执行功能

介绍

执行功能是支持许多日常活动的过程，包括计划、灵活思维、集中注意力和行为抑制，并在成年早期持续发展．^1，2这些心理能力发展的一个重要背景是大脑的结构和功能发展。^{3、4、5、6所示}前额叶皮层是发展最慢的大脑区域之一，它是位于大脑前半部的一大片皮层。值得注意的是，大脑的这一区域会持续发育到生命的第三个十年。^7、8脑成像研究^9、10以及对脑损伤患者的研究^{11、12、13所示}认为前额叶皮层对控制注意力、思维和行为至关重要，部分原因是它连接了位于大脑其他部位的感知、情感和运动控制中心。前额皮质发育缓慢的事实^14、15这对执行控制很重要，这让我们想到执行功能的发展与前额叶皮层的成熟密切相关。^{16、17、18岁}其中一个暗示是，基本的日常挑战，比如不玩禁止玩的玩具，即使是正常发育的孩子也很难。

主题

了解前额叶皮层对行为自我调节和逐渐发展的重要性，可能有助于理解为什么儿童会有困难:(a)停止一个活动并切换到一个新的活动;(b)提前计划;(c)同时做多件事;(d)长时间集中注意力;及(e)前述即时奖励。发展认知神经科学的研究结果表明，这些行为是成长过程中正常的一部分，在某种程度上与大脑在人生这个阶段的工作方式有关。

问题

准确理解前额叶皮层的发育如何促进执行功能的进步是极具挑战性的。首先，执行功能很难精确定义和衡量，部分原因是抑制和认知灵活性等核心概念实际上更多地用于描述行为，而不是解释行为。第二，目前还不清楚，调节一种行为(如语言)的过程是否与调节其他行为(如情绪)的过程相同。第三，适合于某一年龄段测试执行功能的任务通常不适用于年龄稍大的儿童。这使得比较不同年龄的孩子的执行能力变得困难。尽管如此，发育认知神经科学家们最终还是对将执行功能的年龄相关变化与大脑功能的发育变化联系起来感兴趣。要做到这一点，不仅需要充分定义和测量执行功能，而且需要同时收集对大脑功能的直接测量。一种方法是功能性磁共振成像(fMRI)，这是一种安全且相对非侵入性的方法，用于探测人们执行特定任务时大脑活动的变化。虽然即使对新生儿使用也可行且安全，^19、20fMRI要求受试者在获取图像时至少保持静止5到10分钟。5到10毫米的突然移动会使图像变得嘈杂和几乎无法解释。更复杂的是，如果年幼的孩子在执行规定任务时与年长的孩子不同，我们不可能知道大脑活动模式中与年龄相关的差异是否仅仅与参与者的年龄有关，还是与年龄更小和更大的孩子执行任务的方式有关。简单地说，在原则上，指导7岁儿童以4岁儿童的方式执行任务，可能会导致7岁儿童的大脑活动模式与4岁儿童的大脑活动模式没有什么区别。为了缓解这些问题，研究人员正在开发新的成像协议，可以快速执行，不需要儿童执行任务。在这些所谓的静息状态扫描中，孩子们只是睁着眼睛静静地躺了五分钟。²¹由此产生的图像被用来探测与年龄相关的皮质连接“内在”模式的变化，然后可以与MRI扫描仪外收集的执行功能测量相关联。

研究背景

功能性磁共振成像(fMRI)对执行功能发展的研究为我们描绘了一幅迷人而复杂的画面。例如，一些研究报告称，与年龄较大的参与者相比，年龄较小的儿童在执行功能任务时表现出更少的前额叶皮层(PFC)活动，这一发现与直觉一致，即随着大脑区域功能的发展，它显示出更强劲的活动和执行功能的改善。^22、23其他研究结果显示了一个稍微复杂一点的情况，即PFC的某些区域随着年龄的增长而活动增加，而另一些区域则随着年龄的增长而活动减少。^{24日,25日,26日}对这种模式的一种解释是，在生命早期，执行功能与较弱但弥漫性的PFC活动有关，而在发育后期，执行功能与强大但集中的PFC活动有关。²⁶因此，在发展区域的中心，活动随着年龄的增长而增加，而在周围，活动则随着年龄的增长而减少。另一种解释是PFC中的某些区域随着年龄的增长变得更有效率。因此，在发展的早期，这些区域需要非常努力地工作来支持一定水平的执行功能表现。然而，在发展的后期，当这些区域的功能更有效时，它们可以以更少的能量消耗支持相当水平的执行功能表现。显然，需要更多的研究来澄清这一复杂的图景。

在执行功能表现的发育性fMRI研究中，一个一致的发现是，在PFC之外还有许多与执行功能表现的发展相关的区域，包括前扣带、前岛叶、顶叶和运动皮质。^{27日、28日}对这一证据的一种解释是，执行功能执行任务非常复杂，涉及许多不同的子过程，比如记住指令，^27、29、30关注一些刺激，忽略其他刺激，²²计划和执行运动反应，²⁶评估绩效反馈。因此，执行功能任务可能与许多大脑区域的活动相关联，因为这些任务本身涉及许多不同的子过程，每个子过程与不同大脑区域的活动相关联。如果这是真的，那么接下来的挑战就是识别哪些子过程受年龄相关变化的影响，并将这些变化与大脑特定区域功能的变化联系起来。第二种解释是PFC不是独立运作的，而是构成一个更广泛的、功能同质的网络的一部分。在这种观点下，无论参与者是否牢记指令、计划回应或评估反馈，整个网络都将观察到活跃的活动。如果这是真的，那么接下来的挑战就是确定更大的网络组织是如何在开发过程中发生变化的。可能性包括组成更大网络的区域的变化以及组成区域之间联系的数量和强度的变化。

主要研究问题

1. 执行功能任务绩效的基本过程是什么?
2. 不同的执行功能与不同的大脑区域有独特的联系吗?
3. 大脑功能的变化如何影响执行功能的变化?

最近的研究结果

最近，研究人员开始检查被认为对执行功能重要的大脑网络的发育变化，通过检查PFC和其他通常与执行功能相关的区域(如顶叶、扣带和岛叶皮层)之间的连接变化。²⁸由于这些网络即使在参与者休息时也可以被观察和测量，许多最近的研究使用所谓的休息状态fMRI来探测不同年龄的认知控制网络的组织。^31、32最初的研究结果表明，随着儿童年龄的增长，新的长期联系形成，原有的短期联系被带走，过度发展导致广泛的网络重组。³³最近的证据对这些最初的发现提出了质疑，并表明在发展过程中执行功能网络的重组可能没有最初认为的那么明显。³⁴然而，尽管有这些最初的错误，随着研究人员越来越多地认识到大脑区域共同工作以实现高层次的思想和行动，对发展中的网络组织的研究继续吸引着人们的注意。

研究的空白

也许，在关于执行功能发展的fMRI研究中，最重要的研究差距是来自纵向研究的证据。横断面研究是将一组年龄较小的儿童与另一组年龄较大的儿童进行比较，而纵向研究则是将同一组儿童在不同年龄进行比较。不用说，纵向研究是非常昂贵的，需要很长时间来进行，也可能是非常危险的，这就是为什么目前存在如此少的纵向证据的原因。尽管如此，纵向设计仍然比横断面设计具有许多重要的优势。首先，当两组不同年龄的孩子进行比较时，除了年龄之外，还有许多因素可能在这两组孩子之间存在差异，包括智力、气质/个性和社会经济地位的差异，这只是其中的一小部分。考虑到这些因素都与执行功能有关，有关年龄在解释大脑激活模式的群体差异方面的重要性的推论就变得薄弱了。第二，发展认知神经科学的一个重要目标是识别预测未来状态的心理和神经组织的早期模式，包括积极的(如智力和社会福祉)和消极的(如精神病理学)。当对同一组儿童进行一段时间的反复跟踪，直到在某些儿童身上观察到感兴趣的结果(例如天赋、成瘾、危险的性行为等)时，才能最好地确定这些模式。只有到那时，人们才能回过头来，看看早些时候收集的大脑或行为测量数据中，哪一个能够成功预测未来的结果。

结论

大脑需要20年的时间才能发育到成人的水平。在此期间，大脑的不同区域以不同的速度发育。除了这些区域的变化，大脑区域之间的连接也在儿童和青少年时期逐渐发展。与大脑结构和功能的发展相结合的是执行执行功能任务能力的提高。孩子们在提前计划、在任务之间切换以及在被指示时抑制反应的能力上都有逐步的改善。对大脑网络及其发展的研究可能为量化大脑发育与执行功能成熟之间的关系提供一个有用的途径。额叶皮层和顶叶皮层需要进行交流，以便有效地执行执行功能任务。这些区域之间的有效沟通直到青春期后期才完全发展起来，这也许可以解释为什么执行功能能力直到人生的第二个十年后期才成熟。

对家长、服务和政策的影响

我们需要记住，儿童的大脑还在发育中。无论我们测量的是灰质厚度、白质体积、突触密度，还是大脑的任何其他解剖特征，持续的变化将一直观察到成年早期。这些变化显然会影响孩子的认知功能，考虑到相关过程的复杂性，执行功能尤其如此。鉴于执行能力对学术成就和社会福祉的重要性，及早发现认知和行为自我调节方面的问题显然很重要。与此同时，所有年幼的孩子都要努力提前计划、抵制诱惑、调节情绪并专注于任务:这正是这个年龄的大脑工作的方式。

参考文献

1. Best JR, Miller PH, Jones LL。5岁后的执行功能:变化和相关．Dev牧师．2009; 29(3): 180 - 200。
2. Luna B, Garver KR, Urban TA, Lazar, NA, Sweeney JA。从童年晚期到成年的认知过程的成熟。孩子开发．2004, 75(5): 1357 - 1372。
3. 肖P, Kabani, NJ, Lerch JP，等。人类大脑皮层的神经发育轨迹。J >．2008; 28(14): 3586 - 3594。
4. 在人类视觉皮层中突触发生-突触消除的证据。>列托人．1982; 33(3): 247 - 252。
5. 王志强，王志强，王志强，等。儿童和青少年时期的大脑发育:纵向MRI研究。Nat >．1999; 2(10): 861 - 863。
6. 欢迎SE, Henkenius AL, Toga AW。绘制整个人类寿命的皮质变化。Nat >．2003; 6(3): 309 - 315。
7. 王志强，王志强，王志强，等。从童年到成年早期的大脑皮层发育动态图谱。美国国立科学院．2004; 101(21): 8174 - 8179。
8. 人类大脑皮层的树突和突触发育:时间进程和关键时期。Dev Neuropsychol．1999; 16(3): 347 - 349。
9. Lie C, Specht K, Marshall JC, Fink GR.使用fMRI分解威斯康星卡片分类测验的神经过程。科学杂志．2006; 30(3): 1038 - 1049。
10. 李志刚，李志刚，李志刚，等。前额叶皮层的注意力控制与反应:脑活动和反应时间分布的关系。这项研究．2009; 47(10): 2089 - 2099。
11. 人的左额叶与言语分类行为中习惯性反应的抑制。这项研究．1974; 12(3): 323 - 330。
12. Aron AR, Fletcher PC, Bullmore ET, Sahakian BJ, Robbins TW。人类右额下回损伤破坏了停止信号抑制。Nat >．2003; 6(2): 115 - 116。
13. 不同脑损伤对卡片分类的影响:额叶的作用。拱神经．1963; 9(1): 90 - 100。
14. 中华神经节学杂志。大脑Res．1979, 163(2): 195 - 205。
15. 索维尔，汤普森，杜兰特，托加。在背侧额叶皮层绘制持续的大脑生长和灰质密度减少:青春期后大脑成熟的反向关系。J >．2001; 21(22): 8819 - 8829。
16. Bunge SA, Zelazo警局。以大脑为基础的儿童规则使用发展的描述。心理科学总监．2006; 15(3): 118 - 121。
17. 法官FN。抑制机制的兴衰:走向认知发展与衰老统一理论。Dev牧师．1992; 12(2): 45 - 75。
18. 前额叶皮层从出生到成年早期的正常发育:认知功能、解剖学和生物化学。在:Stuss DT, Knight RT，编著。额叶功能原理．牛津:牛津大学出版社;1992:466 - 503。
19. 王志强，王志强，王志强，等。早产儿神经网络发育的纵向分析。Cereb皮层．2010; 20(12): 2852 - 2862。
20. Davidson MC, Thomas KM, Casey BJ。用功能磁共振成像(fMRI)对发育中的大脑进行成像。开发D R．2003; 9(3): 161 - 167。
21. Kelly AMC, Di Martino A, Uddin LQ，等。从儿童晚期到成年早期的前扣带功能连接的发展。Cereb皮层．2009; 19(3): 640 - 657。
22. 等。Stroop颜色词任务的发育性fMRI研究。科学杂志．2002; 16(1): 61 - 75。
23. Luna B, Thulborn KR, Munoz DP，等。广泛分布的脑功能的成熟有助于认知发育。科学杂志．2001; 13(5): 786 - 793。
24. 与注意力维度转移相关的大脑激活的年龄相关变化:一项功能磁共振成像研究。科学杂志, 2009; 46(1): 249 - 256。
25. Bunge SA, Dudukovic NM, Thomason ME, Vaidya CJ, Gabrieli JDE。未成熟的额叶对儿童认知控制的贡献:来自功能磁共振成像的证据。神经元．2002; 33(2): 301 - 311。
26. Casey BJ, Trainor RJ, Orendi JL等。在执行一项走-不走任务时前额叶激活的发育功能MRI研究。J认知>．1997; 9(6): 835 - 847。
27. Braver TS, Cohen JD, Nystrom LE, Jonides J, Smith EE, Noll DC。前额叶皮层参与人类工作记忆的参数研究。科学杂志．1997; 5(1): 49 - 62。
28. 认知控制网络:具有可解离功能的整合皮层区域。科学杂志．2007年,37(1):343 - 360。
29. 工作记忆和认知控制的神经发育变化。当今一般．2007年,17(2):243 - 250。
30. 王志强，王志强，王志强，等。视觉空间工作记忆发育变化的神经基础研究。美国国立科学院．2002; 99(20): 13336 - 13341。
31. Biswal B, Yetkin FZ，豪顿VM, Hyde JS。静止状态下人脑运动皮层的功能连接。粉剂(地中海的原因．1995年,34(4):537 - 541。
32. Vogel AC, Power JD, Petersen SE, Schlagger BL.大脑功能网络结构的发展。Neuropsychol牧师．2010; 20(4): 362 - 375。
33. fairda, Dosenbach NUF, Church JA，等。通过分离和整合发展不同的控制网络。美国国立科学院．2007; 104(33): 13507 - 13512。
34. Power JD, Barnes KA, Snyder AZ, Schlaggar BL, Petersen SE。在功能连通性的MRI网络中，伪系统相关性是由主体运动引起的。科学杂志．59 2012;(3): 2142 - 2154。