功能连接模式的不同使得个体及其面部和场景选择性网络中的不同区域具有差异性

本研究利用功能磁共振成像（fMRI）探讨自然电影观看和静息状态下，面部与场景处理网络核心脑区的功能连接模式。结果显示，个体间连接模式相似性较低，且不同脑区具有独特的连接指纹，表明脑区特定功能与整体网络连接密切相关。

　　

大卫·M·沃森（David M. Watson）|基拉·N·诺德（Kira N. Noad）|巴塞洛缪·P·A·奎因（Bartholomew P.A. Quinn）|蒂莫西·J·安德鲁斯（Timothy J. Andrews）

英国约克大学心理学系及约克神经影像中心

摘要

面孔和场景的感知与识别依赖于分布式的神经系统，这些系统包含视觉皮层中专门负责特定类别的区域，这些区域与大脑中其他广泛的皮层区域相互作用。虽然先前的研究表明，可以根据全脑连接模式区分面孔和场景选择性的反应，但尚不清楚每个网络内的特定类别选择区域是否也具有可区分的全脑连接特征，以反映其特定的功能角色。同样不清楚个体之间是否存在不同的连接特征，这些特征是否可能是导致面孔或场景感知差异的原因。在这项研究中，我们使用了功能性磁共振成像（fMRI）技术，在多种自然观看电影的场景以及静息状态下进行了实验。我们为面孔和场景处理网络中的每个核心区域识别出了全脑功能连接特征。研究发现，不同参与者之间的功能连接模式相似度较高，而同一网络内不同区域之间的连接模式则存在差异。这些发现表明，特定类别选择性的视觉网络中的大脑区域具有与其他大脑区域独特的连接特征。

引言

面孔和场景的感知依赖于位于枕叶和后颞叶的高级视觉区域（Bracci和Op de Beeck, 2023; Peelen和Downing, 2017）。在这些大脑区域中，已经识别出专门处理面孔或场景的皮层网络。面孔选择性网络包括腹侧视觉流中的几个核心区域——枕叶面孔区（OFA）、梭状面孔区（FFA）和上颞沟（STS）——这些区域共同支持对面孔的不变特征和动态特征的分析（Duchaine和Yovel, 2015; Haxby等人, 2000）。与此同时，场景感知涉及一个核心网络，包括枕叶地点区（OPA）、海马旁区（PPA）和后扣带回复合体（RSC），这些区域在视觉空间处理和记忆处理中发挥不同作用（Baldassano等人, 2016; Epstein和Baker, 2019）。这些核心面孔和地点区域还与顶叶、额叶和内侧颞叶中的广泛区域相互作用，这些区域参与对人和地点的高级认知处理（Duchaine和Yovel, 2015; Epstein和Baker, 2019; Silson等人, 2019）。

尽管这些特定类别选择区域的功能选择性已被充分研究，但有一种新的观点认为，大脑功能还受到与大脑其他部分更广泛连接模式的影响（Mars等人, 2018; Passingham等人, 2002）。研究表明，可以根据全脑连接模式预测特定类别选择区域的空间位置（Molloy等人, 2024; Osher等人, 2016; Saygin等人, 2012）。这些连接特征对大脑发育的重要性在于，即使在特定类别反应出现之前，它们就已经存在（Kubota等人, 2025; Saygin等人, 2016）。尽管有这些发现，但目前仍不清楚是否可以根据某个特定类别选择网络内各个区域的功能连接特征来区分它们。也就是说，连接特征是否能够揭示出反映这些网络内区域不同计算角色的更细致的组织结构？

大量证据表明，个体在视觉感知方面存在显著且可量化的差异。例如，面孔识别能力在不同人群中差异很大，从患有发展性面容失认症的人到“超级识别者”都有（Duchaine和Nakayama, 2006; Russell等人, 2009; White和Burton, 2022）。在场景感知方面的类似研究也显示了个体间的变异性（Clark和Maguire, 2023; Wang等人, 2024）。全脑连接模式在个体间存在系统性差异（Finn等人, 2015; Shen等人, 2017）。这些模式被称为“连接特征”，能够识别出大群体中的个体。连接特征还可以预测人类行为和认知，突显了它们对大脑功能的重要性（Beaty等人, 2018; Rosenberg等人, 2016）。然而，以往的研究主要集中在整个大脑范围内的连接特征上。因此，目前尚不清楚面孔和场景处理网络的连接特征在多大程度上具有独特性。

在本研究中，我们考察了在自然观看电影（Finn, 2021）和静息状态（Raichle, 2015）条件下，面孔和场景网络核心区域的功能连接模式。具体来说，我们探讨了以下问题：（1）面孔和场景网络的连接特征在个体内部是否具有独特性？（2）这些网络内的各个区域是否表现出不同的、可区分的连接特征？（3）这些网络的连接模式在多大程度上受到任务背景或刺激内容的影响？通过研究这些问题，我们旨在加深对高级视觉皮层功能结构和网络级组织的理解。

方法

此处报告的数据集和预处理流程的详细信息改编自Watson和Andrews（2024）。在所有统计测试中，我们采用α = 0.05的标准来判断统计显著性。配对样本检验的效果量以Cohen的单位表示，即成对差异的平均值除以两个测量值的标准差的平均值（Lakens, 2013）。

结果

我们在三个电影观看数据集（《权力的游戏》、《StudyForrest》和HCP – Movie）以及一个静息状态数据集（HCP – Rest）中，测量了整个大脑200个皮层区域的面孔和场景选择性区域的功能连接性（Schaefer等人, 2018）。重要的是，面孔和场景选择性区域是根据每个数据集特定的任务驱动的功能定位器来定义的。连接性是在每个数据集的两个独立部分中估计的。

Schaefer的划分

讨论

在这项研究中，我们分析了多个fMRI数据集，包括电影观看和静息状态下的数据，以表征大脑中核心面孔和场景选择性皮层区域的功能连接特征。连接特征在不同数据分割中具有高度的可重复性，并且在个体内部比个体之间更为相似，这突显了它们的独特性。区域级的连接特征也能可靠地区分每个网络内的不同区域。

结论

总之，我们发现面孔和场景选择性皮层区域表现出独特、个体化且受情境敏感的功能连接特征。这些发现与这样一个观点一致：单个大脑区域的功能特性与其与大脑其他部分的独特连接模式密切相关。连接特征既揭示了共同的结构，也揭示了塑造类别选择性处理的个体差异。

CRediT作者贡献声明

大卫·M·沃森（David M. Watson）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、方法论、研究、数据分析、概念化。基拉·N·诺德（Kira N. Noad）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法论、研究、概念化。巴塞洛缪·P·A·奎因（Bartholomew P.A. Quinn）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法论、研究、概念化。蒂莫西·J·安德鲁斯（Timothy J. Andrews）：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、方法论。

致谢

数据部分由人类连接组项目（Human Connectome Project）和WU-Minn联盟（首席研究员：David Van Essen和Kamil Ugurbil；项目编号：1U54MH091657）提供，该项目得到了支持NIH神经科学研究蓝图的16个NIH研究所和中心的资助；同时，数据还得到了华盛顿大学麦克唐奈系统神经科学中心（McDonnell Centre for Systems Neuroscience）的支持。