《Annals of the New York Academy of Sciences》：Coupling of Rhythms in Prefrontal Cortex and Autonomic Nervous System in School-Age Children
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本研究通过小波相干分析，揭示了学龄期儿童在静息与轻度应激状态下，背外侧前额叶皮层（dlPFC）与自主神经系统（ANS）的心率（HR）和呼吸性窦性心律不齐（RSA）信号存在动态时域耦合。研究发现，这种心脏-神经耦合对任务情境（静息vs应激）、心脏信号类型（HR vs RSA）和大脑半球敏感，但在本样本中与儿童正负性情绪表达无显著关联。结果强调了生理与神经系统在早期自我调节发展中的复杂协调机制。
引言
自我调节能力在儿童早期发展中至关重要，它涉及管理思想、情绪和行为以实现目标并适应不同情境的能力。这种能力的发展与自主神经系统（ANS）和背外侧前额叶皮层（dlPFC）的功能密切相关。尽管已有大量研究分别探讨了这两个系统在自我调节中的作用，但关于它们在不同情境下如何协同工作的研究却很少，这限制了对自我调节神经生理基础的理解。本研究旨在通过探究学龄期儿童在静息和轻度应激任务中，心脏信号（心率和呼吸性窦性心律不齐）与背外侧前额叶皮层神经信号之间的协调性，来填补这一空白。
方法
本研究纳入了55名平均年龄为5.85岁的儿童。研究程序包括一个2分钟的静息阶段（观看平静的自然风景视频）和一个5分钟的轻度应激阶段（要求儿童在规定时间内搭建一个超出其能力范围的乐高模型以获取奖品，从而诱发轻度压力）。在整个过程中，连续收集了儿童的心脏生理信号（心电图）和脑活动信号（功能性近红外光谱成像，fNIRS）。心脏信号用于计算心率和呼吸性窦性心律不齐。脑活动信号主要关注左右背外侧前额叶皮层的脱氧血红蛋白浓度变化。此外，还对儿童在应激任务中的正性情绪和负性情绪表达进行了行为编码。
数据分析采用了小波变换相干性方法，来评估背外侧前额叶皮层信号与心率、呼吸性窦性心律不齐在不同时间尺度上的耦合强度。同时，还通过随机配对分析来验证耦合的非偶然性，并检验了这种耦合与儿童情绪表达之间的关系。
结果
配对样本t检验证实，应激任务成功诱发了儿童的生理应激反应，表现为心率显著上升和呼吸性窦性心律不齐显著下降。相关性分析表明，个体在静息和应激阶段的心率和背外侧前额叶皮层活动具有跨情境的稳定性。
小波相干性分析发现，心率-背外侧前额叶皮层和呼吸性窦性心律不齐-背外侧前额叶皮层耦合在静息和应激两种情境下均存在。然而，显著耦合发生的时间尺度因情境、心脏信号类型和背外侧前额叶皮层半球的不同而有所差异。具体而言：
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在较慢的时间尺度上（例如31-33秒和63-65秒），真实配对的耦合强度显著高于随机配对。
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应激任务改变了耦合模式，例如，在31-33秒的时间尺度上，静息状态下的心率-左背外侧前额叶皮层耦合和呼吸性窦性心律不齐-双侧背外侧前额叶皮层耦合强度高于应激状态。
值得注意的是，本研究未发现任何信号在任何时间尺度上的耦合与儿童的正性情绪、负性情绪或母亲报告的情绪调节失调存在显著关联。
讨论
本研究结果表明，学龄期儿童的自主神经系统和背外侧前额叶皮层活动在多个时间尺度上存在动态协调。这种心脏-神经耦合对任务背景、所采用的心脏信号指标以及大脑半球具有敏感性。耦合在较慢时间尺度（如30秒以上）的显著性，提示其可能与神经血管耦合、压力反射调节等低频生理节律有关。未能发现耦合与行为情绪指标的关联，可能源于本研究样本为社区正常发育儿童、行为编码方式或统计功效不足等因素。未来研究可考虑采用更敏感的行为测量指标，并纳入短通道回归等先进信号处理技术，以更精确地分离神经活动与全身性生理噪声。
结论
总之，本研究提供了早期儿童神经生理系统耦合的直接证据，表明背外侧前额叶皮层和自主神经系统节律的协调是自我调节的一个潜在生理标志。研究结果强调了在多个时间尺度上考察系统间动态交互的重要性，并为理解儿童自我调节的生理基础提供了新的视角。
