老年人整體運動敏感性降低的腦灰質體積變化基礎 *

金 花 朱子良 嚴世振 梁紫平 艾克旦 · 艾斯卡爾 尹建忠 姜云鵬 林 琳

(1 教育部人文 社會科學重點研究 基地天津師范大學 心理與行為研究院，天津 300387)(2 天津師范大學心理 學部，天津 300387) (3 學生 心理發展與學習天 津市高校社會科學 實驗室，天津 300387)(4 天津市第一 中心醫院放射科，天津 300192)

1 問題提出

整體運動知覺（global motion preception, GMP）是指在一定的視覺場景中，個體將各個局部移動元素的軌跡整合成一個更有全局性的大刺激，并從中獲取刺激運動速度和方向等信息（Cai, Chen,Zhou, Thompson, & Fang, 2014; Narasimhan & Giaschi,2012）。隨著年齡的增長，健康成人的GMP 會逐漸衰退，即GMP 老化，表現為對整體運動的敏感性下降（Biehl, Andersen, Waiter, & Pilz, 2017; Billino &Pilz, 2019）。GMP 老化可導致老年人對動態信息的知覺障礙，引發他們和周圍動態環境的交互能力的下降。

目前，已有研究證明GMP 的老化獨立于視覺系統其他功能的老化。如Ball 和Sekuleryr（1986）的研究發現，老年被試的整體運動敏感性（global motion sensitivity, GMS）顯著低于年輕被試，但這兩組被試的視覺健康狀態相同。Willis 和Anderson（2000）發現，成人區分整體運動信息的能力隨年齡增長而下降，但檢測靜止模式的能力不受年齡影響；且老年青光眼患者、年齡匹配對照間的GMS沒有顯著差異。

運動信息加工主要依賴于視覺背側通路。與觀看靜止刺激相比，觀看運動刺激會誘發從V1（visual area 1）、V2（visual area 2）、V3（visual area 3）區經內側顳葉V5/MT（visual area 5/ middle temporal gyrus）投射至頂葉的視覺背側通路中許多區域更強的激活。但V5/MT、V3 區與運動信息加工的相關性更高；而V1 和V2 區雖然也對運動刺激產生反應，但它們主要應對運動刺激中蘊含的局部空間和時間結構（Grill-Spector & Malach,2004）。Braddick 和Qian（2001）發現，被試觀看一致運動的隨機點時，V5 和V3a 區產生更強的激活，而觀看噪聲運動則引起V1 區更強的激活。然而，GMP 的老化是否與腦灰質體積的退行性萎縮有關，負責GMP 的腦功能區灰質結構是否也存在類似的特異性老化，目前尚不清楚。但已有眾多關于腦灰質結構老化和認知老化間關系的研究結果提示著上述特異性老化存在的可能性（Oschwald et al., 2019）。如Leong 等（2017）發現老年人海馬萎縮和腦室擴張均與言語記憶和執行功能的更大下降有關；Chang 等（2015）發現老年人V3 區域面積顯著小于年輕人，并且老年人V3 區域更小的面積與其在紋理辨別任務中更差的行為表現有關。

本研究擬應用多體素模式分析（multi-voxel pattern analysis, MVPA）探討老年人GMS 下降與其腦灰質體積變化的相關性。研究先采用心理物理法獲取被試的運動一致性閾值（即GMS 行為指標，下文簡稱“閾值”）；再通過基于體素的形態學分析（voxel-based morphometry, VBM）得到灰質體積存在顯著年齡效應的腦區；最后，以這些區域為興趣區（region of interest, ROI），分析兩組被試ROI 灰質體積信號形成的空間模式對個體GMS 的預測性。

結合前人關于腦老化與認知老化、GMP 神經基礎的研究結果，本研究推測：（1）老年人閾值顯著高于年輕人；（2）老年人視覺背側通路特別是V5/MT區和V3 區的灰質體積顯著小于年輕人，且這些區域的灰質體積信號對GMS 有預測作用；（3）結合認知與腦老化的“去分化”假設（Farràs-Permanyer et al., 2019; Seidler et al., 2010），老年人腦功能模塊化程度降低，其可能需要募集更多的神經資源用于整體運動加工（Ward, Morison, Simmers, & Shahani,2018），因而老年人GMS 下降可能還與全腦范圍內大量腦區灰質體積的下降有關。

2 研究方法

2.1 被試

通過廣告招募到年輕組有效被試43 名（男19 名，21.85±2.01 歲）、老年組有效被試39 名（男13 名，65.20±3.84 歲），分別為天津某高校學生和天津本地居住老年人。被試入選標準：右利手，視力或矯正視力正常，無白內障等眼部疾病，無任何神經系統精神疾病癥狀及體征，無顱腦手術史或外傷史，無酒精濫用。老年組簡易精神智能量表得分大于24 分；無MRI 檢查禁忌，且腦常規MRI 檢查未見因病所致的大腦結構變化。所有被試均在實驗前簽署知情同意書。研究獲得了天津師范大學倫理委員會和天津市第一中心醫院倫理委員會的批準。

2.2 程序

被試首先進行GMP 行為測試（詳見2.3），并接受人口學等問卷調查，然后在確認安全后進行腦結構像掃描。

2.3 GMP 行為數據獲取

通過經典的隨機點陣范式獲取GMP 行為數據（金花, 劉婷, 尹德圣, 邵夢靈, 朱子良, 2019）。測試程序使用基于Matlab 的PsychToolbox（http://psychtoolbox.org/）編制，刺激呈現屏的刷新率為60 Hz，分辨率為1920×1080 像素，背景為黑色（參見圖1）。點陣刺激為包含100 個白色圓點（密度為0.88 點/cm2，大小為2 像素）且直徑為12 cm 的白色圓形孔徑；其中一定比例的信號點一致地向左或右運動，其余為噪聲點，無規則地朝各個方向運動。點陣運動方向的順序隨機、概率均等。被試眼睛距屏幕60 cm，視角為5.71°。測試時先呈現注視點提醒被試實驗開始，接著呈現點陣，之后呈現白色圓點（被試做出反應后持續200 ms）。要求被試盡可能準確地判斷點陣的運動方向并做出相應的按鍵反應。

圖1 整體運動知覺測試流程圖

鑒于以往研究發現點速度和正確率水平在年齡相關的GMS 變化中存在不確定性（Ward et al.,2018），本研究設計了10 個水平的點速度：1°/s、1.4°/s、1.8°/s、2.4°/s、3°/s、3.8°/s、4.8°/s、6°/s、7.5°/s 和9.5°/s。采用2 下1 上（70.71%正確率）和3 下1 上（79.37%正確率）兩種適應性階梯來控制運動信號的一致性水平（Lu & Dosher, 1999）。每種條件下各完成8 次反轉，后6 次反轉步長為5%的數據納入后繼分析。閾值即個體判斷點陣整體運動方向所需最少信號點占總點數的比例。閾值越高，GMS 越低。

測試共20 個block，約1200 個trial，分2 個session 進行。正式測試前有20 個trial 的練習讓被試熟悉實驗程序。被試可自主控制block 間的休息時間，整個測試約需50 分鐘。

2.4 腦成像數據采集

采用西門子Prisma 3.0T 磁共振掃描儀和64通道頭線圈采集T1 結構圖像。掃描時被試平躺在機器中，使用軟墊將被試頭部固定在頭線圈中以減少頭部運動，并使用耳塞保護聽力。T1 結構圖像采集使用3D 快速磁化預備梯度回波序列（magnetization-prepared rapid acquisition gradient echo, MPRAGE），TE 為2.98 ms，反轉角為7°，層厚1.0 mm，無間隔掃描，視野256 mm×256 mm，矩陣256×256，192 層。年輕組和老年組數據分別在天津師范大學腦功能成像中心和天津市第一中心醫院采集，TR 分別為2530 ms 和2300 ms，成像時間分別為363s 和330s。

2.5 數據處理

2.5.1 結構像預處理

對結構像的VBM 預處理在基于Matlab 的CAT 12.6 工具包（http://www.neuro.uni-jena.de）中完成。預處理步驟包括：（1）將T1 原始數據轉化成NIfTI 格式；（2）使用組織概率圖（tissue probability maps, TPM）將每名被試的T1 像分割為灰質、白質、腦脊液等成分；（3）使用DARTEL方法進行空間標準化，然后進行調制；（4）檢查標準化后圖像的質量；（5）在spm12 中將調制后的灰質分割圖進行8 mm×8 mm×8 mm 的空間平滑，用于接下來的統計分析。

2.5.2 灰質體積信號組間差異及對行為表現預測性的MVPA 分析

在spm12（http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm/）中進行組水平的統計分析，把可能干擾結果的全腦體積（total intracranial volume, TIV）和性別作為協變量，進行獨立樣本t檢驗，顯著水平定義為體素水平上的FWE 矯正后p＜0.05，體素數量k＞100。比較兩組在灰質體積上的差異，并將老年人在灰質體積上顯著小于年輕人的團塊體積信號提取出來進行MVPA 分析。

官方機構的泄題是否涉及進一步的利益糾葛？這個問題我們不得而知，在事件未明朗前也不便展開討論。但來自培訓機構本身的人員的專業意識不到位，讓學員蒙受不白之冤，這樣的事確有發生，理應引起關注。

在The Decoding Toolbox（https://sites.google.com/site/tdtdecodingtoolbox/）中進行回歸任務，即分別使用ROI 的灰質體積信號模式來預測被試的GMS。機器學習算法為支持向量回歸（support vector regression, SVR），線性內核，懲罰系數c=1，損失函數中的epsil=p=0.1。使用留一法（leave-one-run-out）在該回歸任務中進行交叉驗證（cross-validation）。將預測得到的行為數據與實際的行為數據進行皮爾遜積差相關分析，該相關系數即為預測準確率，對相關系數進行1000 次置換檢驗，顯著性水平定義為p＜0.05。

3 結果

3.1 行為結果

取被試全部速度條件和正確率條件下的閾值均值作為該被試的閾值，進行后續分析。獨立樣本t檢驗顯示兩組閾值差異顯著[t(80)=3.93,p＜0.001, Cohen’sd=0.87]，老年人閾值（43.77±21.04）顯著高于年輕人（28.57±13.48），且年齡與閾值顯著正相關（r=0.40,p＜0.001），說明GMP 存在老化現象。其他人口學變量分析顯示，男性的閾值顯著低于女性[t(80)=2.03,p=0.046, Cohen’sd=0.46]，提示有必要在后繼分析中將性別作為協變量。

3.2 灰質體積信號組間差異及其對閾值預測性的MVPA 分析結果

老年人TIV 顯著小于年輕人[t(80)=3.33,p=0.001, Cohen’sd=0.74]，TIV 與閾值顯著負相關（r=-0.22,p=0.04），提示有必要在后繼分析中將TIV 作為協變量。

首先，對兩組灰質體積進行全腦比較。在控制性別和TIV 后，發現右顳中回（V5/MT）、右枕中回（V3）、左舌回（V3）等14 個區域存在顯著的組間差異（參見表1 和圖2），老年人在上述腦區的灰質體積顯著小于年輕人。MVPA 發現，分別使用右中央前回（r=0.27,p=0.013）、右頂下緣角回（r=0.23,p=0.034）、右顳中回（V5/MT,r=0.47,p＜0.001）、右角回（r=0.32,p=0.003）、右梭狀回（r=0.27,p=0.013）、右枕中回（V3,r=0.35,p=0.001）和右小腦前葉（r=0.23,p=0.036），左舌回（V3,r=0.37,p＜0.001）和左顳下回（r=0.31,p=0.005）區域灰質體積信號得到的預測值與實際閾值顯著正相關，但僅左舌回（V3）的結果通過了置換檢驗（參見圖3A 和3B）。最后，將左舌回的灰質體積與閾值進行相關分析，發現該區域灰質體積與閾值顯著負相關（r=-0.38,p＜0.001），表明該區灰質體積下降可以有效預測個體閾值的升高（參見圖3C）。

在上述MVPA 結果中，沒有觀察到V5/MT 及右側V3 區對閾值的預測性，這可能與它們被檢測到年齡效應的體素數量較少有關（分別為196 和148）。體素數量太少導致用于訓練分類器的特征較少，使得預測準確率不高。因此，參考多數研究的方法，本研究直接將雙側V3 和V5/MT 作為ROI 進行MVPA 分析（V3 和V5/MT 分別定義為Brodmann 模板的19 和21 區）。結果顯示，通過右V5/MT（r=0.28,p=0.01）、左V3（r=0.49,p＜0.001）區灰質體積信號預測的閾值與實際閾值顯著正相關（參見圖4），而右V3 區和左V5/MT區則沒有顯著的預測作用。將右V5/MT、左V3 的灰質體積提取出來進行獨立樣本t檢驗，發現老年人這兩個區域的體積顯著小于年輕人[右V5/MT:t(80)=7.73,p＜0.001, Cohen’sd=1.71; 左V3:t(80)=6.46,p＜0.001, Cohen’sd=1.43]。為了進一步說明這些區域體積信號改變與個體閾值之間關系的方向，本研究將被試性別和TIV 作為控制變量，分別將這兩個區域的灰質體積與閾值做偏相關分析，結果顯示這兩個區域的體積均與閾值呈顯著負相關（右V5/MT:r=-0.38,p＜0.001; 左V3:r=-0.30,p=0.007），表明老年人GMS 降低與這些區域的灰質體積減少有關。

表1 老年人在灰質體積上顯著小于年輕人的腦區

圖2 老年人灰質體積顯著小于年輕人腦區的表面映射圖

圖3 左舌回（V3）灰質體積信號對閾值的預測作用（A）左舌回水平面圖（B）左舌回灰質體積信號預測的閾值與實際閾值的相關（C）左舌回灰質體積與閾值的相關

圖4 右V5/MT 和左V3 灰質體積信號對閾值的預測作用（A）右V5/MT 水平面圖（B）右V5/MT 灰質體積信號預測的閾值與實際閾值的相關（C）左V3 水平面圖（D）左V3 灰質體積信號預測的閾值與實際閾值的相關

4 討論

本研究運用多變量方法探討了GMP 老化相關的灰質體積變化。行為結果驗證了GMP 的老化現象，即老年人的閾值顯著高于年輕人，老年人的GMS低于年輕人。MVPA 結果發現，右側V5/MT 和左側V3 區的灰質體積信號能夠顯著預測被試的閾值；控制性別和TIV 的偏相關分析發現，這些區域的灰質體積與閾值負相關；且老年人這些區域的灰質體積顯著小于年輕人。另外，研究也發現了老年人視覺背側通路外更大范圍內灰質體積的下降，包括右中央前回、右梭狀回、右小腦前葉、右角回和左顳下回等，它們的灰質體積信號對被試閾值具有預測性，但沒有通過置換檢驗。結果提示，V5/MT 和V3 區，特別是V3 區的灰質體積下降可能是老年人GMS 下降的主要原因；而全腦范圍內其余腦區的灰質體積下降可能也在一定程度上與老年人GMS 下降有關。

對于V5/MT 區在GMP 中的核心作用，以猴和人為對象的研究均已得到一致的肯定結果（Braddick &Qian, 2001; Cai et al., 2014; Chen, Cai, Zhou,Thompson, & Fang, 2016; Grill-Spector & Malach,2004）。Cai 等使用經顱磁刺激，以健康成人為研究對象的結果為V5/MT 區功能與GMP 之間的因果關系提供了重要的直接證據。該研究在實驗中通過磁刺激短暫、可逆地改變單側V5/MT 區域的神經活動，并在刺激前后要求被試判斷隨機點陣的整體運動方向，結果顯示，刺激削弱了被試對整體運動方向的辨別能力。而且，GMP 老化的神經基礎研究也發現，老年人的V5/MT 區在GMP 任務中的激活大于年輕人（Pilz, Miller, & Agnew, 2017;Ward et al., 2018）。本研究得到了右側V5/MT 區域的灰質體積對個體GMS 的預測作用和老年人該腦區灰質體積顯著減少的結果，提示老年人GMS 的下降可能與其右側V5/MT 區灰質體積的減少緊密相關。研究結果從大腦灰質結構變化的角度，為V5/MT 區與GMP 老化的關聯性提供了新的證據。

V3 區在GMP 中的作用存在一定的爭議。Rees，Friston 和Koch（2000）應用隨機點陣范式（點陣的運動一致性水平分別為0、6.25%、12.5%、25%、50%和100%），借助fMRI 技術探討人和猴V5/MT區功能特征間的關系時發現，隨機點陣方向判斷任務均激活了V5/MT 和V3 區，但兩個腦區的響應模式不同。V5/MT 區的響應為線性模式；而V3 區的響應則呈現為以25%為拐點的曲線模式，當點陣的一致性水平低于25%時隨一致性水平增加而降低，而當點陣一致性水平高于25%時隨一致性水平的增加而增加。Harvey，Braddick 和Cowey（2010）的結果卻提示著V3 區參與整體運動加工的不確定性，該研究在實驗中向被試呈現包含一個整體運動小點陣的大隨機點陣，要求被試判斷小點陣出現在屏幕上方還是下方，或小點陣是旋轉還是徑向運動。結果發現接受V5/MT 區經顱磁刺激的4 位被試在不同任務中均表現出了行為能力下降；但僅一位被試在接受V3 區經顱磁刺激后在全部任務中表現出了行為能力的下降。而前述Cai 等（2014）的研究結果也提示V3 區可能不參與GMP 的加工。Cai 等發現，經顱磁刺激V3a 區損害被試對局部運動而非整體運動的方向區分能力。綜合上面的研究結果，本研究推測V3 區可能參與GMP 的加工，但非GMP 的必要功能區。更重要的是，Chen 等（2016）發現V3 區在功能上具有很強的可塑性。該研究發現施加于健康成人V3a 區的經顱磁刺激可使被試在100%一致運動中的行為表現（局部運動知覺）顯著變差，但不影響被試在40% 一致運動中的行為表現（GMP）；而刺激V5/MT 區特異性地損害了40%一致運動的加工。被試進行五天100%純運動信號分辨任務練習后，刺激被試V3a 區不僅特異性地損害了對100%一致運動的加工，還損害了對40%一致運動的加工，而刺激V5/MT 區不再對40%一致運動的加工發生影響。V3 區在GMP 中的參與性和它的這種功能可塑性可能是其在老年人GMS 下降中起重要作用的直接原因。老年腦表現為各腦區的功能模塊化程度降低，神經表征的特異性下降，刺激加工的選擇性下降等（Biehl et al., 2017; Ward et al.,2018）。“去分化”假設認為，老年腦的這種變化可能反映了大腦功能去分化過程或補償機制（Farràs-Permanyer et al., 2019; Seidler et al., 2010）。研究也發現，相比年輕人，老年人在加工整體運動信號時激活更多額外的腦區（Biehl et al., 2017;Ward et al., 2018）。Biehl 等發現，被動地觀看鑲嵌在噪聲中的徑向運動點陣時，相對于年輕人，老年人不僅在V5/MT 中有更強的激活，還額外地募集了右額下回。本研究推測，伴隨V5/MT 區的老化，包含V3a 的V3 區可能因其在運動知覺中獨特的功能可塑性而被優先募集于補償V5/MT 區的老化，從而使其體積變化與老年人的GMS 下降發生更顯著的相關性。

根據本研究的調查結果，目前尚沒有直接探討腦視覺區結構變化與老年人GMS 下降關系的研究。但相似主題的研究為本研究結果提供了間接的有力支撐。一方面，已有研究發現，人腦灰質整體體積隨年齡的增長而下降，但不同腦區的下降速度不同（彭飛, 2013; Raz, Rodrigue, Kennedy, &Acker, 2004; Zhao et al., 2019）。如Raz 等發現外側前額葉灰質體積表現出最強的年齡相關差異，視覺聯合區的灰質體積表現出弱年齡效應，初級視皮層、扣帶前部和頂下皮層沒有表現出年齡效應。Zhao 等也發現，大部分腦區隨年齡的增加而發生灰質體積減少、皮層厚度變薄等變化；前額葉和外側顳葉變化最為顯著，60 歲是變化加速的年齡拐點。另一方面，不少研究已證實老年人認知功能的衰退與其腦灰質形態結構改變存在相關關系（Chang et al., 2015; Leong et al., 2017; Oschwald et al., 2019）。Leong 等通過對111 名中國老年人8 年的追蹤，考察了東亞人腦與認知老化的關系，發現整體認知的更快下降與大腦總體積、海馬和灰質體積減少有關。Chang 等基于ROI 的單變量分析研究結果也為視知覺功能老化與腦視覺區灰質體積減少間的相關關系提供了更為直接的支撐。

本研究中，全腦分析得到的灰質體積年齡相關變化的結果符合研究假設，也符合上述認知和腦老化領域內的研究結果。本研究也發現，老年人TIV 顯著小于年輕人，其額葉、顳葉、頂葉和小腦中部分腦區灰質體積也顯著小于年輕人；但也沒有發現初級視皮層灰質體積和年齡相關的變化。更重要的是，這些視覺背側通路外腦區的灰質體積與閾值顯著負相關。基于“去分化假設”，本研究結果提示，老年人GMS 的下降，除了與視背側通路上的V5/MT 和V3 區的灰質體積下降有密切關系外，還可能與腦的整體老化存在一定的相關性。

本研究使用MVPA 方法，首次探索了老年人GMS 下降和其腦灰質體積下降的關系，結果從大腦灰質結構變化的角度，為V5/MT 區和V3 區與GMP 老化的關聯性提供了新的證據。但本研究還存在一定的局限性。如本研究采用橫斷設計，在被試的年齡段選擇上較為單一；今后應嘗試招募不同年齡段的老年人進一步探討老年人GMS 下降和其腦灰質體積下降的年齡相關效應，或者同步追蹤老年人隨著年齡增加而發生的GMS 下降和其腦灰質體積下降關系的動態性。另外，Robertson等（2014）基于ROI 的研究發現，在執行同樣的隨機點陣任務中，15～27 歲的自閉癥患者不僅顳中回的激活小于對照組，V1 區的激活也顯著小于對照組，說明自閉癥患者GMP 障礙不僅與顳中回的功能異常有關，還與初級視皮層的功能有關。基于此，本研究推測，不同原因誘發的GMS 下降可能存在不同的腦灰質結構異常。今后的研究可拓展探討其余非老化引起的GMS 下降，如閱讀障礙兒童（Joo, Donnelly, & Yeatman, 2017）、自閉癥患者（李開云, 陳功香, 傅小蘭, 2018; van der Hallen,Manning, Evers, & Wagemans, 2019）的腦灰質 基礎，比較相同行為損害在神經層面上損害的異同性，為不同GMS 障礙人群的有效康復提供線索。

5 結論

老年人GMS 顯著低于年輕人，老年人V5/MT、V3 和額頂等腦區體積顯著小于年輕人。V5/MT 區和V3 區，特別是V3 區的灰質體積下降可能是老年人GMS 下降的主要原因；而全腦范圍內其余腦區的灰質體積下降而引發的“補償”困難可能也在一定程度上與老年人GMS 下降有關。

致謝本研究得到了國家自然科學基金的資助（31971021）。數據的采集和分析過程得到了魏士琳、陳俊濤、陰曉娟、張羽萍、賈麗娜、趙光、王正光、章鵬、張琪涵、李騁詩、劉麗慶、汪強、邵夢靈、彭少靈、劉拓的幫助和指導，在此一并致謝；誠摯的感謝還致予參與本研究的所有被試。