長期高海拔暴露對藏族世居者空間工作記憶的影響
——來自時頻分析的證據(jù)*

馬海林,莫 婷,王 妍

(1.中國科學(xué)院心理研究所,心理健康重點實驗室,老年心理研究中心,北京100101;2.西藏大學(xué)-華南師范大學(xué)高原腦科學(xué)研究中心,西藏拉薩/廣東廣州850000/510631)

已有研究結(jié)果顯示4 000米左右海拔為人類的認(rèn)知損傷閾限,長期高海拔暴露對4 000米以上海拔世居者的認(rèn)知功能產(chǎn)生損傷[1-2],對4 000米以下世居者的認(rèn)知功能不產(chǎn)生影響[2-3]。在長期高海拔暴露對世居者注意網(wǎng)絡(luò)的影響研究結(jié)果中發(fā)現(xiàn),相比較2 900米和3 700米海拔地區(qū)的世居者,4 200米以上海拔世居者的定向水平與執(zhí)行功能發(fā)生消極變化[3]。Singh等人采用odd ball范式實驗發(fā)現(xiàn),4 300米海拔組的P3成分的潛伏期延長[4]。Jansen等人發(fā)現(xiàn),海拔升高至4 000米以上時,神經(jīng)心理的差異會隨海拔升高變得更加明顯[5]。Virués-Ortega等人的研究也證實了這一點,他們發(fā)現(xiàn)海拔接近4 100米地區(qū)的兒童的心理運算速度下降[6]。這些研究結(jié)果都顯示,當(dāng)海拔高度超過4 000米時,會損害人的認(rèn)知功能。

工作記憶是否存在認(rèn)知損傷閾限以及空間工作記憶的認(rèn)知損傷閾限是多少的相關(guān)研究甚少。本研究將出生與成長在海拔4 000米以下與4 000米以上地區(qū)的世居者進行比較,探討世居者空間工作記憶認(rèn)知損傷閾限。我們假設(shè)出生且成長在4 000米以上世居者空間工作記憶的認(rèn)知神經(jīng)基礎(chǔ)受到海拔高度的影響,表現(xiàn)在delta與theta頻段的能量值顯著低于4 000米海拔以下地區(qū)的世居者,由此證明4 000米左右海拔是世居者的認(rèn)知損傷閾限。

1 對象與方法

1.1 被試

被試為66名健康的高海拔藏族世居大學(xué)生(右利手,視力正常或者矯正后正常且無其他精神類疾病),年齡范圍20～24歲,均來自西藏大學(xué)。世居大學(xué)生分別來自海拔高度不同的三個地區(qū)(2900米,3700米,4200米)。每個海拔招募了22名被試(男女各11名),三個組之間的被試進行智力分?jǐn)?shù)、年齡、性別等方面的匹配。2 900米海拔組,平均年齡20.96±1.12歲,來自西藏林芝地區(qū);3 700米海拔組,平均年齡21.65±1.14歲,來自西藏山南或日喀則地區(qū);4 200米以上海拔組,平均年齡20.91±1.41歲,來自西藏那曲地區(qū)。對行為數(shù)據(jù)中正確率過低或反應(yīng)時過長,以及腦電干擾太大的兩名被試予以剔除。

1.2 N-back實驗程序

實驗在一間隔音和減光的房間里進行。被試坐在電腦顯示器前,距離顯示屏60厘米。

在n-back任務(wù)中,首先呈現(xiàn)注視點“+”200～400毫秒,隨后呈現(xiàn)300毫秒的1個大寫字母作為目標(biāo)刺激。12個大寫字母(A-L)隨機呈現(xiàn)。目標(biāo)可能出現(xiàn)的位置位于以屏幕中心為圓心、半徑為2或6厘米的假想圓形與3條穿過圓心的等距直線的交叉點上,共12個位置。

要求被試記住字母呈現(xiàn)的位置,忽略字母語音。被試需要確定當(dāng)前呈現(xiàn)的字母位置是否與前一個試次字母的位置一致(1-back),或者與兩個試次前顯示字母的位置一致(2-back)。整個實驗共計368個試次,在1-back與2-back條件下均有184個試次,一致和不一致的試次數(shù)量相等,均為184個試次。同時在一半的試次中,要求被試用左手食指按“F”鍵表示一致的刺激和用右手食指按“J”鍵表示不一致的刺激,另一半試次中要求左右手互換。如果沒有回應(yīng),下一個試次將在1 500毫秒后開始。同時在線記錄反應(yīng)時間(RT)、正確率(ACC)和各試次的詳細反應(yīng)。對反應(yīng)時與正確率進行兩因素方差分析。兩因素分別為條件類型(1-back,2-back)和海拔(2900、3700、4200米)。條件類型為被試內(nèi)變量,組別為被試間變量。方差分析的P值(＜0.05)采用Greenhouse-Geisser法校正。

1.3 腦電記錄

采用NeuroScan ERP記錄與分析系統(tǒng),按國際10～20系統(tǒng)擴展的64導(dǎo)電極帽記錄EEG。在頭頂?shù)腃Z和CPZ中間的點放置參考電極,做離線數(shù)據(jù)分析時數(shù)據(jù)采用雙側(cè)乳突的均值進行重參考。雙眼外側(cè)安置電極記錄水平眼電(HEOG),左眼上下安置電極記錄垂直眼電(VEOG)。信號經(jīng)放大器放大,記錄連續(xù)EEG,模擬濾波為0.05～100 Hz,采樣頻率為500 Hz/導(dǎo),頭皮阻抗＜5kΩ。

1.4 時頻分析方法

時頻分析(TFRs)的計算時間窗為-200～1000ms。時頻分析用短時傅立葉的漢寧窗分析方法(hanning tapermethod),頻率范圍為1～30 Hz,步長為1 Hz。短時傅立葉把每個被試每種條件下的TFRs取平均值,能量值的基線校正為-200～0,在進行基線矯正后,頻譜分析基線的能量值不存在差異。這些計算均使用FiledTrip工具箱運算,在MATLAB軟件 上運行。

圖1 n-back實驗流程圖Figure 1 n-back diagram of experiment

根據(jù)以往n-back范式的研究文獻,共選取13個電極點進行分析：FT7,F5,FC3(左);FPZ,F1,F2,FZ,FCZ,AF3,AF4(中);FT8,F6,FC4(右)。時頻分析的時間窗口主要集中在Delta(1-4Hz 700-800ms)、Theta(4-8Hz 700-800ms)頻段。 對delta、theta頻段的能量值行三因素重復(fù)測量方差分析。三個因素分別為條件負(fù)荷(1-back,2-back)、頭皮位置(左,中,右)和海拔(2900m,3700m,4200m)。本次實驗為三因素重復(fù)測量實驗設(shè)計,條件負(fù)荷與頭皮位置為被試內(nèi)因素,海拔高度為被試間因素。方差分析的P值(＜0.05)采用Greenhouse-Geisser法校正。

2 結(jié)果

2.1 行為結(jié)果

對正確率進行2(任務(wù)負(fù)荷)×3(組別)兩因素方差分析發(fā)現(xiàn),任務(wù)負(fù)荷的主效應(yīng)顯著[F(1,61)=123.423,P＜0.001],1-back的正確率明顯高于2-back的(P＜0.001);沒有發(fā)現(xiàn)其他主效應(yīng)或交互作用。

對反應(yīng)時進行2(任務(wù)負(fù)荷)×3(組別)兩因素方差分析發(fā)現(xiàn),任務(wù)負(fù)荷的主效應(yīng)顯著[F(1,61)=48.501,P＜0.001],1-back條件反應(yīng)時明顯短于2-back條件反應(yīng)時(P＜0.001);沒有發(fā)現(xiàn)其他主效應(yīng)或交互作用。

表1 反應(yīng)時與正確率的平均數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差(M±SD)Table 1 Average and standard deviation of response tim e(RT)and accuracy rate(ACC)

2.2 TFRs結(jié)果

Delta對delta頻段能量值(1-4Hz,700-800ms)進行2(任務(wù)負(fù)荷)×3(組別)×3(電極)三因素重復(fù)測量方差分析發(fā)現(xiàn)組別主效應(yīng)顯著[F(2,61)=9.245,P＜0.001],4 200米海拔組能量值顯著小于2 900米與3 700米海拔組能量值(ps.＜0.05);電極點[F(2,61)=11.849,P＜0.001]主效應(yīng)顯著,表現(xiàn)為左側(cè)與右側(cè)能量值顯著小于中線上能量值(P＜0.05;P＜0.001);任務(wù)負(fù)荷與組別交互作用顯著[F(2,61)=11.887,P＜0.05],表現(xiàn)在4 200米海拔組上,1-back條件負(fù)荷能量值顯著大于2-back條件負(fù)荷能量值(P＜0.001),其余兩組中的條件負(fù)荷間不存在差異。

Theta對Theta頻段能量值(4-8Hz,700-800ms)進行2(任務(wù)負(fù)荷)×3(組別)×3(電極)三因素重復(fù)測量方差分析發(fā)現(xiàn),組別主效應(yīng)顯著[F(2,61)=3.310,P＜0.05],表現(xiàn)為 4 200米海拔組能量值顯著小于2 900米與3 700米海拔組能量值(ps＜0.01);電極點主效應(yīng)顯著[F(2,61)=12.564,P＜0.001],中線能量值明顯大于左側(cè)與右側(cè)能量值(P＜0.05;P＜0.001)。任務(wù)負(fù)荷與組別的交互作用顯著[F(2,61)=3.467,P＜0.05],表現(xiàn)為在2-back條件下,4 200米海拔組能量值顯著小于2 900米與3 700米海拔組能量值(P＜0.05;P＜0.001);在4 200米海拔組,1-back條件負(fù)荷能量值顯著大于2-back條件負(fù)荷能量值(P＜0.001),但是在2 900米與3 700米海拔組中的條件負(fù)荷間不存在顯著差異。

圖2 1-back條件下2900、3700、4200米海拔組的頻率圖Figure 2 Frequency diagrams of 2900,3700 and 4200 altitude group under the 1-back condition

圖3 2-back條件下2900、3700、4200米海拔組的頻率圖Figure 3 Frequency diagrams of 2900,3700 and 4200 altitude group under the 2-back condition

圖4 2900、3700、4200米海拔組的delta頻段能量值的差異腦地形圖Figure 4 Brain topographicmap of power value difference in the delta frequency band of 2900,3700 and 4200 altitude group

圖5 2900、3700、4200米海拔組的theta頻段能量值的差異地形圖Figure 5 Brain topographic map of power value difference in the theta frequency band of 2900,3700 and 4200 altitude group

表2 delta與theta頻段的平均數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)差Table 2 Average and standard deviation of delta and theta frequency band

3 討論

本研究采用空間工作記憶n-back范式,收集來自不同海拔高度的66名藏族大學(xué)生的行為與腦電數(shù)據(jù),并對腦電數(shù)據(jù)進行時頻分析,探討藏族世居者空間工作記憶的認(rèn)知損傷閾限。在行為結(jié)果上沒有發(fā)現(xiàn)三個海拔間的顯著差異,但是從腦電的時頻結(jié)果發(fā)現(xiàn)4 200米海拔組的delta頻段與theta頻段的能量值顯著下降。

反應(yīng)抑制能力是工作記憶中最重要的因素,考察抑制機制可以確定工作記憶的內(nèi)容是否符合記憶要求。抑制效率的降低會使更多無關(guān)信息進入工作記憶,干擾目標(biāo)信息的處理[7]。反應(yīng)抑制能力的降低主要體現(xiàn)為delta頻段能量值的降低[8]。同時,工作記憶能力是指個體對相關(guān)信息暫時性的持有和操作能力[9]。有效信息的維持在工作記憶任務(wù)中至關(guān)重要。信息維持能力通過theta頻段的能量值體現(xiàn),theta頻段能量值的降低與信息維持能力下降有關(guān)[10]。本研究結(jié)果中,4 200米海拔組的delta與theta頻段的能量值低于4 000米以下海拔組,由此表明4 200米海拔組世居者的反應(yīng)抑制與信息維持能力降低。然而,2-back條件負(fù)荷相比1-back條件負(fù)荷的反應(yīng)時更長、正確率更低,可以說明2-back任務(wù)比1-back任務(wù)更難,更需要提高空間工作記憶的反應(yīng)抑制與信息維持能力。然而,在4 200米海拔組,1-back條件類型的delta與theta頻段能量值顯著高于2-back條件類型的能量值,表明4 200米海拔組反應(yīng)抑制與信息維持能力的降低主要體現(xiàn)在執(zhí)行認(rèn)知負(fù)荷高的2-back任務(wù)上,說明任務(wù)難度加大時4 200米海拔組缺少足夠的認(rèn)知資源。與本研究結(jié)果一致的是,Jansen等人的研究發(fā)現(xiàn)生活在4 000米海拔以上的世居者表現(xiàn)出大腦自動調(diào)節(jié)功能的喪失[11]。馬海林等人有關(guān)注意網(wǎng)絡(luò)的研究也發(fā)現(xiàn)超過4 000米時,個體的注意網(wǎng)絡(luò)的定向與執(zhí)行功能顯著下降[12]。本研究還發(fā)現(xiàn),中線部位的delta與theta頻段的能量值顯著高于左側(cè)與右側(cè)的能量值,這與之前的研究結(jié)果一致[13-14],delta頻段的能量值在額葉中心區(qū)域的激活最明顯[15],說明空間工作記憶中反應(yīng)抑制能力的調(diào)節(jié)主要位于額葉中線區(qū)域。同時,Ning的研究結(jié)果顯示睡眠不足會導(dǎo)致前額葉的相位相關(guān)活動減少和延遲[14];Osipova的研究表明額葉中部的theta頻率在工作記憶中起著關(guān)鍵作用[16]。

本研究結(jié)果中,1-back條件反應(yīng)時顯著短于2-back條件反應(yīng)時,同時1-back條件的正確率顯著高于2-back條件的正確率,證明了本次實驗范式的條件負(fù)荷類型的有效性,也表示1-back條件類型需要付出的認(rèn)知資源少于2-back條件類型。然而,在行為數(shù)據(jù)上,三個海拔之間卻沒有發(fā)現(xiàn)顯著差異,這很有可能與所有的被試生活在同一個地方(大約兩年),且我們在同一個海拔地區(qū)收集數(shù)據(jù)有關(guān)。雖然所有被試在工作記憶任務(wù)中的行為表現(xiàn)上沒有顯著性差異,但在相同工作記憶下的delta、theta頻段上存在顯著性差異。這就說明,雖然他們在同一海拔高度生活兩年,但是由于他們從出生到成年早期生活的海拔高度不同導(dǎo)致大腦的神經(jīng)基礎(chǔ)不一致,反映海拔高度對大腦反應(yīng)存在不同程度的影響。

本研究主要發(fā)現(xiàn)4 200米海拔組的delta與theta頻段的能量值顯著低于4 000米以下海拔組,說明4 200米海拔組的反應(yīng)抑制和信息維護能力降低。在先前的研究中,2 900、3 700米的藏族世居者分別與4 200米的世居者相比,后者的定向和執(zhí)行功能得分較低[12],表明長期高海拔暴露可以影響不同海拔地區(qū)的世居者的注意功能,并且在4 000米左右海拔可能存在閾值[17]。本研究結(jié)果中,在基線1-back任務(wù)水平中三組不存在差異,在基線以上2-back任務(wù)水平中,4 200米海拔組的反應(yīng)抑制能力與信息維持能力顯著降低。三組被試的高考成績、年齡以及性別之間都不存在差異,唯一的差異就是出生以及生長的海拔地區(qū)不一致。世居者的生長海拔不一致,導(dǎo)致空間工作記憶能力的差異,由此可以說明,在長期高海拔暴露環(huán)境下,4 000米左右海拔為藏族世居者空間工作記憶的認(rèn)知損傷閾限。

本研究立足于現(xiàn)實的缺氧環(huán)境之中,相對模擬缺氧環(huán)境之下所進行的實驗具有更強的真實性。但本研究只采用了行為與ERP研究,在今后的研究中應(yīng)結(jié)合追蹤設(shè)計和fMRI技術(shù)進行多樣化的研究。