纹状体和眶额皮层灰质体积与儿童青少年联结学习任务中认知事件相关电位的性别差异关联

《Frontiers in Neuroscience》：Striatal and orbitofrontal grey matter volumes are associated with cognitive event related potentials during associative learning task performance in male and female children and adolescents

　　

摘要 引言： 灰质体积和事件相关电位的个体差异可能是联结学习变异性的神经基础。然而，关于这些结构-功能关系在发育过程中存在的性别差异，目前知之甚少。 方法： 本研究调查了7至21岁儿童青少年局部灰质体积与联结学习任务期间大脑反应之间的关联。研究人员假设，基底节和前额叶皮层的灰质体积将以性别依赖的方式与反映联结学习的事件相关电位指标相关联。最终分析纳入138名参与者（68名女性，70名男性）。参与者在完成联结学习任务的同时进行脑电图（EEG）事件相关电位（ERP）记录。研究人员在5个先验感兴趣区（ROI）内分析了灰质体积（GMV），这些区域主要位于基底节附近和前额叶皮层。 结果： 在女性中，早期阶段刺激呈现诱发的额区N400潜伏期与左侧壳核/豆状核的灰质体积呈正相关，晚期阶段刺激呈现诱发的N400潜伏期则与膝下前扣带回（sgACC）的灰质体积呈正相关。晚期阶段反馈呈现诱发的额区P300波幅与右侧伏隔核/壳核以及右侧内侧眶额皮层（MOFC）的灰质体积呈正相关。涉及膝下前扣带回和内侧眶额皮层的相关性在女性群体中显著强于男性群体。在男性中，早期阶段反馈呈现诱发的额区P300波幅与左侧海马/杏仁核簇的灰质体积相关，但这种关联与女性相比无显著差异。在探索性分析中，在控制了全脑体积后，年龄与两性纹状体和眶额区域的体积均呈正相关，其模式大致重叠。 讨论： 因此，研究结果支持将纹状体和眶额皮层的灰质体积与强化学习表现过程中的大脑活动联系起来的结构-功能关系。鉴于联结学习是强化学习的一个实例，其潜在的神经过程受到纹状体和眶额区域结构发育的影响。

论文解读文章

1. 研究背景与问题

个体间认知能力的差异，特别是学习能力的差异，有其神经生物学基础。大脑形态学，尤其是局部灰质体积（Gray Matter Volume, GMV）的差异，被认为与注意力、情绪、学习和高级认知过程密切相关。联结学习（Associative Learning）作为一种核心认知过程，旨在建立刺激与结果之间的联系，是预测、适应性行为和决策的基础。该过程依赖于一个分布式的神经网络，包括用于联想表征的颞叶区域和用于控制与预测的前额叶区域，尤其涉及腹内侧前额叶皮层（vmPFC）和腹侧纹状体的活动。

尽管已有研究表明大脑结构和功能（如事件相关电位，Event-Related Potentials, ERPs）的个体差异影响学习，但将两者联系起来，特别是在发育过程中探讨性别差异的研究仍然匮乏。P300和N400作为两种重要的ERP成分，分别反映了注意力资源分配、工作记忆更新以及语义/语境整合等认知加工过程。这些ERP成分的发育轨迹存在性别差异，而大脑结构的成熟同样表现出性别依赖性。因此，本研究旨在探究在儿童、青少年和青年中，参与联结学习的脑区（特别是纹状体和前额叶）的结构差异与反映联结学习的电生理标记物之间的关系是否存在性别差异。

2. 研究方法概述

研究人员招募了138名7至21岁的健康参与者（68名女性，70名男性），所有参与者来自哈萨克斯坦，母语为哈萨克语或俄语。他们完成了一项计算机化的视觉运动联结学习任务，同时记录64导联脑电图（EEG）数据。结构磁共振成像（sMRI）数据使用3T GE SIGNA Architect扫描仪采集。数据分析采用基于体素的形态测量学（Voxel-Based Morphometry, VBM）计算局部灰质体积（GMV），并使用SPM12软件进行预处理和统计分析。研究人员定义了5个半径为6毫米的球体作为先验感兴趣区（Region of Interest, ROI），其中心坐标来源于神经综合网（neurosynth.org）关于“强化学习”的元分析激活图谱，主要位于纹状体和腹内侧前额叶皮层。通过一般线性模型（GLM）分析GMV与ERP指标（包括P300和N400的波幅和潜伏期）的关联，并将精确年龄、总颅内体积（Total Intracranial Volume, TIV）和母语作为协变量。随后对显著的聚类进行皮尔逊相关分析，并通过费希尔z转换比较男女组间相关系数的差异。

3. 主要研究结果

3.1 人口学数据、ERP试次计数和组织体积

男女两组在平均年龄和母语比例上无显著差异。男性参与者的总颅内体积（TIV）及各组织类型的体积均显著大于女性。

3.2 联结学习任务表现

两性在任务正确率上无显著差异。所有参与者在学习早期阶段的反应时（Reaction Time, RT）显著慢于晚期阶段，表明学习效应有效。性别主效应及时间与性别的交互作用不显著。

3.3 ERP结果

女性组：

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  早期刺激诱发的额区N400潜伏期： 与左侧壳核/豆状核（位于ROI 3）的GMV呈显著正相关（r = 0.437, p_FWE = 0.014）。
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  晚期刺激诱发的额区N400潜伏期： 与左侧膝下前扣带回（sgACC，位于ROI 2）的GMV呈显著正相关（r = 0.486, p_FWE = 0.002），且该相关性显著强于男性组（p_FWE = 0.025）。
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  晚期反馈诱发的额区P300波幅： 与右侧伏隔核/壳核（位于ROI 5）的GMV（r = 0.461, p_FWE = 0.005）和右侧内侧眶额皮层（MOFC，位于ROI 1）的GMV（r = 0.465, p_FWE = 0.005）均呈显著正相关。其中，与MOFC的相关性显著强于男性组（p_FWE = 0.002）。
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  晚期反馈诱发的额区P300潜伏期： 与右侧膝下前扣带回（sgACC，位于ROI 2）的GMV呈显著负相关（r = -0.434, p_FWE = 0.016）。

男性组：

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  早期刺激诱发的额区N400波幅： 与位于ROI 3的核外白质区域GMV呈正相关。
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  晚期刺激诱发的额区N400波幅： 与左侧尾状核（位于ROI 2）的GMV呈显著负相关（r = -0.425, p_FWE = 0.017）。
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  早期反馈诱发的额区P300波幅： 与左侧海马/杏仁核簇（位于ROI 3）的GMV呈显著正相关（r = 0.481, p_FWE = 0.002）。
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  早期刺激诱发的后部P300波幅： 与位于ROI 3的核外白质区域GMV呈正相关。

3.4 探索性分析：年龄相关结果

在控制全脑体积后，男性和女性均在五个先验ROI内显示出年龄与GMV的广泛正相关，涉及内侧前额叶/眶额皮层、嗅皮层、边缘系统和多个皮层下核团（如杏仁核、伏隔核、苍白球、壳核和尾状核）。

4. 讨论与结论

讨论总结：

本研究的ERP-VBM分析发现，联结学习过程中的结构-功能关联确实存在性别差异。在女性中，N400潜伏期与纹状体（早期）和膝下前扣带回（sgACC，晚期）的体积相关，这可能反映了刺激-反应映射的学习和动机情境的整合。P300波幅与腹侧纹状体和内侧眶额皮层（MOFC）的体积相关，暗示了奖赏评估和行动-结果学习的功能结构基础。在男性中，N400波幅与尾状核的体积相关，可能涉及动作选择和习得的行动-结果偶联。P300波幅与海马/杏仁核区域的体积相关，可能涉及编码突显的结果信息和形成线索-结果关联。这些发现表明，支持联结学习的神经过程受到纹状体和眶额区域结构发育的影响，且这种影响可能存在性别特异性。然而，除了MOFC的结果外，多数性别间的相关系数差异未达到统计显著性，需要在更大样本中进行验证。研究局限性包括性别分层分析的样本量有限，以及VBM方法提供的是间接测量。

结论翻译：

总之，这项ERP-VBM研究发现，在控制了年龄和总颅内体积（TIV）后，7至21岁参与者在联结学习任务中收集的N400和P300测量值与局部灰质体积（GMV）相关。在女性中，刺激锁定的额区N400潜伏期与左侧壳核/豆状核和膝下前扣带回（sgACC）的GMV相关，而反馈相关的额区P300波幅与右侧伏隔核/壳核和内侧眶额皮层（MOFC）的GMV相关。在男性中，晚期刺激诱发的额区N400波幅与尾状核的GMV相关。早期任务阶段反馈诱发的额区P300波幅与左侧海马/杏仁核簇的GMV相关。这些发现可能表明N400和P300相关过程与纹状体、边缘叶和额叶区域的结构变异之间存在关联，这主要与同时在结构和功能上体现的神经成熟相一致。大多数性别差异在相关系数上不具有统计学显著性。然而，女性组在晚期刺激锁定的额区N400潜伏期与左侧前扣带回（ACC）GMV，以及晚期反馈锁定的额区P300波幅与右侧内侧眶额皮层（MOFC）GMV方面，呈现出更强的ERP-VBM相关性。