尽管压力普遍存在，但大脑如何在应对急性压力时重新配置其多层次、层次化的功能组织仍不清楚。我们利用全脑静息状态功能磁共振成像(fMRI)，通过扩展我们最近发表的嵌套谱划分方法，来检查社会压力后大脑网络的变化，该方法量化了网络分离和整合之间的功能平衡。研究发现，急性压力会使大脑进入一种更整合、更少隔离的状态，尤其是在额颞区。压力还通过减少分离状态和整合状态之间动态过渡的可变性来稳定大脑状态。转换频率与皮质醇变化有关，转换变异性与认知控制有关。我们的研究结果表明，在急性压力后，大脑网络趋向于更完整、更少变化，这可能有助于有效地应对压力。
急性压力深刻地塑造了我们的行为反应和大脑功能。尽管一些研究已经确定了急性压力对功能连通性(FC)的影响，但基于分层模块的压力诱导功能重构尚未被描述。
功能分离(即在特定系统中相对独立的处理过程)和整合(即不同系统之间的全局合作)是脑网络的两个基本特征。为了更好地理解压力大脑，我们使用了嵌套谱划分(NSP)方法来衡量脑网络的分离和整合。（如模块化和参与系数)是基于大脑网络中单一层面的模块化划分，这种NSP方法定义了跨多个层面的分离和整合，并被发现在连接大脑网络和认知方面更强大。
在非压力条件下，健康年轻人的静息大脑接近于分层隔离和整合之间的平衡状态，并接近于支持网络状态之间切换的临界状态。在压力环境下，压力神经调节器，如皮质醇和去甲肾上腺素，可能与神经回路相互作用，重新配置大脑功能网络。早期接触皮质醇与减少网络隔离有关。药理功能磁共振成像(fMRI)研究表明去甲肾上腺素能激活导致分布式网络内的互联性。因此，我们假设，在应对压力时，大脑网络会偏离平衡状态，走向更少隔离和更整合的状态。随着时间的推移，保持这种状态可能对维持高度警惕水平至关重要。我们预计，在压力下，静息状态下的整合和分离状态之间的动态转换变化较小。在此，我们对已发表研究的数据进行了重新分析。30个人分别暴露在压力(特里尔社会压力测试[TSST])和非压力条件下，间隔至少30天。收集不同实验时间点的皮质醇反应(图1A)，并测量停止信号反应时间(SSRT)作为认知控制指标。
1.结果
压力源成功诱发皮质醇分泌升高，并促进认知控制（图1A）。在NSP方法中(SI附录)，越高，网络整合越强，越小，隔离越强。在稳态FC网络中，应力与控制在区域测量的差异显著地向高于零的值分布（图1B)，虽然整体变化不显著。组间比较发现明显增加的压力敏感区域(图1D)。在这8个区域形成的亚网络中(图1E)，有7个区域在压力条件下连接水平显著增加，包括左躯体皮层、双侧岛叶和左颞区。左侧化模式可能反映了左半球对压力的脆弱性增加。经典连通性分析没有检测到这些变化，显示了NSP方法的附加价值。
主成分分析(PCA)应用于差异获得总体应力诱导状态变化测量ΔHB-PCA。更大的ΔHB-PCA表明压力下更强的向整合转变。ΔHB-PCAwas与皮质醇变化呈正相关[图1C]，但SSRT没有，表明压力相关的激素变化与脑网络重组有关。
图1稳态网络特征
对于动态FC网络，分离状态和整合状态之间的动态转换由时间解析测量(图2A)。我们首先计算了分离态和整合态之间的转换频率(SI附录)。各区域的压力-控制转换频率均向零以上值分布(图2B)，尽管整体变化不显著。PCA分析得出的装换频率总体变化与皮质醇变化呈正相关[图2D]，但与SSRT无关。
我们进一步测量了转换变异性，定义为时间分辨的标准方差，它与在转换期间的波动范围有关。压力与对照的区域变异性显著向负值分布(图2F)，全球尺度的变化率降低。这些变化在额颞区和枕极区很明显(图2E)。PCA衍生的总体变异性与SSRT呈正相关[图2G]，但与皮质醇的变化不相关。
图2网络动态转换
2.讨论
我们的研究采用了分层模块的方法，这比基于图的网络分析在单一层次上更有效地揭示了分离和整合的复杂作用。我们的发现从整合、分离和状态转换的角度描述了压力诱导的脑网络重构，并为压力相关的行为和生理变化提供了一种候选机制。
静态和动态网络分析都表明，剧烈的压力会使大脑进入一种促进额颞内区域整合的状态。与meta分析结果一致的是，压力诱导下额叶区域和岛叶的协调区域活动，我们的结果表明，压力可能协调不同隔离环路之间的活动，并整合额叶-颞区域之间的信息交换。由于皮质下结构在标准MRI图谱中未得到充分表达，其他压力敏感区域(如杏仁核和海马体)对网络组织的贡献需要通过统一的全脑网络分区来研究。皮质醇通过调动能量资源在新陈代谢中发挥关键作用，并对大脑区域活动具有急性的非基因组效应。未来的药理学功能磁共振成像研究可能会进一步检查激素变化和压力相关网络整合增强之间的因果关系。
我们的研究表明，压力可能会减少大脑状态之间的动态转换范围，以保持大脑网络处于一个不那么隔离的状态，同时仍然允许相对较高的状态转换速率。快速的转换意味着网络的高度灵活性，这是为快速响应做好准备所必需的。皮质醇和转换频率之间的相关性表明，皮质醇可能支持与压力相关的警觉性。然而，高状态转换变异性可能会瞬间使大脑偏离到隔离状态，这可能会导致注意力缺失。研究表明，默认网络的动态FC变异性与持续的走神有关，而注意力波动可以通过持续的注意力网络强度来预测。通过抑制状态转换的可变性，压力下的大脑可能支持高水平的警觉和意志控制。减少的网络可变性和更好的认知控制之间的显著相关性进一步支持了这一观点。
我们的研究通过证明急性压力促进大脑整合和减少状态转换变异性，揭示了压力诱导的大脑重组。一个更整合、更少变化的大脑网络可能有助于协调应对压力挑战的适应性反应。这些网络特征可能对压力相关疾病的临床诊断和改善女性管理的药理学或行为干预有用。我们的发现有可能建立压力诱发行为变化的神经基础的信息系统模型，并代表了将大脑结构与非典型精神状态联系起来的重要一步。
参考文献：Acutestresspromotesbrainnetworkintegrationandreducesstatetransitionvariability