認知老化模型及其腦成像研究進展

陳　衍　劉香倩　符　虔　(貴州師范大學教育科學學院，貴州　貴陽　550001)

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認知老化模型及其腦成像研究進展

陳衍劉香倩符虔(貴州師范大學教育科學學院，貴州貴陽550001)

〔關(guān)鍵詞〕認知老化;腦成像;老年人大腦半球非對標準減弱( HAROLD) ;老化中由后向前轉(zhuǎn)移( PASA)

第一作者:陳衍( 1976－)，女，副教授，博士，碩士生導師，主要從事認知發(fā)展研究。

認知老化是指人們在成年之后認知能力隨年齡增長而衰退的現(xiàn)象〔1〕。隨著科學技術(shù)的日益發(fā)展，學者們愈加重視利用腦成像技術(shù)〔如正電子發(fā)射計算機斷層顯像( PET)、功能磁共振成像( fMRI)〕對認知老化神經(jīng)機制的研究。為了解釋老化過程中腦功能的變化特點，研究者們提出了認知老化神經(jīng)機制的兩大模型，老年人大腦半球非對稱性減弱( HAROLD)模型和老化中由后向前轉(zhuǎn)移( PASA)模型。目前大多數(shù)研究者都比較支持用這兩種模型來解釋大腦的老化現(xiàn)象，本文將介紹與這兩種模型相關(guān)的理論及其腦成像研究。

1 HAROLD模型

1. 1 HAROLD模型的相關(guān)理論HAROLD模型是由Cabeza〔2〕提出的，該模型的主要觀點是:進行各種認知操作時(即情節(jié)檢索、工作記憶、抑制)，健康年輕人的大腦區(qū)域往往表現(xiàn)出一側(cè)化活動(大腦半球?qū)I(yè)化) ;而對于相同的操作及大腦區(qū)域健康老年人往往表現(xiàn)出左右對稱的活動模式(大腦半球非對稱減弱)。HAROLD模型認為在相同的條件下，老年人前額皮質(zhì)( PFC)激活的一側(cè)化程度比年輕人低。有研究〔3〕發(fā)現(xiàn)老年人在完成詞干線索回憶任務(wù)時表現(xiàn)出雙側(cè)激活。

學者〔2〕提出了心因性和神經(jīng)源性的觀點來解釋現(xiàn)象。心因性觀點認為此現(xiàn)象是由認知結(jié)構(gòu)或者認知過程的改變引起的，神經(jīng)源性觀點是由神經(jīng)功能、神經(jīng)聯(lián)結(jié)等神經(jīng)機制的變化引起的。然而有研究〔4〕指出，現(xiàn)實中很難判斷與年齡相關(guān)的腦區(qū)活動差異反映的是認知結(jié)構(gòu)的變化還是神經(jīng)結(jié)構(gòu)的變化。

1. 2支持HAROLD模型的腦成像研究一方面，HAROLD模型得到了低級認知加工的腦成像研究的支持。在面孔匹配的研究〔5〕中，年輕人在右半球PFC有激活，而老年人則激活了雙側(cè)半球的PFC。老年人與年輕人的大腦在饑餓或飽腹的情況下受到味覺刺激時表現(xiàn)出顯著的差異，老年人比年輕人表現(xiàn)出更強并且更多區(qū)域的激活〔6〕。

另一方面，來自高級認知加工(情景記憶、語義記憶、工作記憶、知覺、語言認知)的研究證據(jù)也支持HAROLD模型。在對情景記憶、語義記憶、工作記憶的研究中都發(fā)現(xiàn)了HAROLD的存在。Cabeza等〔7〕發(fā)現(xiàn)對于相同的任務(wù)，年輕人在詞對線索回憶任務(wù)中表現(xiàn)出右側(cè)PFC的激活，而老年人左右PFC都表現(xiàn)出顯著的激活。老年人在工作記憶和視覺注意任務(wù)上比年輕人表現(xiàn)出更多的前額葉激活的雙側(cè)模式。而且，有學者〔8〕通過比較再認任務(wù)中記住的與遺忘的項目在學習階段引起的大腦激活差異發(fā)現(xiàn)，年輕人左側(cè)PFC有激活，但老年人雙側(cè)PFC都有激活。研究〔9〕發(fā)現(xiàn)不同的刺激條件下(字母或空間位置)年輕人的PFC激活有差異，而老年人不論刺激是言語還是空間位置，其雙側(cè)PFC都有顯著激活。Ensie等〔10〕研究了在語義記憶任務(wù)中老年人大腦半球的非對稱性減弱，發(fā)現(xiàn)成績較好的老年人兩個半球有相同程度的激活，而年輕人有一個半球激活。

Lee等〔11〕對老年人和年輕人進行風險－收益任務(wù)時腦活動差異的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對于年輕人來說，老年人的對側(cè)前額葉，特別是前額腦區(qū)底部也出現(xiàn)了激活，并且老年人的右腦激活比年輕人的更強。③學者〔12，13〕對于語言認知的研究發(fā)現(xiàn)，老年被試的語言認知同年輕人相比并沒有明顯的減弱。另外有關(guān)抑制〔14〕的研究也驗證了HAROLD模型。

1. 3 HAROLD模型的腦成像研究的爭議①任務(wù)的難度對HAROLD現(xiàn)象的表現(xiàn)有影響。研究〔15〕發(fā)現(xiàn)并非在所有的任務(wù)難度研究中都會出現(xiàn)HAROLD現(xiàn)象。此外，有學者〔16〕研究發(fā)現(xiàn)年輕人與老年人在執(zhí)行任務(wù)時都出現(xiàn)了額葉腦區(qū)的雙側(cè)激活。而且，Cabeza等〔17〕發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)差的老年人沒有出現(xiàn)雙側(cè)激活。另外，其他學者〔18～20〕的研究也發(fā)現(xiàn)，年輕人的PFC激活程度與任務(wù)的難度有關(guān)。②有學者〔21〕認為HAROLD模型只是在成功老化中觀察到的某種與年齡有關(guān)的腦活動模式，可以看作是與年齡有關(guān)的代償過程的一種特殊表現(xiàn)。而且，對于完成任務(wù)時老化與腦區(qū)活動增多這二者之間的關(guān)系，有研究〔22〕認為可以用代償相關(guān)的神經(jīng)回路利用假說( CRUNCH)來解釋。CRUNCH認為，老年人的認知加工效率低下，老化大腦需要募集更多的神經(jīng)資源來保持與年輕大腦相同的計算輸出〔23〕。Berlingeri等〔21〕要求年輕及健康老年被試完成兩種語言/語義任務(wù)和兩種情景長時記憶再認任務(wù)，利用fMRI技術(shù)分析的研究結(jié)果符合CRUNCH，HAROLD模式可以認為是與年齡有關(guān)的代償過程的一種特殊表現(xiàn)。③健康被試與非健康被試完成任務(wù)時的大腦活動可能存在差異。Grady等〔24〕使用PET測查輕度AD患者及健康控制組老年人在編碼任務(wù)和隨后的再認記憶任務(wù)中的大腦活動情況。在兩種任務(wù)中，AD被試都表現(xiàn)出雙側(cè)PFC的激活，并且雙側(cè)半球激活與成績呈正相關(guān)，而健康控制組未表現(xiàn)出這種激活模式。

2 PASA模型

2. 1 PASA模型的相關(guān)理論PASA模型是指在完成某種認知任務(wù)時，老年人與年輕人的腦激活程度出現(xiàn)了差異〔23〕。有關(guān)工作記憶的研究〔25〕中，與年輕人相比，老年人枕區(qū)的活動減弱而前部腦區(qū)的活動增強。PASA是由Grady等〔24〕首次報道的，他們認為，老年人募集前部腦區(qū)來補償枕顳區(qū)域的感覺處理功能的缺損。另外，Simon等〔26〕對執(zhí)行情景檢索和視覺感知任務(wù)的老年人與年輕人的大腦活動進行研究，在不同的任務(wù)難度中都發(fā)現(xiàn)了PASA的存在，表明PASA現(xiàn)象是老化現(xiàn)象。

2. 2支持PASA模型的腦成像研究PASA模型得到來自有關(guān)記憶(工作記憶、情景記憶)、注意、視空間加工等腦成像研究的支持。①自記憶和注意。Cabeza等〔25〕讓老年人和年輕人同時執(zhí)行工作記憶、視覺注意、情景檢索這三種不同的任務(wù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在三個任務(wù)上，老年人都比年輕人表現(xiàn)出較弱的枕部活動和更強的前額葉和頂葉活動。其他一項有關(guān)真實回憶年齡差異研究〔27〕發(fā)現(xiàn)回憶是真實的時候，老年人表現(xiàn)出與之前相同的研究結(jié)果，即枕部活動減弱，前額葉皮質(zhì)活動增強。②視覺及空間知覺。Madden等〔28〕對視覺目標探測任務(wù)的fMRI研究發(fā)現(xiàn)，雖然老年人和年輕人對目標刺激都有部分前額腦區(qū)的激活，但是老年人深部灰質(zhì)的激活較強;而且，雖然新異刺激都激活老年人和年輕人的枕葉腦區(qū)，但是老年人的激活程度較弱。另外，有學者〔29〕對視空間加工的fMRI研究也發(fā)現(xiàn)了PASA現(xiàn)象。③語音再認任務(wù)。研究〔30〕發(fā)現(xiàn)在完成簡單的語音再認任務(wù)時老年人對額葉腦區(qū)的募集，發(fā)現(xiàn)了老年人被試與年輕被試之間存在的差異。另外，其他研究〔29，31～33〕中也發(fā)現(xiàn)了PASA模式的存在。

2. 3對PASA模型的爭議很多研究都發(fā)現(xiàn)了PASA模式的存在，但有研究發(fā)現(xiàn)表現(xiàn)好的老年人與表現(xiàn)差的老年人之間存在一定的差異。如Gutchess等〔34〕的研究發(fā)現(xiàn)，只有表現(xiàn)好的老年人表現(xiàn)出對額葉腦區(qū)募集的增加，而在表現(xiàn)較差的老年人和年輕人中沒有發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象。那么，在表現(xiàn)差的老年人中是否也會存在PASA模式，只是因為表現(xiàn)差的老年人的這種募集程度比較弱，這需要更多的研究來進行探討。另外，有部分研究結(jié)果不支持額葉激活的增強。研究〔35〕發(fā)現(xiàn)加工編碼與具體內(nèi)容無關(guān)的圖片時，老年人不能激活左腹側(cè)和背側(cè)PFC，并且編碼抽象的圖片時不能激活頂葉腦區(qū)。另外，有研究〔36〕讓老年人和年輕人對詞的語義和非語義進行判斷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對于非語義判斷，年輕人對語義判斷時一些腦區(qū)表現(xiàn)出更大的激活，左額下回表現(xiàn)出最大的激活;老年人對語義判斷時在相同的腦區(qū)也表現(xiàn)出同樣大的激活，但是左前額葉區(qū)域的激活減弱。除了上述的研究以外，也仍有其他的研究〔37，38〕結(jié)果不支持額葉激活的增強。

3解釋HAROLD和PASA模型的功能作用的相關(guān)理論

研究者們提出了用代償和去分化的觀點來解釋HAROLD 和PASA模型〔2〕。代償說〔7〕認為在進行認知任務(wù)時，老年人為了抵抗認知功能隨增齡的下降并維持以往的表現(xiàn)水平，從而增加了更多更廣泛的腦激活。為了區(qū)別因代償策略而增加的神經(jīng)活動和神經(jīng)資源的低效率使用，通常認為代償說的證據(jù)存在于認知任務(wù)中增加的神經(jīng)活動都伴隨著同等或是更高的性能的研究中。相反，去分化說〔39〕則認為，與年齡相關(guān)的認知缺陷導致了不太對應的神經(jīng)機制來執(zhí)行該功能，而不是之前高度專一的神經(jīng)機制。雖然老年人為了較好地完成認知任務(wù)而激活了更多的腦區(qū)，然而老化使老年人的腦區(qū)分工特異性降低甚至消失，這些被過多激活的腦區(qū)似乎只是老化的附帶物而并沒有實際作用。也就是說，老年人由于老化而導致了神經(jīng)功能的下降，這種下降使與任務(wù)相關(guān)的腦功能活動模式的特異性降低或分化減弱。代償和去分化的觀點均得到了實證研究〔9，39，40〕的支持，有關(guān)其理論尚需進一步研究充實。

綜上，雖然大量研究發(fā)現(xiàn)老年人通過募集激活其他的腦區(qū)來維持自身的認知功能這種現(xiàn)象，研究者們也提出了用HAROLD模型和PASA模型來解釋認知老化的神經(jīng)機制。但是大腦的神經(jīng)活動是十分復雜的，這些模型尚不足以概括描述大腦的整個變化過程。而且，目前仍然存在不支持這兩種模型的證據(jù)，關(guān)于認知老化的神經(jīng)機制還有很多爭議。以后的研究應從多種認知領(lǐng)域，使用多種難度的任務(wù)對不同年齡的被試進行研究，以期提出一個整合的理論來解釋認知老化的神經(jīng)機制。

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〔2014－12－29修回〕

(編輯杜娟)

基金項目:貴州省哲學社會科學一般課題( 13GZYB13) ;貴州省科學技術(shù)基金項目〔黔科合J字( 2013) 51號〕

〔中圖分類號〕B844. 4

〔文獻標識碼〕A

〔文章編號〕1005-9202( 2016) 02-0492-04;

doi:10. 3969/j. issn. 1005-9202. 2016. 02. 114