《Progress in Neuro-Psychopharmacology and Biological Psychiatry》：Brain state dynamics and working memory in patients with major depressive disorder and bipolar disorder
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王飞文|刘振宁|黄丹青|刘绪伟|王一柱|钟茂兴|黄伟青|陈冠宇|张淼|龙一成|杨杰中南大学第二医院的 psychiatry 教室及国家精神疾病临床研究中心，中国湖南省长沙摘要背景工作记忆（WM）缺陷在重度抑郁障碍（MDD）和双相情感障碍（BD）中很常见，可能反映了认知参与过程中潜
王飞文|刘振宁|黄丹青|刘绪伟|王一柱|钟茂兴|黄伟青|陈冠宇|张淼|龙一成|杨杰
中南大学第二医院的 psychiatry 教室及国家精神疾病临床研究中心，中国湖南省长沙
摘要
背景
工作记忆（WM）缺陷在重度抑郁障碍（MDD）和双相情感障碍（BD）中很常见，可能反映了认知参与过程中潜在脑状态之间的转换紊乱。我们使用了一种名为贝叶斯切换动态系统（BSDS）的强大算法，研究了与 MDD 和 BD 中 WM 缺陷相关的隐藏脑状态及其转换。
方法
利用 BSDS，我们分析了 42 名 MDD 患者、75 名 BD 患者和 64 名健康对照组（HCs）在 N-back 任务（固定注视、0-back 和 2-back）中的隐藏脑状态及其转换，重点关注默认模式网络（DMN）和额顶叶网络（FPN）内的感兴趣区域。我们在控制年龄、性别、教育水平和帧位移的情况下，比较了各组的状态占用率、平均寿命和转换概率，并应用了错误发现率（FDR）校正。
结果
BSDS 识别出四种状态：一种以 FPN 为主的任务相关状态（ST）、一种以 DMN 为主的固定注视相关状态（SF），以及两种低占用率的混合状态，包括一种以 DMN 为主的后部状态（SP）和一种以 DMN 为主的前部状态（SA）。与 BD 和 HCs 相比，MDD 在 0-back 任务中 SA 的平均寿命更长，在 2-back 任务中 SA 的占用率和平均寿命更高。在 MDD 内，SA 表现更强的情况下，2-back 任务的反应更慢，WAIS-CR 信息分数也更低。
结论
MDD 和 BD 在工作记忆过程中表现出类似的 FPN-DMN 动态特征，但 MDD 的特点是低占用率的前部 DMN 主导状态参与度更高，这与表现效率低下有关。
引言
工作记忆（WM）缺陷在双相情感障碍（BD）和重度抑郁障碍（MDD）中很普遍，并导致功能障碍（Ponsoni 等，2021）。这些缺陷可能会持续存在，甚至超出急性发作期并进入缓解期（Arts 等，2007；Oh 等，2019；Semkovska 等，2025），表明这种脆弱性可能跨越不同的情绪障碍。因此，确定 BD 和 MDD 中 WM 缺陷的神经机制对于理解病理生理机制和开发以认知为导向的干预措施非常重要。
WM 涉及分布式的大规模系统，尤其是用于外部导向认知控制的额顶叶网络（FPN）（Nee，2021），以及在需要注意力的任务中通常被抑制的默认模式网络（DMN）（Menon，2023）。这种关系常被描述为 FPN-DMN 之间的竞争（Xin 和 Lei，2015），但 WM 的过程是在几秒钟内发生的，需要实时调节控制参与度和内部导向的处理。因此，基于平均激活或静态功能连接性的分析可能会忽略与表现最相关的短暂的任务内重构，尤其是在较高认知负荷下。
基于状态的视角直接解决了这一限制，它将 WM 模拟为随时间出现、持续存在和切换的激活和区域间协调的重复配置。这一点很重要，因为平均激活或静态连接性无法区分在较高 WM 负荷下的失调是内部导向配置更频繁地侵入、一旦出现后持续时间更长，还是回到任务参与状态的切换效率低下（Lurie 等，2020；Taghia 等，2018）。重要的是，这不仅仅是一个简单的是非问题（即 DMN 是否被“抑制”）。DMN 组件在工作记忆过程中可能根据上下文和阶段表现出不同的参与度（Andrews-Hanna 等，2010；Koshino 等，2014；Vatansever 等，2016），这意味着内部导向的处理可能会以质量上不同的配置反复出现。这引出了一个更精细的机制问题：在工作记忆过程中，哪些潜在的 FPN-DMN 配置会反复出现，它们的表达和持续性是如何受负荷影响的，以及它们的切换模式如何预测认知效率？
在情绪障碍中，神经影像学研究表明，在认知参与过程中 FPN-DMN 系统的调节受到破坏，包括 DMN 抑制的减少和 FPN-DMN 耦合的异常（Bartova 等，2015；Yang 等，2025；Yang 等，2020；Yang 等，2023）。这些平均效应表明了大规模控制系统的失调，但没有具体说明这种失调在任务执行过程中是如何发生的。这激发了对任务诱发动态的潜在状态分析及其诊断特异性的研究。然而，许多动态方法依赖于任意的选择（例如窗口长度或簇的数量），这些选择可能会显著影响推断的状态和群体效应（Hindriks 等，2015；Lurie 等，2020）。
为了解决这个问题，贝叶斯切换动态系统（BSDS）提供了一个原则性的框架，用于推断潜在的脑状态及其转换，而不需要指定窗口长度或状态的数量（Taghia 等，2018）。BSDS 将 fMRI 时间序列建模为由多变量激活和协方差模式定义的一系列短暂隐藏状态，从而产生可解释的状态占用率、平均寿命和转换概率的度量（Taghia 等，2018；Wang 等，2025）。
在这项研究中，我们将 BSDS 框架扩展到 75 名 BD 患者、42 名 MDD 患者和 64 名健康对照组（HCs），他们进行了 n-back 任务。通过共同建模所有参与者，我们旨在识别跨组共享的潜在 FPN-DMN 脑状态及其转换，并确定诊断是否会影响这些状态的表达及其与 WM 表现的关联。我们假设与任务相关和固定注视相关的主导状态将在各组中大致保持不变，但诊断会调节低占用率的 DMN 相关配置。特别是，根据先前关于抑郁症中任务诱导的 DMN 抑制减少的证据，我们预计 MDD 在 WM 期间会表现出更强的内部导向 DMN 加权状态参与度和更长的持续时间，而 BD 则显示出较不一致的变化。
章节片段
参与者
本研究招募了 78 名 BD 患者、44 名 MDD 患者和 66 名健康对照组（HCs）。所有参与者都是右利手的中国人，并提供了书面知情同意。符合条件的参与者年龄在 18–50 岁之间，受教育年限至少为 9 年。研究程序符合 1975 年《赫尔辛基宣言》及其 2013 年的修订版本。所有程序均获得了中南大学第二医院医学伦理委员会的批准。
所有患者
人口统计和临床信息
人口统计和临床数据见表 1 和 补充表 S2。HCs 比 BD 年轻（p = 0.001）和 MDD 年轻（p < 0.001），BD 比 MDD 年轻（p = 0.008）。HCs 的受教育程度高于 MDD（p = 0.003）。在与 WM 相关的表现方面，HCs 在 2-back 任务中的准确率高于 BD（p = 0.012）和 MDD（p = 0.047），并且在 0-back（BD：p = 0.006；MDD：p = 0.022）和 2-back（BD：p = 0.005；MDD：< /> = 0.014）任务中的反应时间也较短。HCs 还
讨论
通过将 BSDS 框架应用于 WM 任务中的 FPN 和 DMN 活动，本研究描绘了 BD、MDD 和健康对照组共有的动态架构，同时也识别了在此共同框架内表达的诊断特异性差异。我们报告了几项关键发现。首先，在所有参与者中，我们观察到了四种重复出现的状态：一种以 FPN 为主的任务相关状态（ST）、一种以 DMN 为主的固定注视相关状态（SF），以及两种低占用率的混合状态
结论
我们的跨诊断 BSDS 分析表明，BD 和 MDD 共享了主要的任务相关脑状态动态。只有 MDD 而不是 BD 显示出对低占用率的前部 DMN 主导状态的选择性偏好，这种偏好与较差的认知表现相关。这些发现表明，情绪障碍中的认知功能障碍可能不是由于典型任务相关模式的破坏，而是由于诊断特异性导致的表达变化
CRediT 作者贡献声明
王飞文：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，方法学，概念化。刘振宁：监督，调查。黄丹青：撰写——初稿，数据管理。刘绪伟：撰写——初稿，数据管理。王一柱：撰写——初稿，数据管理。钟茂兴：撰写——初稿，数据管理。黄伟青：撰写——初稿，数据管理。陈冠宇：撰写——初稿，
作者声明
我代表我的合作者声明，我们的论文是原创的，整个手稿或其任何部分都未在其他地方发表或接受。它也没有提交给任何其他期刊。
所有作者均已批准本文的最终版本。
资助
本工作得到了湖南省科技创新计划（2025JJ40077 至 JY）、国家自然科学基金（82201663 至 JY）、长沙优秀青年创新人才培训计划（kq2306008 至 JY）以及中南大学第二湘雅医院新员工的科研启动项目（至 JY）的支持。
利益冲突声明
所有作者均无利益冲突。
研究程序符合 1975 年《赫尔辛基宣言》及其 2013 年的修订版本。所有程序均获得了中南大学第二医院医学伦理委员会的批准。
致谢
作者们想感谢所有参与这项研究的参与者。我们还要感谢中南大学第二医院的主要设备共享中心提供的技术支持。
