为何反应抑制研究给单模态BOLD-fMRI带来了独特挑战

《Cortex》：Why response inhibition research presents unique challenges for unimodal BOLD-fMRI

　　简·R·韦塞尔
爱荷华大学

摘要
反应抑制是人类大脑中最重要的控制过程之一。对反应抑制背后基本神经机制的研究产生了迄今为止认知神经科学领域中被引用最多的实证成果，其中大量具有影响力的研究依赖于单模态BOLD-fMRI技术。在首次使用fMRI研究反应抑制25年后，仍有大量新研究运用这一方法来探索其基本神经机制。本文旨在阐明为何关于反应抑制基本神经机制的核心问题仍未得到解决，为何新的单模态fMRI研究常常得出看似矛盾的结果，以及为何在fMRI研究中几乎找不到对理解反应抑制至关重要的实验对比。笔者认为，由于BOLD-fMRI的时间分辨率、实验室反应抑制任务的基本行为动态以及相关神经回路的具体特性等多种因素的独特组合，反应抑制的研究对fMRI而言比其他领域更具挑战性。随后，笔者将阐述尽管存在这些限制，该技术仍可保持价值的两种可能途径。

引言
反应抑制是人类大脑中的关键控制过程。通过对运动活动施加抑制控制，人类能够在动作开始后取消不适当或过时的动作。常见的理论模型认为，反应抑制是支撑适应性行为的为数不多的基本控制功能之一（Friedman等人，2000；Diamond等人，2013）。反应抑制还被认为与冲动控制有关（例如Chamberlain & Sahakian，2007；Bari & Robbins，2013；Mirabella，2022），事实上，反应抑制过程中的神经活动能够预测日常生活中的冲动控制能力（Whelan等人，2012；不过也可参考Eisenberg等人，2019的研究）。此外，一些人提出，反应抑制是一些神经精神疾病（如多动症）中的“主要缺陷”（Wodka等人，2007；Lipszyk & Schachar，2010；Senkowski等人，2023；不过也可参考Weigard等人，2019的研究）。

因此，人们对于反应抑制背后的基本神经机制极为感兴趣。在神经科学研究中，反应抑制通常通过三种实验范式进行研究。前两类为基于冲突的范式（如Flanker任务、Simon任务或Stroop任务），以及Go-Nogo范式。然而，这些范式存在若干缺陷（更详细的综述可见Wessel，2025）。首先，它们通过错误率来推断反应抑制的表现，而错误率会受到基本反应时间的影响——整体反应速度越快，错误越多。其次，基于冲突的范式通过引入另一过程来推断抑制的必要性，从而将冲突处理与反应抑制混为一谈。第三，尤其是Go-Nogo任务往往无法产生足够强烈的反应，以至于不需要抑制作用（Wessel，2018）。

出于这些原因，大多数关于反应抑制的基础研究都是采用停止信号范式的变体进行的（Vince，1948；Lappin & Eriksen，1966；Slater-Hammel，1960；Matzke等人，2018）。在停止信号范式中，每个试验都包含一个初始的启动信号，指示执行特定动作。在部分试验中，启动信号之后会出现一个停止信号，指示取消之前的动作。通过相对于启动信号延迟停止信号的出现时间（通常通过自适应阈值处理实现），停止信号范式确保在大多数需要停止的试验中都能启动相应动作。这种人为制造的动机优势，使得成功抑制反应成为必要。停止信号范式特别受欢迎，因为可以利用一个简单的计算模型——即“赛马模型”——来推断潜在的停止信号反应时间（SSRT），这一指标可用于衡量反应抑制的速度（Logan等人，1984）。虽然SSRT本身也存在一些问题（其中一些问题至今仍未解决，例如Matzke等人，2018；Bissett等人，2021；Schmidt & Berke，2017；Diesburg & Wessel，2021），但它仍然是广泛使用且非常流行的反应抑制指标，能与停止信号任务中的许多脑活动特征相关联。

利用停止信号范式进行的反应抑制神经科学研究具有极其重要的影响力。截至目前，至少有七篇实证论文的被引次数超过了1000次（根据2026年3月的谷歌学术查询，这些论文包括Rubia等人，1999；Rubia等人，2001；Rubia等人，2003；Aron等人，2003；Aron & Poldrack，2006；Aron等人，2007；Hampshire等人，2010）。还有数十篇被引次数高达数百次的实证论文，以及大量备受引用的理论、元分析及综述文章，表明这一主题仍然受到认知神经科学家的极大关注。

值得注意的是——考虑到整个认知神经科学领域的现状，这或许并不令人意外——关于反应抑制神经机制的最具影响力的论文中，绝大多数都使用了基于BOLD的功能性MRI技术。实际上，上述被引次数超过1000次的停止信号相关论文中，除一篇外，其余均包含单模态fMRI研究。这些研究为“在反应抑制过程中被激活的脑区网络是如何实现这一功能的？”这一基本问题提供了多种不同（且常常相互矛盾）的答案。这些答案在大量的理论及观点类论文中得到了讨论和总结（例如Ridderinkhof等人，2004；Aron等人，2004；Mostofsky & Simmons，2008；Chambers等人，2009；Munakata等人，2011；Aron，2011；Swick & Chatham，2014；Hampshire & Sharp，2015；Wessel & Aron，2017），并在多项元分析中进行了汇总（例如Zhang等人，2017；Levy & Wagner，2011；Rae等人，2014；Swick等人，2011；Apsvalka等人，2022）。

在本文中，笔者认为停止信号范式的特性为单模态fMRI在反应抑制研究中的应用带来了独特挑战。本文的目的并非全面（甚至平衡地）评估所有用于研究反应抑制的方法的优缺点。所有认知神经科学方法都存在已知局限。事实上，fMRI的流行正是由于其他常用方法存在明显局限性（如非侵入式EEG记录的空间分辨率较低）所导致的。与认知神经科学的所有领域一样，研究反应抑制需要多种方法的交叉证据以及多模态整合。fMRI应当成为这种多方法工具箱的一部分。不过，本文的重点在于强调研究反应抑制所带来的特殊情境，这些情境会加剧单模态fMRI的特定局限性。笔者认为，停止信号范式对单模态fMRI的实用性设置了限制，而这些限制在其他认知神经科学领域并未以同样的程度存在。强调这些特殊情境具有重要意义。首先，与认知神经科学领域的普遍情况一样，fMRI研究对反应抑制领域产生了巨大影响。一个例证是，尽管在停止信号任务中首次描述反应抑制的EEG特征——即停止信号P3 ERP（De Jong等人，1990）——比首批单模态fMRI研究早了近十年，但截至2026年3月，它的被引次数还不到上述六篇单模态fMRI研究的一半。其次，关于反应抑制基本机制的新单模态BOLD-fMRI研究仍在不断发表（例如Isherwood等人，2025；Lin等人，2025、2026；Wang等人，2025；Sebastian等人，2025；Wu等人，2025）。

为说明单模态fMRI在反应抑制研究中所面临的独特问题，笔者首先简要介绍在反应抑制过程中被激活的脑网络（即“哪些区域参与”）。至于“如何参与”（例如各区域的作用，前提是确实存在区域特异性），这一问题在相关的fMRI文献中一直存在争议。然而，正如笔者将在文中阐述的，正是这个“如何参与”的问题，使得单模态fMRI难以给出答案。

来自颅内记录、损伤研究、TMS、动物模型以及fMRI的交叉证据表明，反应抑制是通过额叶-基底节网络实现的（更多综述可见上文，以及Hannah & Aron，2021；Friedman & Robbins，2022；Wessel，2025中的最新综述）。单模态fMRI研究在最初识别这一网络方面发挥了重要作用，上述被广泛引用的论文大多属于此类研究。在这些研究中，最常被提及的皮质区域是下额回（rIFG）和前补充运动区（pre-SMA）。其他研究则指出还有其他区域也参与其中，主要集中在（前）额叶皮质（也可参考前文提到的元分析）。尽管关于反应抑制网络中皮质区域的讨论仍很激烈，但人们普遍认同——至少对于肢体运动而言——该网络的皮质区域会激活抑制性的皮层-基底节-丘脑皮层通路（包括超直接通路和/或间接通路），最终实现对运动系统的抑制（Aron，2011；Jahanshahi等人，2015；Wessel & Anderson，2024）。

哪些区域对反应抑制至关重要，以及它们各自的作用，正是推动许多重要BOLD-fMRI研究产生的核心问题。为说明单模态BOLD-fMRI在回答这些问题时的根本局限性，首先需要了解所关注的实验对比类型。

片段摘录
停止信号范式中的关注对比类型
停止信号范式包含三种类型的试验：启动试验（不出现停止信号）、成功的停止试验（SS，即启动信号之后出现停止信号，且反应被成功抑制；这类试验有时也被称为“信号抑制”试验），以及失败的停止试验（FS，即启动信号之后出现停止信号，但仍然发生了反应；这类试验有时也被称为“信号响应”试验）。

因此，SS与GO对比
在许多基于fMRI的关于反应抑制基本机制的讨论中，核心问题在于停止试验实际上混淆了显著性检测与抑制功能。因为从定义上讲，停止信号本身就是显著的信号。在最常见的停止信号任务设计中，停止信号的出现频率也很低（相比每次试验都会出现的启动信号而言）。事实上，让停止信号既显著又罕见，正是某篇有影响力的关于停止信号共识论文中的明确建议。

为何SS与FS对比存在根本性缺陷
因此，人们可能会疑惑，为何SS与GO对比在fMRI文献中如此普遍——尤其是因为SS与FS对比似乎已经解决了显著性检测的问题。实际上，由于SS和FS试验都包含相同且罕见的显著停止信号，与注意力捕获相关的活动应该会被抵消掉。

为何皮下BOLD成像会得出看似矛盾的结果
近期的fMRI研究致力于阐明皮下结构在反应抑制中的作用。这些研究大多聚焦于丘脑下核（STN），因为STN既是间接抑制通路中的最终节点，也是超直接抑制通路中的最终节点（Hazrati & Parent，1995）。STN受损会导致SSRT延长（Obeso等人，2024），而STN功能受损则会降低动作停止过程中的皮层-运动抑制作用（Wessel等人，2022）。

值得注意的是，第二高被引率的……

BOLD-fMRI在研究反应抑制中的应用价值
BOLD fMRI是一种强大的技术，它推动了认知神经科学领域的诸多重大进展。尽管该技术存在严重的时间分辨率不足问题，且其与神经元活动的关联仍存在争议，但其无与伦比的无需侵入即可对健康人脑——尤其是皮质——进行一定精度空间成像的能力，弥补了这些缺陷。然而，在研究反应抑制的基本神经机制这一特定问题上，这些已知的局限性却会以独特的方式限制研究进展。

总结
关于反应抑制的BOLD-fMRI研究产生了认知神经科学史上被引用最多的实证及理论成果。本文阐述了为何反应抑制是对单模态fMRI而言极具挑战性的研究领域。笔者试图说明，BOLD-fMRI得出的结论乍看之下可能显得违反直觉，且难以与现有关于反应抑制的广泛研究结果相协调。这些局限性是根本性的。BOLD-fMRI部分：本研究未涉及数据的收集或分析。代码部分：本研究未使用任何分析代码。材料部分：本研究未使用任何用于生成或获取数据的材料。研究设计部分：作者表示，报告样本量确定方法、数据排除标准以及纳入和排除标准并不适用于此项研究。他们给出的理由是“没有数据”。预注册部分：该研究的任何步骤均未进行预注册。参考文献：Ap?valka等人，2022年；Aron，2007年；Cieslik等人，2024年；Diamond，2013年；Enriquez-Geppert等人，2010年；人类丘脑下核的成像研究，2021年；Jong等人；Kurzawski等人，2022年；Li等人，2008年；Logan；Mileti?等人，2020年；Mirabella，2021年；Miyake等人，2000年；Mostofsky和Simmonds，2008年；Parent和Hazrati，1995年；Rae等人，2015年；Raud等人，2022年；Rubia等人；Schmüser等人，2016年；Senkowski等人，2024年；Soh等人；Swick等人，2008年；IMAGEN联盟等人，2012年。