《Psychiatry and Clinical Neurosciences》：Circular inference in visual cortical hierarchies in schizophrenia
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目的：在精神分裂症中，受损的感知过程促进了阳性症状的产生。然而，自上而下先验（top-down priors）和自下而上似然（bottom-up likelihoods）如何在视觉皮层层级中表征仍不清楚。为识别皮层层级内的这些过程，循环推理（circular
目的：在精神分裂症中，受损的感知过程促进了阳性症状的产生。然而，自上而下先验（top-down priors）和自下而上似然（bottom-up likelihoods）如何在视觉皮层层级中表征仍不清楚。为识别皮层层级内的这些过程，循环推理（circular inference）模型提供了一个框架，用于解释可能导致幻觉和妄想的先验与似然的偏差性整合。
方法：21名参与者（包括10名精神分裂症患者和11名健康对照）在功能磁共振成像（fMRI）扫描期间进行了一项感知决策任务。参与者首先接收关于即将出现物体的概率提示，然后观看模糊图像，最后使用滑块回答物体身份和信心。研究人员基于贝叶斯感知模型分析参与者表现，并将代表自上而下先验和自下而上似然的变量用于fMRI数据分析。
结果：感兴趣区（ROI）分析显示，与健康对照相比，精神分裂症患者整个视觉皮层中自上而下相关活动显著增强（F(1,133)=8.82, p=0.003, η2=0.059）。此外，探索性ROI分析发现，在妄想得分较高的个体中，早期视觉区域的自下而上相关活动增加（V1: r=0.41, p=0.059; V2: r=0.47, p=0.030）。
结论：使用基于模型的fMRI分析，这些发现为精神分裂症中视觉皮层层级自上而下活动增强提供了证据。探索性分析还提示自下而上超敏与妄想观念之间存在潜在关联；然而，该关联未通过多重比较校正。研究结果与视觉皮层中循环信息流改变一致，并强调了基于模型神经影像学在揭示感知处理中潜在异常方面的价值。
**研究背景与问题**
精神分裂症是一种多层面的精神疾病，其特征包括幻觉和妄想等阳性症状、快感缺乏和意志减退等阴性症状，以及工作记忆、推理和学习等认知领域的缺陷。感知异常，特别是感知推断（perceptual inference）的失调，与阳性症状密切相关。感知推断指大脑通过整合自上而下先验（top-down priors）与自下而上似然（bottom-up likelihoods）来预测感觉输入原因的过程，这一计算在贝叶斯框架内被形式化描述。长期以来，自上而下先验与自下而上似然之间的失衡被认为是精神分裂症病理生理的基础。当先验过度主导时，感知可能脱离感觉证据，从而产生幻觉；而妄想则被认为源于自下而上似然异常加权或预测误差信号误用，导致僵化信念和对琐碎事件赋予异常显著性。
循环推理（circular inference）模型提供了一个统一的计算框架来解释这些异常。该模型认为，先验和似然并非一次性整合，而是在皮层层级内反复回响，导致其冗余放大和偏差性整合。当先验被错误地解释为感觉证据时，称为下降回路（descending loop）；而当似然被过度纳入高阶信念时，则构成上升回路（ascending loop）。这些回响被认为与幻觉和妄想有关，新兴证据也提示其可能参与阴性症状。尽管行为研究已支持循环推理，但自上而下先验和自下而上似然如何在视觉皮层层级（从早期视觉区域V1-V4到高阶区域如外侧枕叶复合体LOC、梭状回面孔区FFA和旁海马位置区PPA）中表征，以及这些神经表征如何映射到不同症状维度，仍不清楚。视觉系统以其明确的层级组织为回答这一问题提供了特别合适的框架。
本研究旨在结合贝叶斯感知决策任务与fMRI，基于循环推理框架进行计算模型分析，以分离视觉层级中多个水平上自上而下先验和自下而上似然的贡献，并探讨这些神经信号与阳性、阴性症状维度（包括幻觉、妄想和阴性症状）的关系，从而推进对精神分裂症感知异常神经基础的理解。
**研究人员开展的研究**
本研究招募了21名参与者，包括10名慢性稳定期精神分裂症患者（服用抗精神病药物，无共病精神障碍）和11名年龄、性别、教育背景及预测智商匹配的健康对照。所有参与者来自京都大学，患者组排除了未能完成实验的一名个体。参与者进行了一项基于贝叶斯推断的感知决策任务，同时接受fMRI扫描。任务中，每试次先呈现概率提示（两种物体类别的概率，如10%:90%等），随后呈现模糊图像，参与者需通过滑块以10%增量回答图像来自哪个类别。此外，通过在线平台（Yahoo!crowd）招募50名独立参与者估计每张模糊图像对于正确和错误类别的似然值，以独立于主任务先验提示。行为数据采用四种贝叶斯模型（简单贝叶斯、加权贝叶斯、简单循环推理、加权循环推理）进行拟合，基于贝叶斯信息准则（BIC）选择最佳模型。fMRI数据使用fMRIprep预处理，并在单被试水平构建一般线性模型（GLM），以最佳模型（加权循环推理模型）估计的自上而下信号和自下而上信号作为参数回归量。随后进行全脑分析及七个感兴趣区（V1, V2, V3, V4, LOC, FFA, PPA）的ROI分析，并与症状评分（PANSS阳性/阴性分量表、PDI妄想因子）进行相关分析。
**研究结果**
**行为数据分析**：通过线性模型分析，参与者对正确类别的评分随先验概率（p=0.016）和感觉证据（p<0.001）显著增加。精神分裂症组与对照组在先验或感觉信息对后验值的影响上无显著组间差异。当正确类别被赋予低概率先验时，精神分裂症患者似乎更依赖先验，而对照组倾向于不依赖先验提示，但差异未达统计学显著（Welch t检验，先验10%: p=0.12; 30%: p=0.14）。线性回归结果表明两组均符合先验与似然的加性整合，且回归权重（先验和似然）无显著组间差异。总体而言，两组行为表现相似，均更依赖似然（感觉证据）而非先验。
**通过贝叶斯模型估计自上而下和自下而上效应**：基于BIC，加权循环推理模型（考虑不同权重wp, ws和信号回响参数α, β）对全体参与者及每组行为数据的拟合最佳。个体水平分析（Pareto平滑重要性采样留一法信息准则）也支持该模型。参数估计显示，两组均更依赖感觉信息（似然权重高于先验权重），且下降回路和上升回路参数无显著组间差异（独立样本t检验均p>0.05）。相关分析发现，上升回路参数β与精神分裂症患者的PANSS阴性症状评分呈正相关（r=0.69, p=0.025），但未通过虚假发现率（FDR）多重比较校正（校正因素12）。其他参数与症状无显著相关。
**全脑自上而下和自下而上过程分析**：在全脑水平，使用体素水平阈值p<0.001（未校正）的GLM分析显示，精神分裂症组视觉皮层存在显著的自上而下效应（z=3.54, MNI: -14, -84, -14），而对照组无。组间差异在相同区域未通过多重校正。此外，自下而上信息在全部参与者中于枕梭状皮层（Occipital Fusiform cortex）表现出负效应（z=-4.41, MNI: -26, -70, -14），且通过体素水平FDR校正（q<0.05），表明当感觉证据较弱（图像模糊度高）时该区域BOLD活动更强。
**视觉皮层ROI分析**：针对自上而下反应，重复测量方差分析显示组主效应显著（F(1,133)=8.82, p=0.003, η2=0.059），表明精神分裂症患者在整个视觉皮层（V1, V2, V3, V4, LOC, FFA, PPA）中自上而下相关激活均强于对照组。ROI主效应和组×ROI交互效应不显著，提示差异在各ROI间相对均匀。对于自下而上反应，组效应、ROI效应及交互效应均不显著。相关分析显示，在精神分裂症患者中，早期视觉区域（V1, V2）的自下而上beta值与PDI妄想得分显著相关（V1: r=0.41, p=0.059; V2: r=0.47, p=0.030），且将药物剂量和平均帧位移作为协变量纳入回归模型后仍显著（V1: p=0.036; V2: p=0.020）。然而，这些相关未通过ROI与精神病理学测量间的多重比较校正。自上而下beta值与任何症状严重度均无显著相关。
**讨论与结论**
本研究通过将贝叶斯感知决策任务与基于模型的fMRI相结合，分离了自上而下先验和自下而上似然，从而探究了精神分裂症中感知推断的神经相关性。行为层面，患者和对照组均以加性方式整合先验和似然，符合贝叶斯推断，且未观察到稳健的组间差异。然而，fMRI分析揭示患者视觉皮层中自上而下相关活动广泛增强，同时早期视觉区域自下而上反应存在症状相关的调制。因此，尽管外显行为相似，神经信号指示精神分裂症中感知推断存在不同的失衡。
ROI分析显示，从早期视觉皮层（V1-V4）到高阶区域（LOC, FFA, PPA），精神分裂症患者自上而下活动均增强，这与预测处理理论一致，提示幻觉源于过强先验塑造感知。尽管未观察到自上而下活动与幻觉严重度的直接相关，但稳健的组水平过度激活表明过度参与先验可能是该疾病的一般特征，即使不特定于具体症状也能检测到。自下而上方面，探索性分析提示早期视觉区域（V1/V2）的底部活动与妄想严重度相关，即妄想观念越强的个体，其感觉证据对这些区域的调制越强，提示自下而上似然超敏。虽然这些相关未通过多重比较校正，但表明不同症状维度可能映射到视觉层级中特定的失衡：自上而下过度激活广泛分布于皮层，而自下而上超敏出现在早期处理阶段。
行为模型层面，循环推理模型的上升回路参数与阴性症状严重度相关（尽管未校正），提示自下而上信号的循环回响可能不仅参与阳性症状，也参与动机和情感缺陷。本研究是首个在精神分裂症中验证循环推理框架的任务态fMRI研究，将循环推理从行为层面扩展到神经层面，为感知失调的计算模型提供了神经实现证据。研究结论为：此项研究提供了新证据，表明精神分裂症的特征是视觉皮层层级中广泛的自上而下过度激活。探索性分析进一步提示早期视觉自下而上敏感性与妄想严重度之间存在潜在关联，尽管该发现未通过多重比较校正。通过结合计算模型与fMRI，研究人员展示了不同症状维度可能源于层级处理中不同水平和方向的扰动。这些结果强调了基于模型神经影像学在揭示行为层面可能不明显的潜在神经异常方面的价值。
