额下联合区认知控制的成熟：结合系统综述与基于坐标的功能磁共振成像荟萃分析

《Neuroscience & Biobehavioral Reviews》：Maturation of Cognitive Control in the Inferior Frontal Junction: A Combined Systematic Review and Coordinate-Based fMRI Meta-Analysis

　　

• 额下交界区在整个认知控制领域中均表现出激活

• 在每一个认知控制领域中均发现了不同的共激活模式

• 在青少年中，额下交界区的激活仅与抑制有关

• 额下交界区功能发生显著的发育性变化

**引言**

灵活地将我们的思维和行为规范适应不断变化的目标——广义上称为"认知控制"——是大脑最显著且最了不起的特征之一。虽然认知控制从童年到成年阶段漫长的发育过程已经在行为学上得到了充分记录，但驱动这一成熟过程的确切神经认知机制仍是该领域一个重要的悬而未决的问题。这里，我们关注人类前额叶皮层的一个专门节点——额下交界区（IFJ）。该区域位于注意、运动和长时记忆通路的解剖学交汇点，被认为是前额顶网络的一个"功能性枢纽"，负责灵活更新任务表征并协调多个认知控制领域（Brass et al., 2005, Derrfuss et al., 2005, Dixon et al., 2018）。然而，关于其发生学的一个根本性问题依然存在：IFJ的跨领域通用功能角色如何在神经发育中涌现？目前尚不清楚IFJ是作为一个整体节点发育，还是其功能架构在生命历程的不同阶段逐渐发育，以满足特定的认知控制功能。

为解决这一问题，本综述结合了对文献的综合综述和基于坐标的神经影像学元分析，以映射青少年和成人中IFJ在三个核心认知控制领域——抑制控制、任务切换和工作记忆——中的激活情况。我们的方法追踪了IFJ功能成熟的轨迹，为理解认知控制操作在不同发展阶段在多大程度上可能依赖于锚定于IFJ的共有或独特功能网络提供了一种新颖的框架。在描述当前fMRI元分析及其意义之前，我们首先对认知控制的组成部分进行操作化定义，并回顾IFJ在成熟人脑中似乎所扮演的独特功能角色。

"执行功能"（EFs）是一组涉及目标导向行为规划和调节的普遍认知功能，通常在前额叶皮层受损患者中受损（Cristofori et al., 2019）。虽然从临床和神经发育角度而言，执行功能非常有价值，但使用认知计算建模和/或神经影像学方法很难从机制上精确界定它们。这种困难使得该领域的许多研究者转向了更优选的术语"认知控制"，该术语指三个组成过程或子领域：抑制、任务切换或集合转换（即认知灵活性）和工作记忆（McKenna et al., 2017, Miyake et al., 2000, Sundermann and Pfleiderer, 2012）。

Miyake等人（2000）经典的执行功能三因素模型阐述了认知控制的抑制、灵活性和工作记忆组成部分的统一性和多样性。虽然他们的验证性因素分析表明每个领域测量的是认知控制的不同组成部分（多样性），但进一步的独立性检验表明这些功能之间存在一定共性，即统一性——他们将其称为"共同执行"的组成部分（McKenna et al., 2017, Miyake et al., 2000）。Miyake及其同事（2000）提出的全面三因素模型被广泛使用，并在成人（Karr et al., 2018）和青少年（McKenna et al., 2017）中得到了复制。虽然McKenna及其同事（2017）报道在六岁以上的青少年中存在三因素结构，但Karr等人（2018）最近的一项重新分析发现，在青少年中二因素模型的拟合效果更佳。具体而言，在儿童和青少年中，切换与工作记忆的合并以及切换与抑制的合并，都比三因素模型产生了更好的拟合效果（Karr et al., 2018）。这一差异表明，认知控制的灵活性组成部分可能比抑制或工作记忆成熟得更为缓慢，并在发育的后期阶段才作为一个独特的控制领域出现。

为了以与当前fMRI元分析相关的方式对认知控制进行操作化定义，我们关注在扫描仪中最常用于分离认知控制子领域的特定任务。抑制控制涉及抑制自动或占优势的反应（Miyake et al., 2000），在fMRI中常使用反跳眼动、侧向干扰、执行/不执行、停止信号和Stroop任务来测量（Zhang et al., 2021）。尽管已知在标准执行/不执行范式中关于抑制需求方面存在一些构建效度的细微差别（Wessel, 2018），我们仍将这些任务包括在内，因为它们是发育神经影像学研究中使用的主要方法，从而最大化了当前元分析的统计功效。任务切换或集合转换范式是在扫描仪中操作化认知灵活性的一般方法——包括在主动干扰的情况下启动和脱离任务集合或转换心理集合的能力（Kim et al., 2011, Miyake et al., 2000）。该领域通常使用涉及交替规则或情境依赖性刺激-反应映射切换的任务来测量。最后，工作记忆——常与认知控制和执行功能模型中的"更新"互换使用——涉及根据一个人的目标主动维护任务相关信息（Miyake et al., 2000），最常使用N-back范式的变体来进行操作化定义（Zhang et al., 2021）。

**额下交界区的宏观解剖与划分**

额下交界区位于额下沟（IFS）和额下前中央沟（IPCS）的交界处（Brass et al., 2005; Derrfuss et al., 2005）。通过连接额下沟——其参与工作记忆中目标相关信息的抽象编码（Nolan et al., 2024, Ruland et al., 2022）——和额下前中央沟——其毗邻运动控制区域，并因包含"前运动眼区"（PEF）而参与视觉选择性注意（Glasser et al., 2016; Noyce et al., 2017）——额下交界区作为多个功能异质性神经元环路的汇聚区，与视觉注意和认知控制相关（Brass et al., 2005）。在额下交界区的尾端和背侧扩展区域，相邻的前运动眼区和额眼区（FEF）主要参与扫视时的眼动控制，并且相对于额下交界区，它们与背侧视觉流（Bedini et al., 2026, Soyuhos and Baldauf, 2023）以及更广泛的背侧注意网络（DAN; Bedini et al., 2023; Bedini & Baldauf, 2021; Derrfuss et al., 2012; Schaefer et al., 2018）的连接更为强烈。相反，额下交界区与腹侧视觉皮层区域的连接比额眼区更为强烈（Bedini et al., 2026; Soyuhos & Buldauf, 2023）。因此，在连接性能够预测神经心理学功能的范围内，额下交界区可能比其在额下前中央沟和尾端背外侧前额叶皮层中的相邻区域更不偏向于运动和/或空间定位。

在其头侧端，额下交界区似乎还表现出与其相邻区域包括额下沟（在Glasser et al., 2016中为IFSp）和额下回（IFG; 在Glasser et al., 2016中为44区）相比的独特功能特征。虽然额下交界区在跨越多种认知操作的任务中表现出瞬时激活（Assem et al., 2020），但额下沟似乎扮演着更为明确的角色：在维持复杂的、层次化结构的规则期间表现出持续激活（Badre et al., 2009, Nee and D'Esposito, 2017）。额下回比额下交界区和额下沟表现出更为明确的角色，并具有独特的半球专业化。虽然左侧额下回主要参与言语产生，是大脑听觉/语言网络的一部分（Klaus and Hartwigsen, 2019, Zacà et al., 2013），但右侧额下回对于检测抑制占优势运动反应的提示至关重要（Cai & Leung, 2011），并且被认为是快速反应抑制的超直接额纹状体通路的核心前额叶皮层节点（Aron et al., 2016）。总之，综合证据表明，额下交界区代表一个独特的功能实体，应与相邻的额下沟和额下回区域分离开来。

除了额下交界区作为一个整体能够与周围额区分离的证据之外，通过人类连接组计划对额下交界区的结构和功能构成进行的大规模分析揭示，它可能并不代表一个单一的同质单元（Glasser et al., 2016）。具体而言，前额下交界区和后额下交界区（以下分别为IFJa和IFJp；图1; Glasser et al., 2016）似乎拥有各自独特的内源性连接特性。具体而言，右侧IFJp位于额顶网络内，而左侧IFJp跨越了额顶网络和背侧注意网络。相比之下，IFJa双侧均为额顶网络的一部分（Glasser et al., 2016, Schaefer et al., 2018）。

在结构上，与其余额下沟相比，额下交界区拥有独特的层次结构组成。额下交界区包含密集排列的颗粒层II，以及位于深层III和上层V的大型锥体细胞（Ruland et al., 2022）。这些特征使额下交界区非常适合优化实施认知控制所需的大规模功能网络连接变化。换句话说——额下交界区的层次结构使其能够通过其密集的颗粒层II整合复杂的、多区域输入，并通过其位于层III和层V的大型锥体细胞，分别驱动皮层-皮层和皮层-皮层下连接的广泛变化。这种环路架构专为快速启动自上而下的控制而优化。

与其在环路层面施加自上而下控制的容量一致，基于任务的神经影像学和患者研究的结果提供了令人信服的证据，表明额下交界区支持所有三个认知控制领域。关于工作记忆，当受试者主动表征和更新给定试验的规则时，通常可观察到额下交界区表现出强烈的激活（Brass and Cramon, 2004, Derrfuss et al., 2005）。此外，在视觉提示任务期间，还观察到额下交界区与枕叶区域之间的功能连接增强，随着工作记忆负荷的增加而增强，这潜在地表明通过该通路自上而下门控感觉输入或自下而上优先化任务相关刺激（Zhao et al., 2020）。由于工作记忆中的任务目标必须动态更新，额下交界区对任务切换或认知灵活性的需求也非常敏感，并且确实在刺激切换、反应切换和认知集合切换任务中被激活（Kim et al., 2011）。在成人的任务切换fMRI任务中，额下交界区还与前额顶、突显和扣带-岛盖网络区域共激活（Armbruster et al., 2012）。最后，在抑制控制期间，额下交界区在多种抑制范式中表现出一致的激活——这一效应显著受到同期工作记忆负荷的调节（Barber et al., 2013, Cieslik et al., 2015, Levy and Wagner, 2011）。

此外，来自临床患者群体的证据表明，额下交界区不仅与认知控制相关，而且是认知控制因果所必需的。正电子发射断层扫描和损伤研究发现，额下交界区代谢降低或损伤会导致所有三个认知控制领域出现缺陷，从而产生深远的临床功能损害，包括行为失抑制、计划缺陷和问题解决受损（Aron et al., 2003, Knutson et al., 2015, Schroeter et al., 2012, Schroeter et al., 2020）。在健康志愿者中，经颅磁刺激（TMS）研究也发现额下交界区对工作记忆和任务目标更新是必需的（Coutlee et al., 2016, Muhle-Karbe et al., 2014）。

额下交界区位于涉及高阶抽象处理的脑区与具体的感觉运动规划和动作选择的脑区之间的独特位置，使其理想地处于调节认知控制核心领域的位置。这种独特的解剖学定位使额下交界区能够在"多需求"（MD）网络内充当核心计算节点，该网络是一个专门的跨领域通用网络，在认知负荷较重的任务中可靠地共激活（Assem et al., 2020, Duncan, 2010, Fedorenko et al., 2013）。额下交界区在多需求网络中的计算角色已经通过多变量模式分析进行了研究，结果表明，包括额下交界区在内的核心多需求区域的激活对不同的任务集合相关认知操作——即工作记忆、任务切换和抑制控制需求——敏感，而对具体刺激类别几乎不敏感（Shashidhara et al., 2024）。一种关于额下交界区在认知操作中角色的心理学理论是，它将活跃的任务集合指令维持为一种临时编码方案，以主动调节下游的感觉运动规划，从而优化目标导向行为（Muhle-Karbe et al., 2017）。这种任务集合依赖的目标编码似乎是动态和灵活的——根据外部提示的规则或情境更新而改变（Muhle-Karbe et al., 2014），并且由于其可以直接访问附近的前运动区域，可用于门控下游的运动输出，以实现不适当占优势动作的抑制（即支持抑制控制; Levy & Wagner, 2011）。

与多需求理论和自适应控制的神经基质"灵活枢纽"模型（Cole et al., 2013）一致，有效连接性分析发现，在认知控制任务中，额下交界区对其他区域的活动具有预测作用。

IFJ的功能连接图谱会根据当前情境和任务需求动态变化——在外部提示驱动注意的任务中，IFJ与腹侧注意/显著性网络耦合；而在内源性定向注意任务中，则与背侧注意网络（DAN）耦合（Asplund et al., 2010; Dixon et al., 2018）。此外，左IFJ在规则切换过程中充当前额顶叶网络与扣带-岛叶网络（又称"行为模式"；Dosenbach et al., 2025）之间的灵活桥梁，这些网络向IFJ的有效连接可预测认知灵活性行为测验中的个体差异（Yin et al., 2018）。综合来看，IFJ的结构性与功能性连接图谱及其独特的解剖位置，使其能够在功能网络之间充当"交换机"或枢纽，对扣带、顶叶和皮层下区域产生广泛调节影响（Baldauf and Desimone, 2014; Hippmann et al., 2021; Sneve et al., 2013）。因此，IFJ的专用回路架构使其成为在抑制控制、认知灵活性和工作记忆等多个领域协调和执行认知控制的理想枢纽。然而，迄今为止所审查的证据完全来自成年人的神经影像和临床研究。尚不清楚这种功能枢纽架构是IFJ固有回路架构的特征，还是随着认知控制能力在发育过程中成熟而涌现出来的。因此，IFJ的神经发育及其在认知中的功能角色仍然缺乏充分研究。

神经发育理论将青春期至成年期风险行为的减少归因于认知控制过程的成熟与精细化（Crone and Steinbeis, 2017; Tervo-Clemmens et al., 2023）。这似乎受到从儿童期到成年早期大脑结构和功能可靠变化的塑造。在结构方面，这包括白质髓鞘化和轴突密度的变化（Lebel et al., 2019; Luo et al., 2025），以及灰质中的突触修剪和变薄（Luna et al., 2015）。与这些结构变化平行，功能连接分析揭示了一种从儿童期局部、邻近性共激活到成年期分布式、全脑功能模块的神经发育转变（Engelhardt et al., 2019; Fair et al., 2009）。这一过程涉及网络整合（即弥散性功能连接的增强）和分离（即短程连接的减少）的同步增加（Fair et al., 2007）。最终，这种重组促进了"小世界网络"在发育成熟的人类大脑中的形成，这些网络能够在认知需求较高的任务中实现更高效的网络级通信（Dosenbach et al., 2008）。与此一致，功能网络层面的耦合与抑制控制（Marek et al., 2015）和工作记忆（Satterthwaite et al., 2013）任务的改善表现相关。

在行为层面，认知控制的三个领域似乎表现出部分独立的发育轨迹。抑制控制、认知灵活性和工作记忆任务的表现通常随年龄增长而改善（Tervo-Clemmens et al., 2023），但这些成熟曲线的时间线和恒定性存在争议。例如，有观点认为抑制控制在儿童晚期和青春期早期即趋于稳定，而工作记忆和认知灵活性则持续成熟至青春期晚期/成年早期（Cowan, 2016; Cragg, 2016; Luna et al., 2004）。相反，迄今为止关于青少年认知控制行为标志物成熟度的最大规模研究似乎表明，各领域之间存在更为均匀的平行发育轨迹（Tervo-Clemmens et al., 2023）。行为文献中发育发现的模糊性突显了需要采用荟萃分析方法，考察认知控制神经基质在整个发育过程中的变化——直接检验认知控制是通过整体一致的方式发展，还是通过各领域的独立神经发育变化来实现。

关于IFJ神经发育及其在青少年认知控制领域中的角色数据相对匮乏。少数现有的神经发育研究对IFJ的年龄相关激活和功能连接变化报告了混合结果。研究发现，IFJ在儿童和成人中的激活保持稳定，同时成人在认知控制任务中左IFJ激活增加，且IFJ与前额叶和顶叶区域之间的连接增强——这表明与成人相比，青少年在认知控制过程中通过IFJ连接上调任务相关激活的程度可能较少（Andrews-Hanna et al., 2011; Morton et al., 2009; Schwarze et al., 2023）。鉴于IFJ在认知控制和网络通信中的潜在功能效用，了解其在不同领域间灵活招募方式如何随发育变化，将为理解认知控制成熟的神经生物学基础提供独特洞见。

在此，我们进行了一系列基于坐标的神经影像荟萃分析，以进一步证实IFJ在成人认知控制中的领域通用参与，并刻画青少年与成人相比，IFJ在不同认知控制领域参与度的神经发育轨迹。具体而言，我们旨在检验以下三个先验假设：

1）IFJ是成人认知控制的领域通用枢纽。IFJ将在成人的工作记忆、认知灵活性和抑制控制任务中被激活。

2）IFJ在成人中根据控制需求灵活改变其共激活模式。不同的认知控制领域将表现出IFJ与其他任务正性脑网络（包括前额顶叶网络、扣带-岛叶/行为模式网络、腹侧注意/显著性网络和背侧注意网络）之间不同的共激活模式。

3）IFJ在认知控制中的领域特异性神经发育轨迹。与青少年相比，成人在抑制控制、认知灵活性和工作记忆领域中的IFJ参与将得到增强。

这些假设将使用Neurosynth Compose工具（Kent et al., 2024; Kent et al., 2026）进行检验。假设1和2将通过多水平核密度分析（MKDA）检验现有的成人神经影像研究中三个认知控制子领域的结果。假设3将通过MKDA卡方检验，比较每个认知控制子领域中成人与青少年fMRI研究的激活图谱。随后，我们将讨论当前荟萃分析对理解认知控制的神经发育以及IFJ在认知控制中更广泛功能角色的意义。

## 章节节选

### 方法

我们进行了一系列基于坐标的荟萃分析，通过考察成人在认知控制三个领域（工作记忆、任务切换（即探查认知灵活性最常用的范式）和抑制控制）测量中的fMRI激活，来研究认知控制的功能成熟过程。此外，我们运行了三个卡方分析，以考察青少年和成人在各认知控制领域测量中的激活差异。

### 结果

通过一系列神经影像荟萃分析，我们旨在刻画成人和青少年在认知控制过程中IFJ的激活与共激活模式，并考察是否有证据表明该区域可能通过先前研究中的共激活模式间接推断，在网络之间充当功能枢纽。我们进行了六次独立的MKDA，以研究成人和青少年在抑制控制、切换和工作记忆认知控制过程中的激活情况。

### 成人认知控制的荟萃分析IFJ特征

当前的MKDA可靠地揭示了IFJ在成人认知控制中的参与。然而，对这些结果的仔细考察显示，IFJ招募具有明确的领域特异性特征，提示存在半球和亚区域特异性。抑制控制主要激活右IFJ以及相邻的右侧前运动和背外侧前额叶区域——这与已建立的右额叶皮层参与抑制控制的模型一致（Aron et al., 2004, 2007; Rubia et al., 2003）。

## 未引用参考文献

（Basten et al., 2011; Belayachi et al., 2015; Berkman et al., 2014; Crottaz-Herbette et al., 2004; Dehghan Nayyeri et al., 2019; Dumontheil et al., 2022; Fan et al., 2017; Fuentes-Claramonte et al., 2016; Garavan et al., 1999; Ghahremani et al., 2012; Jamadar et al., 2010; Jamadar et al., 2010; Kim et al., 2012; Kraemer et al., 2020; Muhle-Karbe et al., 2014; Rothmayr et al., 2011; Witt and Stevens, 2013; Yang et al., 2018; Yoo et al., 2004）

## 致谢

本工作由美国国家卫生研究院通过国家酒精滥用和酒精中毒研究所资助，项目编号R01AA030283，以及美国国家科学基金会资助，项目编号#2237795。我们感谢James Cavanagh博士和Cecilia Hinojosa博士对本文早期版本提出的宝贵意见，以及James Kent博士和Alejandro de la Vega博士在Neurosynth-Compose使用方面提供的关键支持。

Cidney Montford | Jeremy Hogeveen