梭状回面孔区(FFA)发育与高阶社会脑区发育的相关性

《Developmental Cognitive Neuroscience》：Fusiform face area development correlates with development in higher-order social brain regions

　　

摘要：梭状回面孔区(Fusiform Face Area, FFA)在出生最初数月内即对面孔刺激表现出偏好性反应。一种假说认为，中内侧前额叶皮层(middle medial prefrontal cortex, MMPFC)中的高阶社会性反应或颞上沟(superior temporal sulcus, STS)中的面孔反应驱动FFA面孔选择性反应的发展，右半球FFA最终的优势反应源于其与这些脑区偏侧化的连接；另一种假说认为杏仁核中存在先天面孔模板引导对面孔样图形的注意。本研究利用公开的横断面看电影态功能磁共振成像(fMRI)数据集，机会性地考察了儿童期FFA、MMPFC、STS及杏仁核的发育，被试包括3–12岁儿童(N=117, 平均年龄M=6.77岁)及成人(N=33, M=24.77岁)。研究人员基于前提假设——这些脑区之间的关联即使在儿童中也可观测到，且此类关联可约束未来婴儿研究的假说与分析方案——检验了FFA发育与MMPFC、STS、杏仁核发育的相关性（表现为FFA功能成熟度是否与其和上述区域的功能连接或自身功能成熟度相关）。首先，研究人员测量了功能成熟度，即每名儿童对电影的反应时程与成人平均反应时程的相似度；所有脑区的较年长儿童反应均更趋近成人水平。其次，研究人员检验FFA成熟度是否与FFA和MMPFC、STS或杏仁核的功能连接或其功能成熟度相关。结果显示：具有更成熟右FFA反应的儿童，表现出更强的右FFA–右MMPFC功能连接；具有更成熟FFA反应的儿童，其双侧STS反应也更为成熟。本研究提供初步证据表明FFA与高阶社会脑区共同发育(co-develops)。

论文解读：《梭状回面孔区(FFA)发育与高阶社会脑区发育的相关性》——发表于Developmental Cognitive Neuroscience

一、研究背景与目的

面孔是环境中高度显著的刺激，是识别他人及进行社会学习的重要来源。成人脑中存在面孔加工网络，包括双侧颞上沟(superior temporal sulcus, STS)、枕叶面孔区(occipital face area, OFA)及梭状回面孔区(Fusiform Face Area, FFA)，其中右FFA对面孔的选择性激活最为稳健，且面孔加工网络功能连接在右半球更强。婴儿两个月大时已可在FFA观测到面孔选择性反应，但有证据表明FFA面孔选择性在儿童期（3–12岁）仍持续发育，主要表现为对非面孔视觉类别（如物体、场景）的反应降低。关于FFA面孔选择性反应发育驱动机制，Powell等人(2018)提出三种非互斥假说：(1)中内侧前额叶皮层(middle medial prefrontal cortex, MMPFC)中对积极自我相关社会刺激（如熟悉面孔、相互注视）的反应驱动注意朝向面孔，进而促使FFA发展出面孔选择性，右半球优势可能源于与MMPFC等"高阶"脑区偏侧化连接；(2)杏仁核中存在先天皮下"面孔模板"引导注意朝向类面孔图形，经快速皮下通路影响皮层（含FFA）加工；(3)视觉经验反复共激活对低阶视觉特征（曲线性、中央凹输入、低频空间频率）偏好的神经元群，驱动FFA对面孔的特征选择性——但该机制预测双侧对称反应，难以解释右半球优势。前两种假说的核心预测是FFA发育应与MMPFC（假说1）或杏仁核（假说2）的功能成熟度或功能连接相关联，这些关联在儿童中或可观测，并为未来婴儿研究提供约束。本研究利用已有开放数据集机会性分析，检验3–12岁儿童右FFA功能成熟度是否与右FFA–MMPFC、右FFA–杏仁核功能连接或其功能成熟度相关，并扩展检验与STS的关系，以探究FFA与高阶社会脑区发育的神经关联。

二、主要关键技术方法概述

研究人员对OpenNeuro公开数据集(ds000228, Richardson et al., 2018)进行机会性再分析，纳入最终样本为3–12岁儿童117名(平均6.77±2.33岁)及成人33名(平均24.77±5.31岁)，均来自美国马萨诸塞州剑桥市社区，儿童完成看动画片("Partly Cloudy"，5.6分钟无声版)任务态fMRI。预处理采用fMRIPrep 24.0.0，平滑核5 mm高斯滤波，排除头动过大者。感兴趣区(Region of Interest, ROI)定义：FFA、MMPFC及STS采用基于成人局部izer定义的参考时程回归电影时程、取最高80体素的功能性ROI定义法（分半交叉验证）；杏仁核采用FreeSurfer自动分割解剖ROI。功能成熟度定义为儿童各ROI时程与成人平均时程的Pearson相关系数z值；功能连接(Functional Connectivity, FC)定义为两ROI时程的Pearson相关z值；面孔/场景事件反应幅度提取自成人定义峰值TR。统计分析采用线性混合效应模型，控制头动(mean framewise displacement, FD)及年龄，检验：(1)年龄对各ROI功能成熟度、事件反应幅度及FFA与其他ROI功能连接的影响；(2)右FFA功能成熟度与其和MMPFC/杏仁核/STS功能连接及各ROI自身功能成熟度的相关性（控制年龄）。

三、研究结果

3.1 Development of FFA face response and functional connectivity（FFA面孔反应与功能连接的发育变化）

研究人员以线性混合效应模型检验年龄对各ROI功能成熟度的影响，发现控制头动后，FFA(β=0.26, p=1.836×10^-4)、MMPFC(β=0.35, p=4.841×10^-6)、杏仁核(β=0.20, p=0.016)及STS(β=0.24, p=3.968×10^-4)的功能成熟度均随年龄增长而提高（即年长儿童反应更"成人化"）。FFA对面孔事件的反应幅度在控制多重比较校正(α=0.004)后不随年龄变化；MMPFC对一个特定面孔事件反应幅度随年龄下降，STS对另一特定面孔事件反应幅度随年龄上升。功能连接分析显示右FFA与各ROI（双侧MMPFC、杏仁核、STS）的功能连接总体为正，且右FFA–右MMPFC功能连接随年龄增长强于右FFA–左MMPFC(年龄×半球交互β=0.16, p=0.016)，但右FFA–双侧MMPFC整体功能连接不随年龄显著增加。

3.2 Functional maturity of FFA: Associations with functional connectivity with or functional maturity of MMPFC, amygdala, or STS（FFA功能成熟度与其和MMPFC、杏仁核或STS功能连接及功能成熟度的关联）

预注册及事后分析显示：右FFA功能成熟度与右FFA–双侧MMPFC或杏仁核功能连接无显著相关(ps≥0.060)，与右FFA–双侧STS功能连接边缘不显著(p=0.106)；但事后限定同侧半球分析发现，右FFA功能成熟度越高，右FFA–右MMPFC功能连接越强(β=0.17, p=0.045)，该关联不受头动调节。左FFA功能成熟度越高，左FFA–双侧STS功能连接越弱(β=-0.14, p=0.046)。在非预注册分析中，右FFA功能成熟度与双侧STS功能成熟度正相关(β=0.19, p=0.008)，控制年龄后仍显著；但右FFA功能成熟度与MMPFC或杏仁核功能成熟度无显著相关(ps≥0.544)。左FFA与双侧STS功能成熟度亦呈相同正相关模式。

四、讨论与结论翻译

研究人员指出，本研究发现具有更成熟右FFA反应的儿童表现出更强的右FFA–右MMPFC功能连接，且右FFA功能成熟度与双侧STS功能成熟度正相关，为FFA与高阶社会脑区（MMPFC及STS）共同发育提供了初步证据，部分支持"高阶社会脑系统参与驱动FFA发育"的假说。未检测到FFA成熟度与杏仁核功能连接或杏仁核自身功能成熟度的显著关联，不能排除方法学灵敏度限制或杏仁核作用主要体现在婴儿期初始面孔选择性出现阶段的可能。研究局限包括横断面设计无法推断因果方向、电影范式无法可靠计算面孔选择性侧化指数、功能性ROI定义依赖"成人样"时程可能低估儿童特有反应模式。未来需纵向、干预研究及社会相关自我指涉刺激设计进一步阐明FFA面孔选择性出现及右半球化的机制。

研究结论（翻译）： 本研究表明，儿童期梭状回面孔区(FFA)的面孔加工功能成熟度与中内侧前额叶皮层(MMPFC)及颞上沟(STS)等高阶社会脑区的发育指标相关——具体而言，右FFA功能成熟度与右FFA–右MMPFC功能连接强度及双侧STS功能成熟度正相关——提示FFA与高阶社会脑区在童年阶段共同发育(co-develops)。未来需借助纵向与干预设计、使用具社会意义和自我相关的刺激、并在更早发育阶段测量面孔选择性侧化，以澄清驱动FFA面孔选择性出现及右半球化的神经机制。