語言認知老化的神經基礎

李庭韞

摘要：在生理老化的過程中，大腦結構以及認知功能會隨著生理老化產生一系列變化，因此，老年人的語言加工神經基礎及其特點成為一個受到研究者廣泛關注的課題。現目前對認知老化的研究主要集中于一般認知功能的研究，語言加工上的研究成果不多。本文首先從解剖學角度出發，介紹大腦生理老化后結構性變化以及與之相對應的行為上的改變。然后將一般認知功能的理論與相關的語言加工實驗相結合介紹了語言加工老化的主要研究成果;最后對語言加工老化的研究進行總結提出展望。

關鍵詞：語言加工;認知老化;神經機制;腦成像

語言認知功能是人類特有的認知活動，語言加工過程的復雜性和人類精細的神經系統緊密相連，因此研究語言認知領域也是心理學研究以及相關交叉學科的重要領域。對語言認知老化的神經生理機制的探索，有助于深入了解語言加工原理和程序，也能通過語言功能考察認知老化的生理機制，為腦功能障礙的研究提供有效支持。而20世紀70年代腦成像技術特別是正電子發射型計算PASA模型（posterior-anterior shift in aging），即老年人腦區激活由后部向前部轉移模式機斷層顯像（positron emission computed tomography，PET）和功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）的應用，則為研究者提供了更為安全、精細的途徑來研究大腦在認知過程中的活動特征。現如今，核功能成像技術已成為研究認知老化神經機制的重要手段，不斷推動語言認知老化研究的進展。

一、生理老化對于語言加工行為成績的影響

然而，大腦結構因老化而產生的變化對不同的認知功能的影響是相同的嗎？語言功能和執行工功能以及其他一般認知功能是依賴同一套生理機制進行加工的嗎？（過渡句）現有研究發現，雖然一般認知功能會因為生理老化嚴重顯著萎縮，很多的語言加工功能在老年期仍能得到較好的保持。在語義加工和語言理解方面，年輕人和老年人都表現出相近的加工能力。例如，老年人比年輕人擁有更多詞匯積累量;老年人和年輕人在句子理解上都能利用字面和修飾性語境幫助理解句子。但在復雜句子加工中，老年人和年輕人在語言加工中有所差異，表現在生理老化與句子加工成績呈負相關。復雜句子的加工對工作記憶系統要求更高，例如歧義句的加工以及復雜句法的加工。已有的腦成像研究也發現老年人在額葉區出現的顯著老化，而額葉為工作記憶和執行功能這兩種認知加工提供生理基礎。因此，不同的加工任務中老年人和年輕人的行為成績則有不同程度上的差異。在難度不大的語言加工中，生理老化對于語言加工影響不顯著;任務難度較大時，老年人的加工成績便顯著低于年輕人的加工成績。

二、灰質白質增減情況

與老化同時發生的，還有大腦體積下降，這可能與某些認知功能衰退相關。灰質面積早在青春期后期開始下降，而白質密度和面積在經歷青少年時期的增加后，逐漸在30歲之后開始減少。老化對腦白質完整性造成影響，大腦結構隨著老化發生的改變，額葉、左后顳葉等發展最遲的腦區的白質和灰質對衰老表現最為敏感。生理老化帶來的灰質密度和面積的衰退在額葉最為明顯。大腦白質的衰減也呈現相似的神經生理結構變化模式。這些腦區與認知執行功能和工作記憶等認知功能有密切關系，它們的老化使得認知執行功能和工作記憶加工效率降低。

三、老年人生理腦區激活狀況及其相關理論

除了老年人和年輕人在大腦結構中的差異，兩者在加工過程中的大腦激活模式也不同。現有的研究發現兩個方面的差異：（1）老年人語言加工過程中任務相關的腦區激活程度低于年輕人。（2）任務態功能影像學研究發現老年人局部腦區的過度“激活”現象，即老年人在語言加工過程中激活了更多其他腦區，例如雙側化腦區同時激活以及前額的額外激活。針對老年人在語言加工過程中過度“激活”現象，研究者們分別從補償理論和去分化理論兩個角度加以解釋。

（一）補償理論

補償觀點認為，由于某些認知加工功能衰退，老年人在語言加工上做出了策略調整，更多表現出自上而下的加工方式，與年輕人的語言加工模式有了質的差異。這種差異反映到認知加工的神經機制當中，表現為老年人募集其他腦區，對其加工激活以對抗認知功能下降。

因此，為了產生和年輕人一樣多的認知資源，老年人需要利用額外的大腦腦區。1994年Grady等在一項研究人臉感知和位置的研究中發現，在兩種任務條件下，和年輕人相比，老年人的枕顳區激活下降，而在前腦區包括前額葉的激活增強。他們認為老年人通過激活更高級的認知過程（前額葉活動增強）以補償視覺加工的衰退（枕葉活動減弱）。老年人語言加工的補償機制主要有以下幾種模式。以下將分別介紹HAROLD模型、PASA模型、CRUNCH模型和STAC模型。

1.HAROLD模型。第一種叫HAROLD模型（Hemispheric Asymmetry Reduction in OLDer Adults），則指出年輕人的腦激活在前額葉表現出單側化優勢，老年人則在前額葉表現為雙側腦區激活模式。該模型由Cabeza和Grady于1997年提出，他們在1997通過研究情景記憶的編碼和提取中的大腦老化現象中發現情景記憶的編碼和提取的大腦單側化優勢，即年輕被試組的腦活動呈現為前額葉半球不對稱性，編碼過程中左前額葉得到激活，在提取過程中右前額葉得到激活;而老年人在編碼過程中在提取過程了呈現出前額葉的雙側的激活。相關研究者認為，這種隨著老化發生的改變是一種補償機制，為了彌補老化帶來的神經萎縮和缺陷，老年人中會調動兩側大腦來完成以前只需單側大腦完成的任務。Tyler等（2010）采用了fMRI技術研究老年人的句法加工情況。他們采用了詞匯監測任務，該任務將對工作記憶的需求最小化。結果發現，在句法加工中，老年人的右半球額顳區激活增強。而已有研究表明句法加工激活的典型腦區是左側額顳區。這一結果表明老年人的句法加工從左半球額顳區激活發展成了雙側額顳區激活模式，支持了補償假說。以上研究成果表明，老年人語言加工過程中神經系統的重新組織，即腦區的激活并不局限于語言加工涉及的腦區系統，也會對主管其他認知功能腦區加以調用（例如涉及執行功能、工作記憶的前額葉），以對抗認知功能下降。老化減少了認知加工資源，出現了認知功能缺失和損害，因此，老化大腦需要利用其他的腦區進行彌補，產生和年輕人同等的認知資源。HAROLD 模型反映了增強對側腦區的激活以補償老化而帶來的認知功能衰退。

2.PASA模型。PASA模型（posterior-anterior shift in aging），即老年人腦區激活由后部向前部轉移模式。該模型則認為，老化導致腦區激活的重新組織，具體表現為由枕-顳區向前額葉的轉移，即如果執行任務的低級腦區因老化而導致功能衰退，則會通過募集高級腦區作為代償。1994年Grady等人通過PET技術研究人臉匹配和位置匹配時發現，與年輕被試相比，老年被試在枕顳區的激活較弱而前部腦區包括前額葉皮質的激活增強。研究者認為，視覺加工中的因老化帶來的大腦激活變化表明，年輕被試只需調動枕顳葉就能有效完成任務而老年人則更多依賴于前額葉腦區高級認知功能來提高加工效率彌補由空間視覺的缺損。Grossman等（2002）采用fMRI對年輕被試和老年被試進行言語理解實驗，讓他們被試執行句子理解任務，并且為了判斷被試是否理解句子含義，任務中設置探測性問題。結果發現，年輕被試和理解任務中成績優秀的老年被試在腦區激活上存在差異，年輕被試的左頂葉激活強于老年被試，而成績優秀的老年被試的大腦則表現出更強的前部激活，包括左前運動皮層、左下前額皮層的激活。在另一項言語理解的fMRI研究中，研究者采用了句法難度不同和呈現語速不同的短句，要求被試判斷句子的主語是男性還是女性，以檢查是否理解了句子。結果發現，與年輕人相比，老年人的左額下回的激活減弱，但是前部腦區的激活增強，該結果與補償假說相符。Shafto和Tyler （2014）在其研究中發現， 在句法加工任務中， 老年人被試的前額活動明顯增強， 而且對句法任務成績較好的老年人分析發現， 其前額腦區和顳葉中部的兩側都有明顯激活。PASA 模式反映了募集前部腦區來補償后部腦區的感知加工缺損，其研究主要集中在視覺感知、注意、視空間加工、情景記憶編碼等領域，語言加工領域的研究證據還不夠充分。除此之外，現有大腦結構研究發現，發展最晚的高級腦區前額葉、左后顳葉對衰老表現最為敏感，最早出現萎縮。也有研究發現，老年人在語言加工過程中激活前額葉等高級腦區不但無法彌補，反而會降低語言加工的正確率和延長加工時間。由此，研究者在老年人語言加工的“補償學說”基礎上，進一步提出“去分化學說”，認為任務過程中對其他腦區的激活反映了老年人神經網絡在加工效率上的降低。

3. STAC模型。STAC模型是由Park和Reuter-Lorenz于2009年提出。該理論認為，前額腦區的活動增加代表了“補償性的腳手架”效應。這種效應能夠對神經系統在結構和功能上的老化，大腦會在進行功能重組和功能修復，來支持認知活動。然而，腳手架效應不是對認知老化才會產生一種反應，而是認知任務挑戰性的一種反應，因此年輕人也會出現補償性腳手架效應。

4.CRUNCH模型。更有研究者認為，年輕人和老年人在腦激活模式上的差異與認知任務相關。2008年，Reuter-Lorenz和Cappell等人提出代償相關的神經環路利用假說（compensation-related utilisation of neural circuits hypothesis，CRUNCH）。根據CRUNCH理論，年輕人和老年人在語言加工過程中都會激活前額腦區，老年人的在執行難度較低的任務時便會激活前額腦區，而年輕人在加工簡單任務時一般只會激活枕顳葉等腦區只有在加工高難度任務時前額葉才會得到明顯激活。當任務難度增加，達到神經資源能承受的最大負荷時，就會產生因完成困難任務而出現的認知加工效率下降以及年齡相關的認知表現能力下降。認知加工效率不足導致老化大腦募集更多的神經資源以達到和年輕大腦同等的計算輸出。Eckert等人在2008年研究不同年齡組被試的詞匯再認情況，采集了被試的再認行為成績和大腦激活數據。實驗要求老年組被試和年輕組被試學習不同難度的詞匯并進行詞語再認。結果發現，老年人再認最簡單詞匯的時候便已經激活了左額中回和前扣帶回，而年輕人再認最困難詞匯的時候才會激活以上腦區。Meinzer等人在2012采用fMRI技術研究老年人和年輕人在有限時間完成詞語流暢性任務時的腦激活現象發現，兩組被試隨著人任務難度的增加，都會先后激活前額兩側的腦區，這種激活現象更多受到任務難度而非年齡的影響。以上研究表明，不同年齡人群都會采用CRUNCH理論進行認知加工，對腦區的激活由認知任務的性質、難度決定。

（二）去分化理論

與“補償理論”相對應的就是去分化理論。在解釋老年人大腦泛化激活上，去分化理論認為老年人腦區分工專門性減少甚至消失，與年齡相關的腦區活動單側化減弱僅僅是老化的副產品而沒有任何補償功能。有研究者認為，老年人大腦的過度激活現象體現了大腦半球間的抑制的減弱，例如抑制右半球活動的能力缺失，會影響右腦的加工能力。

四、結論

語言加工老化是一個逐漸喪失的過程，同時也是一個對喪失的適應過程。現目前的研究集中于對老年人過度激活的探討，然而老年人在進行認知加工過程中的過度激活并不意味著不去激活任務相關腦區。即使老年人和年輕人相比，加工過程中存在激活泛化的現象，但是不同年齡段的被試在實驗中依舊會激活相同的腦區，即認知任務所需腦區。除此之外，現目前研究對語言加工老化的神經機制研究主要還是依據一般認知功能老化的理論基礎上進行實驗，其中主要以語言理解領域為主取得相關成果，但在其他語言研究領域例如語音加工（例如語音輸入）和句法加工上取得的成果還十分有限。認知老化的研究理論尚存在較多爭論，有待一個整合的理論在生物學、腦神經激活以及行為表現三個角度對其進行解釋。

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