老化對視覺空間注意和反應(yīng)抑制過程的影響——一項(xiàng)基于腦電信號的研究.pdf

1、老化影響著人類的多種認(rèn)知能力，是造成老年人日常生活不便的主要原因之一。人類認(rèn)知能力的一個基本要素便是如何從包羅萬象且瞬息萬變的外界環(huán)境中快速提取出關(guān)鍵信息進(jìn)行處理，并用來指導(dǎo)后續(xù)靈活多變的行為反應(yīng)。選擇性注意在信息提取過程中起著重要的作用，而行為反應(yīng)中的關(guān)鍵一環(huán)便是如何抑制不合適的行為反應(yīng)傾向，即所謂的反應(yīng)抑制。已有的研究暗示著老化可能會導(dǎo)致選擇性注意與反應(yīng)抑制的能力出現(xiàn)衰退，其深層次原因則可能是神經(jīng)機(jī)制上的變化，然而目前相關(guān)的神經(jīng)影像

2、學(xué)研究依然十分缺乏。本文的主要目的就是利用腦電圖的無損性和毫秒級別高時(shí)間分辨率等優(yōu)點(diǎn)，研究正常老齡化如何影響視覺空間選擇性注意與反應(yīng)抑制過程中的神經(jīng)活動。
　　首先，我們采用了一個包含線索化提示的視覺空間選擇性注意范式，以健康青年人和老年人為對象，考察了老化對于視覺空間注意過程中神經(jīng)活動的影響，得出如下結(jié)論：
　?。?）對于由空間提示誘發(fā)的事件相關(guān)電位，青年人和老年人都表現(xiàn)出與視覺空間注意轉(zhuǎn)移有關(guān)的典型成分，包括空間特異性的

3、EDAN、ADAN和LDAP成分，以及與期待效應(yīng)有關(guān)的CNV成分。此外，對于由目標(biāo)刺激誘發(fā)的事件相關(guān)電位，青年人和老年人都表現(xiàn)出注意對于早期感官成分的增強(qiáng)效應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)說明在視覺空間注意過程中，青年人與老年人都可以順利完成對提示的解讀以及注意的轉(zhuǎn)移和保持，并且增強(qiáng)感官皮層對受注意視覺信息的處理。盡管如此，視覺空間注意對于腦電信號中α（8-13 Hz）節(jié)律的調(diào)控卻表現(xiàn)出顯著的老化效應(yīng)。首先，青年人在提示之后400 ms左右開始出現(xiàn)顯著的枕

4、葉α能量偏側(cè)性，并一直保持至目標(biāo)刺激出現(xiàn)，然而老年人在此時(shí)間段并沒有表現(xiàn)出這種調(diào)控特征。枕葉α能量偏側(cè)性是最近十幾年來被發(fā)現(xiàn)的視覺空間注意最為顯著的神經(jīng)標(biāo)記之一，在目前的注意模型中被認(rèn)為體現(xiàn)了注意準(zhǔn)備狀態(tài)對感官皮層的調(diào)控。其次，兩組被試者在提示之后都表現(xiàn)出額葉和枕葉之間α波段相位同步指數(shù)的增強(qiáng)，然而提示400 ms之后的調(diào)控卻出現(xiàn)了差異：老年人（提示之后400 ms左右開始）相比青年人（提示之后800 ms左右開始）更早出現(xiàn)對該相位同步

5、的偏側(cè)性調(diào)控；青年人在注意保持的晚期階段（提示后800-1200 ms）表現(xiàn)出同步強(qiáng)度的下降，而老年人一直保持同步強(qiáng)度直至目標(biāo)刺激出現(xiàn)。總結(jié)以上發(fā)現(xiàn)，我們推測雖然青年人和老年人都可以順利完成視覺空間注意任務(wù)，但是可能調(diào)用了不同的內(nèi)在神經(jīng)機(jī)制。
　　已有的腦影像學(xué)研究發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)抑制過程中，老年人的大腦活動相比青年人在多個區(qū)域出現(xiàn)了增強(qiáng)，這種功能性重組可能體現(xiàn)了一種神經(jīng)代償機(jī)制。盡管如此，由于受到血液動力學(xué)成像在時(shí)間分辨率上的限制，這

6、些研究并不能精確描述此功能性重組的時(shí)間過程。本文中，我們采用Go/NoGo實(shí)驗(yàn)范式，利用事件相關(guān)電位和腦電溯源分析方法，研究了反應(yīng)抑制過程中毫秒級別的神經(jīng)活動過程，得到以下結(jié)論：
　　（2）青年人和老年人在Go/NoGo任務(wù)中均表現(xiàn)出明顯的N2和P3成分。溯源分析表明，老年人相比青年人表現(xiàn)出更強(qiáng)的大腦激活，并且這些增強(qiáng)的激活在不同時(shí)間窗位于不同的腦區(qū)：在N2成分潛伏期（大約刺激之后346 ms），激活增強(qiáng)的區(qū)域主要位于右側(cè)感覺運(yùn)動

7、區(qū)；而到了P3成分潛伏期（大約刺激之后554 ms），增強(qiáng)區(qū)域則移動到了右側(cè)背外側(cè)前額葉皮層以及額下回。這些結(jié)果不但與已有的血液動力學(xué)腦成像研究一致，而且暗示著在反應(yīng)抑制過程中，由老化引起的大腦功能性重組具有毫秒級別的動態(tài)特征。
　　盡管事件相關(guān)電位及其溯源分析能夠刻畫不同腦區(qū)激活的時(shí)空特征，卻無法描述腦區(qū)之間的相互聯(lián)系。反應(yīng)執(zhí)行與反應(yīng)抑制過程需要多個腦區(qū)的協(xié)同參與，不同腦區(qū)腦電信號之間的相位同步現(xiàn)象可能體現(xiàn)了腦區(qū)間的信息交流。為

8、了從相位同步腦網(wǎng)絡(luò)的角度研究反應(yīng)抑制過程的神經(jīng)機(jī)制以及老化帶來的影響，我們首先利用相位同步理論構(gòu)建出Go/NoGo任務(wù)中的腦網(wǎng)絡(luò)，然后利用圖論的方法研究了其拓?fù)鋵W(xué)特征，得到以下結(jié)論：
　?。?）青年人與老年人的相位同步腦網(wǎng)絡(luò)都具有典型的“小世界”組織形式，其程度會受到任務(wù)狀態(tài)的調(diào)控：在θ（4-8 Hz）波段中，相位同步腦網(wǎng)絡(luò)在反應(yīng)執(zhí)行（Go）時(shí)具有較大的小世界指數(shù)與聚類系數(shù)，額葉區(qū)域的節(jié)點(diǎn)在反應(yīng)抑制（NoGo）過程中具有更大的度數(shù)

9、；在β（13-30 Hz）波段中，相位同步腦網(wǎng)絡(luò)在反應(yīng)抑制過程中具有較大的小世界指數(shù)與聚類系數(shù)，中央腦區(qū)的節(jié)點(diǎn)在反應(yīng)執(zhí)行時(shí)具有更大的度數(shù)。相比于青年人，老年人相位同步腦網(wǎng)絡(luò)的小世界結(jié)構(gòu)在任務(wù)下不但表現(xiàn)出相同的調(diào)控特征，而且在對節(jié)點(diǎn)度數(shù)的調(diào)控上出現(xiàn)了增強(qiáng)的趨勢。這些發(fā)現(xiàn)說明反應(yīng)抑制不但涉及到腦電信號中的誘發(fā)電位成分（N2和P3），還與θ和β波段的相位同步腦網(wǎng)絡(luò)及其拓?fù)鋵W(xué)特征有關(guān)，而且其對腦網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控效應(yīng)同時(shí)存在于青年人和老年人中。

10、　　綜上所述，借助于多通道腦電圖的高時(shí)間分辨率以及電極位置提供的空間信息，本文研究了正常老化對于視覺空間注意和反應(yīng)抑制過程中神經(jīng)活動的影響。本文的結(jié)果說明視覺空間注意與反應(yīng)抑制過程中的神經(jīng)活動會在老化的影響下出現(xiàn)功能性重組，這種重組不但在空間上涉及到多個腦區(qū)和腦區(qū)之間的相位同步，而且在時(shí)間上也具有毫秒級別的動態(tài)特征。此外，利用圖論對相位同步腦網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)腦網(wǎng)絡(luò)及其拓?fù)鋵W(xué)特征可以作為反應(yīng)抑制過程的有效神經(jīng)標(biāo)記，并且這種神經(jīng)標(biāo)記在

11、老化過程中得到了很好的保留。本文的工作豐富了目前人們對于視覺空間注意與反應(yīng)抑制過程及其神經(jīng)機(jī)制的理解，對于目前的老化認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)理論具有重要的參考價(jià)值。
　　本文得到國家留學(xué)基金委（China Scholarship Council）的基金資助（201206230034）。論文的數(shù)據(jù)采集在上海交通大學(xué)神經(jīng)工程實(shí)驗(yàn)室完成，論文中大部分的數(shù)據(jù)處理工作是在美國加州大學(xué)戴維斯分校的Center for Mind and Brain完成的。