額極功能在工作記憶中的年齡差異

史 潔 王 英 谷田正弘 尹明星 王 靜 耿同超 酒谷薰 左煥琮

(清華大學醫(yī)學院 清華大學玉泉醫(yī)院，北京 100049)

工作記憶(WM)屬短時記憶的范疇，是指個體在執(zhí)行認知任務時，可短時存儲和保持信息的能量有限的系統(tǒng)〔1〕，是許多高級認知功能的基礎。正常成人的WM能力隨增齡而逐漸下降，其背后的神經機制可能與前額葉(PFC)的老化性改變，如不成比例的PFC皮層萎縮、功能改變等有關。額極位于PFC的前部，主要由BA 10區(qū)組成，是人類PFC中范圍最大的細胞構筑區(qū)域。近年來一項fMRI研究發(fā)現(xiàn)伴隨老化出現(xiàn)的工作記憶能力下降與額極激活模式改變有關〔2〕。近紅外光學成像技術(NIRS)，具有完全無創(chuàng)、檢測環(huán)境接近于日常生活環(huán)境、不需嚴格運動限制等優(yōu)勢，可檢測認知任務、運動〔3，4〕等誘發(fā)的腦激活，檢測結果與BOLD fMRI具有很好的一致性。本研究應用NIRS，研究額極功能與隨增齡出現(xiàn)的WM成績下降的關系。

1 對象與方法

1.1對象 所有被試者均為女性健康人，青年組8人〔年齡(21.7±0.9)歲〕，中年組7人〔年齡(47.2±1.3)歲〕。所有被試均為右利手(愛丁堡利手評分)。兩組的受教育程度基本匹配。所有受試者均無神經系統(tǒng)疾病、精神疾病、心血管疾病等病史，均未服用任何藥物；在檢查當日均不使用咖啡、可樂、茶和香煙。所有受試者在充分了解實驗內容和步驟后，均簽署知情同意書。

1.2方法

1.2.1實驗任務和步驟 采用斯騰伯格項目再認任務，被試者于實驗開始前練習該任務數(shù)分鐘以充分熟悉方法。該任務使用SuperLab4.0軟件在電腦上呈現(xiàn)，被試者面對電腦屏幕，距離約60 cm，任務開始后，屏幕中間呈現(xiàn)“+”持續(xù)80 s，隨后屏幕上呈現(xiàn)一個數(shù)字，持續(xù)1 s后消失，2 s后檢測數(shù)字顯示，要求被試越快越正確地判斷是否該數(shù)字與剛才的數(shù)字相同，按下“是”或“否”鍵；接著屏幕上呈現(xiàn)一組6個不同的數(shù)字，持續(xù)1 s，接著該信號消失，2 s后1個檢測數(shù)字顯示，要求被試越快越正確地判斷是否該數(shù)字在剛才顯示的數(shù)字序列中出現(xiàn)過，按下“是”或“否”鍵；然后開始重新呈現(xiàn)一輪數(shù)字序列，再進行判斷，共8組。任務期結束后，屏幕中間再次呈現(xiàn)“+”持續(xù)80 s。

1.2.2NIRS檢測 采用TRS-20時間分辨近紅外線光譜儀(TRS-20，濱松光子學株式會社，日本)測量斯騰伯格任務誘發(fā)的額極皮層血紅蛋白濃度改變。該系統(tǒng)采用近紅外線(波長為760、800和830 nm)經發(fā)射光纖引導至額部，經探測光纖接收近紅外光，可測量生物組織的平均光路長度(PL)；可連續(xù)測量大腦皮層氧合血紅蛋白(Oxy-Hb)、脫氧血紅蛋白(Deoxy-Hb)、總血紅蛋白(Total-Hb)的相對變化。使用2個發(fā)射光纖分別與2個探測光纖(光極間距4 cm)組成2個通道(CH)，CH位于發(fā)射光纖和探測光纖連線的中點。對頭皮標志點進行測量，使CH1位于FZ右側4 cm，CH2位于FZ左側4 cm。使用光纖支架和頭帶將光纖固定，使光纖與頭皮緊密相貼。

為確保CH位于雙側額極，分別對青年組和中年組中各1名被試的CH位置進行評估，使用Siemens 1.5T NOVUS磁共振掃描儀，標準正交頭顱線圈，進行全腦矢狀位薄層掃描(TR 1 770 ms，TE 2.07 ms，翻轉角15°，平均次數(shù)2次，像素128*128，F(xiàn)OV260*260，層厚1 mm，層數(shù)256)；使用三維定位測量系統(tǒng)(FASTRAK-Polhemus，美國)測量纖維支架上光極和頭皮標志點的空間位置；然后采用Fusion軟件(島津，日本)將該位置數(shù)據(jù)與MRI測得的解剖表面相融合，明確CH位于雙側額極。

斯騰伯格項目再認任務期間，使用TRS-20檢測額極血紅蛋白濃度相對變化，其檢測原理為修正比爾-郎伯定律。Oxy-Hb是最敏感的腦激活依賴性局部腦血流改變的標志物，故采用Oxy-Hb值作為分析指標。對基線期的最后30 s和任務期后60 s分別取平均值后相減，表示為ΔOxy-Hb=任務-基線，分別計算2個CH的ΔoxyHb。為評價前額葉右側與左側相比ΔOxy-Hb的不對稱性，計算偏側指數(shù)Δoxy-Hb〔右-左〕，偏側指數(shù)正值表示右側額極相對左側額極而言Oxy-Hb升高更明顯，負值表示左側額極相對右側額極而言Oxy-Hb升高更明顯。

1.3統(tǒng)計學方法 采用SPSS16.0軟件行獨立樣本t檢驗。

2 結 果

2.1額極激活偏側性分析

2.1.1光路長度 兩組的雙側額部平均PL左側和右側相比均無顯著差異〔青年組：左側(25.84±1.58)mm，右側(25.8±1.62)mm，P=0.917；中年組：左側(27.04±1.62)mm，右側(27.08±1.86)mm，P=0.86〕。兩組合并計算左側與右側相比PL仍無顯著差異〔左側(26.44±1.83)mm，右側(26.44±1.86)mm，P=0.993〕。中年組與年輕組相比，PL無顯著差異(左側P=0.159，右側P=0.134)。故對額極進行血紅蛋白濃度變化的左、右側對比是合理的。

2.1.2中年組和青年組額極激活偏側性的差異 中年組和青年組進行斯騰伯格任務時雙側額極的Oxy-Hb變化模式不同，中年組表現(xiàn)為雙側額極Oxy-Hb都升高，而青年組表現(xiàn)為右側額極的Oxy-Hb升高較左側額極顯著。Total-Hb變化也表現(xiàn)出與Oxy-Hb相似的模式。

進行斯騰伯格任務時，青年組Oxy-Hb的偏側指數(shù)為0.22±0.38，中年組偏側指數(shù)為-0.16±-0.22，P=0.048。

2.2斯騰伯格任務成績 在斯騰伯格任務中，青年組和中年組相比低記憶負荷和高記憶負荷任務的正確率無統(tǒng)計學差異。青年組和中年組低記憶負荷任務中反應時間(RT)無統(tǒng)計學差異(P>0.05)，而在高記憶負荷任務中，中年被試的RT顯著長于青年組(P<0.05)。見表1。

表1 兩組斯騰伯格任務成績比較±s)

3 討 論

本研究結果支持老化過程中，額極激活的偏側性發(fā)生變化，符合Cabeza〔5〕提出的老化對認知任務中的腦激活影響的 HAROLD模型，HAROLD模型含義是，在相似實驗條件下，認知任務中PFC激活的偏側性隨著老化而趨向于減弱，且認為該現(xiàn)象反映了一般性老化現(xiàn)象，而與認知任務的類型無關。多項有關情景記憶、語義記憶、WM、感知和抑制控制的神經影像研究支持該理論，也有少數(shù)研究不支持該理論。而我們的研究結果支持HAROLD模型，且提示隨老化出現(xiàn)的PFC偏側性減弱的HAROLD模式可以早在中年階段就可表現(xiàn)出來。還有其他研究也發(fā)現(xiàn)隨老化在WM任務中PFC激活的偏側性變化，表現(xiàn)為在青年組為右側優(yōu)勢而老年組為左側優(yōu)勢，與我們的結果略有不同。如一項fMRI研究利用項目再認任務，發(fā)現(xiàn)老化對PFC激活的影響是不對稱性的，老年人以左側PFC激活優(yōu)勢而年輕人為右側激活優(yōu)勢〔6〕。本研究中的中年組額極呈雙側激活模式而非左側激活優(yōu)勢，可能與本研究只納入女性被試、中年組與以上研究相比相對年輕等因素有關。

這種與老化有關的額極激活優(yōu)勢的機制仍不清楚，存在多種假說，一種認為老年人左側額極激活增強可能反映了工作記憶過程的代償機制，這種解釋與項目記憶在老化過程中趨向于相對保留的現(xiàn)象是一致的。伴隨老化出現(xiàn)認知資源下降、認知處理速度減慢〔7〕，與年輕人相比老年人面對相同的任務時復雜性相對高。因而，老年人可能采用代償性策略以成功完成超能力工作記憶任務。例如，老年人可能相對側重于使用編碼過程，當記憶任務需要額外編碼過程時左側PFC激活增強。此外，代償性機制與PFC功能組織等級理論一致，該理論認為信息流在PFC從后向前，而額極是該等級模型的頂端，當?shù)退较到y(tǒng)失敗時額極才被募集。

另一種假說認為，老化過程中出現(xiàn)的右側額極激活優(yōu)勢減弱，可能提示右側額極出現(xiàn)了功能障礙。一些WM或情景記憶研究發(fā)現(xiàn)，正常老年被試的右側額極不被激活，或者激活的程度低于青年被試〔8，9〕。腦行為學研究發(fā)現(xiàn)，老年被試的右側PFC在WM中可以激活，但激活對WM成績沒有幫助。例如，一項研究〔10〕顯示，老年被試的右側PFC激活與較差的WM成績有關，但在青年被試未發(fā)現(xiàn)此種現(xiàn)象。Cabeza等〔8〕的研究發(fā)現(xiàn)，青年被試和WM成績差的老年被試可觀察到右側PFC激活，而成績好的老年被試右側PFC不激活。這些研究結果支持老化過程干擾了右側PFC的正常功能。老化過程中出現(xiàn)的WM中右側額極激活優(yōu)勢減弱，提示該區(qū)域可能出現(xiàn)了腦區(qū)特異性老化改變。有研究使用高分辨率MRI發(fā)現(xiàn)老化伴隨著雙側額極皮層萎縮，而右側額極皮層萎縮相對左側范圍更大〔11〕。

本研究為闡明伴隨增齡出現(xiàn)的WM能力下降的神經基礎提供了證據(jù)，結果支持額極功能隨著老化過程發(fā)生了改變，表現(xiàn)為右側額極激活優(yōu)勢減弱，符合HAROLD模型，且提示隨老化出現(xiàn)的PFC偏側性減弱的HAROLD模式可以早在中年階段表現(xiàn)出來。推測可能與老化過程中左側額極的功能性代償、右側額極的功能障礙有關。

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