腦科學 | 注意力不集中時，大腦中發生了什麼變化？

咚咚咚，講台上的老師敲了幾下黑板，然後說到：「請各位同學集中注意力，我們要開始上課了。」這大概是每個人在學生時代都經歷過的場景。雖然老師已經善意提醒，但是我們還是避免不了在上課的時候走神，筆者的學生時代也不例外。不過，偶爾的走神問題不大，但如果經常性的整節課都無法集中注意力，可能就要去看醫生了。

事實上，很多精神類疾病的患者都有注意力不集中的表現，如精神分裂症、抑鬱症、雙向情感障礙、注意力缺陷多動障礙（ADHD）等。

那麼，

注意力不集中時，大腦中發生了什麼變化呢？

注意力分為內源性注意力和外源性注意力。其中內源性注意力來自於高級皮層自上而下（top-down）的調控，而外源性注意力則來自於感知系統自下而上（bottom-up）的輸入。

舉個例子，如果讓你在這篇文章中找到Neuron這個單詞，就需要內源性注意力。由於這篇文章大部分內容是漢字，少數的幾個英文單詞會比較顯眼，所以找起來也容易些，你可以再試試在文章中找到「明顯」這個詞，可能就要困難一些了。所以，內源性注意任務是有難易之分的，通過剛才的小實驗你應該已經體會到了。

那什麼是外源性注意力呢？比如你正在一條荒無人煙的道路上行走，突然身邊有一輛汽車疾馳而過，如果你發現了汽車，就是外源性注意力的體現。

在過去的幾十年中，關於注意力的研究層出不窮，但由於受到研究方法和實驗技術的限制，注意力的神經機制仍不甚清晰。近期，來自美國凱斯西儲大學（Case Western Reserve University）的梅林教授團隊針對內源性注意力的神經機制進行了研究，研究結果於4月5日在線發表在Neuron上。

該研究的實驗對象是小鼠，小鼠需要完成一項注意力任務。

鼠籠里有5盞燈，每隔一段時間，就會有一盞燈亮起一小段時間，小鼠要做的就是用鼻子去觸碰這盞燈，如果觸碰了剛才亮的那盞燈，就會得到食物獎勵。小鼠的表現分為正確和錯誤（error）兩種，正確就是觸碰了剛才亮的那盞燈（correct），而錯誤的表現又分為三種情況，一種是觸碰了錯誤的燈（incorrect），一種是在燈亮了後並沒有觸碰（omission），一種是在燈還沒有亮起時就去觸碰（premature）。

大腦中的腹側海馬皮層（ventral hippocampuscortex, vHPC）和前額葉皮層（prefrontal cortex, PFC）是內源性注意的關鍵區域，因此，在小鼠完成注意力任務的同時，研究者還記錄了小鼠vHPC和PFC的神經活動。

通過分析vHPC和PFC的神經活動，研究者發現，在正確（注意力集中）的實驗試次中，vHPC和PFC的神經活動有很好的同步性，而在錯誤（注意力不集中）的實驗試次中，vHPC和PFC的神經活動同步性下降，尤其是位於delta (0.5–4 Hz) 和theta (4–12 Hz)頻率的神經活動同步性顯著地下降了。

研究者猜測，神經活動的同步性下降很可能是vHPC-PFC神經環路中GABA能抑制型神經元的活動減弱導致的。

為了進一步探究vHPC和PFC神經活動同步性下降的神經機制，研究者利用基因工程的方法敲除了小鼠的ErbB4基因。缺乏這種基因的小鼠的GABA能抑制型神經元活動會降低，且這些小鼠在注意力任務實驗中表現出了明顯的注意力不集中行為，其忽視亮燈（omission）的實驗試次比例顯著地高於對照組的小鼠。

儘管大腦中抑制型神經元的數量遠少於興奮型神經元（皮層中抑制型神經元和興奮型神經元的比例是1:4），但抑制型神經元在維持神經迴路的功能中扮演著非常重要的角色。

綜上，該研究表明，在vHPC和PFC的神經通路中，由於抑制型神經元的活躍程度降低，導致了注意力不集中的行為。另外，ErbB4基因是精神分裂症和抑鬱症的易感基因（susceptibility gene），因此，ErbB4基因異常引起的GABA能抑制型神經元活躍程度降低很可能是精神分裂症等精神類疾病患者注意力不集中的原因。

參考文獻：

Tan et al., Dynamic ErbB4 Activity inHippocampal-Prefrontal Synchrony and Top-Down Attention in Rodents[J]. Neuron,2018.