11]。

值得关注的是,对于非共同注意任务中,ASD儿童颞上沟脑区却出现了异常激活,这进一步表明ASD 儿童无法区分社会性和非社会性刺激,尤其是在共同注意方面。基于已有的大量研究,研究者们对于TPJ在注意和社会认知的作用机制主要有两种观点,即右侧TPJ的整体论和分离论。整体论认为右侧TPJ是作为一个整体结构负责各个认知功能,注意定向和心理理论都会激活右侧TPJ,认为心理理论所需要的不同心理状态之间切换就是一种注意重新定向行为。但是分离论认为右侧TPJ是由很多目前还没被定义的独立子区域组成,这些子区域涉及不同的认知过程。基于右侧TPJ的结构和功能连通性,该脑区至少还能分成前和后两个子区域,分别负责不同的认知加工。虽然整体论和分离论对ASD 儿童的社会认知的神经基础存在一定分歧,但无疑是未来探索ASD 儿童社交障碍重点方向之一[12]。

2 孤独症谱系障碍患者的颞顶联合区脑结构发育异常

ASD 的核心问题是社会认知能力受损,早期部分研究发现ASD 儿童在运动和情绪识别方面存在缺陷[13],功能磁共振(functional magnetic resonance imaging,f MRI)研究表明,ASD 儿童的部分脑区出现了形态学改变,如Kanai等[14]发现颞上皮层后部的灰质体积和基本的社会感知能力成正相关,Mueller等[15]发现高功能ASD 儿童TPJ脑区白质完整性发生了改变。但是这些研究主要关注ASD 儿童的社会功能,忽视了社会感知缺陷可能来自于基础的视觉信号整合能力受损,很少有研究探索这种视觉信号整合加工过程。ASD 儿童在非社会意义的视觉运动方向识别任务中,其简单的视觉运动中视觉信号整合能力没有出现受损。但是在具有社会意义的动作识别任务中,其高阶的具有社会意义的动作识别任务中表现出了明显的缺陷,而且TPJ脑区灰质体积和社会感知能力之间表现出高度正相关[16]。表明TPJ脑区白质和灰质的结构特征是ASD 社会认知障碍的重要指标,尤其是视觉相关社会感知方面。

良好的社会感知依赖眼神的交流,一项研究利用f MRI结合虚拟现实技术,让ASD 被试在虚拟现实环境下观察一名迎面走来的人,此人要么与被试保持凝视,要么转移目光。结果发现,健康儿童在右侧TPJ表现出了直接凝视相关的神经激活,但是在ASD被试组中却没有类似的神经激活[17]。这也提示于他们注视时TPJ脑区的激活程度可以作为鉴别和区分ASD 儿童社会认知能力的重要指标。基于以上,ASD 儿童的颞顶联合脑区结构异常可能与社会感知这一核心障碍有着密切关系,也是未来临床诊断和干预的重点方向[18]。

具有高生态效度的功能近红外光谱成像(functional near-infrared spectroscopy,f NIRS)技术的兴起也为ASD 神经机制研究提供了新的方向,f NIRS最大的优势在于可以在自然环境下观察大脑神经活动,还可以观察人际互动时多人神经活动的同步性,在ASD 研究中具有巨大的优势。f NIRS研究发现健康儿童和ASD 儿童在真实情境下与他人完成合作游戏任务时,健康儿童在TPJ表现出了更强的神经同步,而ASD 儿童的神经同步较弱,而且与社交障碍和交流语言匮乏有着高度的相关[18]。对4～6个月婴儿社会感知的f NIRS研究发现,高ASD 风险婴儿在感知视觉和听觉社会刺激时,左侧颞上沟和右侧后颞皮层的激活水平显著弱于低ASD 风险婴儿[19]。f NIRS可以在真实环境下观察神经活动特征,在婴幼儿阶段识别ASD 风险具有巨大优势。

对ASD 儿童社会感知的研究极大地促进了我们对其社会认知发展缺陷的理解[20]。ASD 婴儿会更少的关注社会线索,如面孔、声音以及动作等,两岁左右的ASD 幼儿无法正确感知生物运动所代表的社会意义,而且这种社会认知缺陷会持续到成年期,甚至连高功能ASD 儿童都难以通过声音或者面孔情绪推断他人心理状态[21]。研究发现,在明确的叙事心理理论任务中,ASD 组和对照组的大脑激活没有显著差异;但是在心理理论任务中故事主角有意或者无意的行为,对照组右侧TPJ的神经活动模式表现出显著差异,而ASD 组无法区分这两种行为[22]。基于以上,无论是视觉相关社会感知任务,还是语音加工相关社会感知任务,甚至是躯体感知相关任务中,ASD 儿童都表现出后颞上沟激活降低现象,表明后颞上沟结构和功能的异常可能成为评估ASD 社会认知障碍的相对客观的神经指标。

3 孤独症谱系障碍的颞顶联合区功能连接异常

后颞上沟是社会信息处理的关键点,该脑区与预测人类行为有着密切关系[23-25],ASD 儿童后颞上沟激活异常导致他们难以根据他人的过去行为预测即将做出的行为,研究者基于此提出了ASD 预测障碍假说(predictive impairment in autism,PIA)。该假说从神经回路水平为ASD 的各方面的障碍提供新的研究途径,包括社会感知缺陷、社交困难以及心理理论受损等[26]。研究发现,后颞上沟和脑岛皮层之间存在很强的功能连接,其功能连接受损可能是ASD 儿童社会认知功能相关障碍的神经基础[27]。由此可见,ASD 儿童的社会认知功能相关障碍的神经基础不仅仅是TPJ神经活动模式异常,与其他脑区的功能连接问题也可能存在异常[28-29]。因此,TPJ与其他脑区的功能连接变化,可能是ASD 社会认知功能障碍的神经机制,是未来研究的重要方向。

随着神经影像方法学的进步,研究者们可以从功能连接的角度探讨ASD 社会认知障碍的神经机制。Delbruck等[30]为了评估ASD 儿童在社会认知时的大脑内在连通性,他们计算了ASD 儿童在行为观察、注意和社会认知等任务中的大脑功能连接,结果发现ASD 社会情感障碍严重程度和左侧TPJ的连通性相关性最强,而重复性行为和背内侧前额叶皮层的连通性相关性最强。Di等[31]发现高功能ASD 成年患者的心理理论网络和默认网络之间的功能连接出现了减少,Igelstrom 等[32]也发现ASD儿童的TPJ和小脑的连通性显著减少,这些连通性的降低可能是导致社交障碍的关键因素。

ASD 儿童社会认知障碍的核心问题在于无法理解他人的意图,而这一过程依赖心理理论,因此心理理论发展受损是ASD 儿童社会认知障碍的典型表现。右侧TPJ在自我-他人区分、他人心理状态推理等认知加工中起着重要作用。研究发现,ASD儿童右侧TPJ与左侧顶下小叶的功能连接强度显著高于健康儿童,但是随着年龄增长到青少年,这种增强效应出现了反转,即ASD 青少年功能连接强度低于健康青少年。说明ASD 儿童TPJ发育异常影响了与其它脑区的功能连接发育,进而导致心理理论能力发育异常。默认网络(default mode network,DMN)是功能连接研究中最重要的脑网络之一,也是心理理论的核心脑网络,与ASD 等许多精神疾病密切相关。ASD 儿童DMN 功能连接异常的主要脑区涉及后扣带皮层和TPJ,主要表现为随着年龄的增长这些脑区的功能连接逐渐减弱,而且与ASD 相关社交障碍有着高度正相关。基于以上,ASD 儿童TPJ发育异常影响默认网络加工效率,因此心理理论加工受损,可能导致ASD 儿童的社会认知障碍,并缺少对社会性相关刺激的注意偏向。基于TPJ脑区的结构和功能特征研究,未来研究可以进一步明确ASD 社会认知障碍神经基础,也为近年来发展的无创脑刺激疗法提供可能有效的刺激靶点[33]。

4 颞顶联合区无创脑刺激对孤独症谱系障碍的干预

目前ASD 的主要治疗手段集中在专业人员的干预,包括行为干预[34]、情绪训练以及同伴干预等[35],但是这些治疗方法都非常消耗人力物力,而且干预效果非常依赖专业人员的能力。大脑结构和功能研究证据表明TPJ在ASD 社会认知障碍中起着关键作用,因此近年来临床研究尝试采用无创脑刺激技术[36],在安全的前提下提高ASD 的干预效率[37]。常见的无创脑刺激疗法主要有两种:经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)[38],以及经颅直流电刺激(transcranial direct current stimulation,tDCS)[39]。

对健康个体的TPJ脑区施加脑刺激能够改善社会合作[40]、观点采择[41]和情绪归因[42]等能力,因此研究者尝试通过对TPJ脑刺激改善ASD 儿童的社会认知能力。还有一些研究者们利用t DCS探讨了脑刺激对ASD 儿童心理理论能力的影响,结果发现对腹内侧前额叶皮层施加刺激可以有效提升ASD 儿童心理理论能力,而右侧TPJ刺激可以提升ASD 儿童的语言流畅性。此外,对ASD 儿童的右侧TPJ施加阳性刺激的tDCS可以影响他们的情绪识别和归因加工[43]。Nobusako等[43]发现t DCS刺激TPJ脑区可以有效改善自闭特质个体的模仿和观点采择能力,这两项能力是社会认知中的重要组成部分,负责自我和他人加工的转换控制。这也提示:在未来基础和临床研究中,可以利用TMS 或t DCS等无创脑刺激方法促进ASD 儿童的社会认知能力,提高ASD 的干预效率。

不过,目前关于TPJ脑刺激干预对ASD 的研究比较少,但是从已有的研究来看,对TPJ进行脑刺激可以有效提升部分社会认知加工,对改善ASD儿童的语言和情绪认知加工具有重要意义。

5 总结与展望

早期脑成像研究探索TPJ与ASD 的关系主要集中在结构发育异常,但无法探明ASD 儿童社会认知过程的神经活动模式,缺乏真实环境下的研究,不能阐明因果关系等。因此,未来结构和功能多种分析方法结合将成为ASD 研究新趋势,目前已有研究发现社会认知能力受损不仅表现在TPJ结构异常,在社会感知任务中的神经活动,与其它脑区的功能连接都出现了异常[44]。此外,高生态性的f NIRS技术在ASD 研究中得到了越来越多的应用,发现TPJ脑区的神经同步性是早期识别ASD 风险的一项重要指标[45]。近年来,无创脑刺激技术成了为ASD干预的新方法,已有的研究表明对TPJ的脑刺激可以有效提升ASD 儿童的社会认知和语言能力,为未来探索ASD 干预方案提供新的思路[46]。

脑科学的基础和临床研究对ASD 社会认知障碍有了更深入的了解,社会认知障碍是ASD 的核心问题,与TPJ的结构和功能发育异常有着极为密切的关系。未来研究需要更多关注TPJ与ASD 相关性以帮助人们深入了解ASD 的发病机制,为早期发现提供依据,并进行及时有效的干预和治疗。首先,需要进一步考察TPJ发育影响ASD 儿童社会认知发展的机制及其发展轨迹,如开展纵向追踪研究,找到TPJ发育异常的关键节点和影响因素,对制定相应干预方法,促进ASD 儿童社会认知具有重要的意义。其次,优化研究设计,利用f NIRS等技术,在真实场景下针对ASD 儿童进行深入研究,发现其个体差异,并探究TPJ在ASD 社会认知发展中的作用机制,对ASD 早期干预和治疗至关重要。最后,在行为和心理干预的基础上,利用无创脑刺激技术,进一步对ASD 儿童的社会认知进行精准化干预,并将行为评估转变为定量的生理指标,从而增加干预的有效性和评估的准确性。