老化對(duì)視覺(jué)注意調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的影響*

曹丹丹 劉祖祥 賴昭宇 呂 釗 舒 偉 王 歡 楊 艷**

（1）安徽大學(xué)，多模態(tài)認(rèn)知計(jì)算安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230601；2）合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心，人工智能研究院，合肥 230088；3）中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所，腦與認(rèn)知科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；4）中國(guó)科學(xué)院大學(xué)中丹學(xué)院，北京 100049；5）首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院，功能神經(jīng)外科，北京 100053）

老化會(huì)導(dǎo)致大腦感知覺(jué)系統(tǒng)的明顯衰退。在視覺(jué)系統(tǒng)中，老年人的視覺(jué)感知能力存在多方面的損傷。在排除黃斑病變、青光眼、白內(nèi)障等眼科疾病的影響后，與青年人相比，老年人存在視銳度下降［1-2］、中高頻段對(duì)比敏感度降低［3］、方位辨別能力下降［4］、運(yùn)動(dòng)信息處理能力下降［5-6］等狀況。這些視覺(jué)感知能力的損傷與老化導(dǎo)致的大腦γ氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）能抑制性系統(tǒng)衰退密切相關(guān)［7-8］。老化同樣能夠?qū)е抡J(rèn)知能力出現(xiàn)改變，如注意［9］等。與青年人相比，老年人背側(cè)前額葉和頂葉等與注意功能相關(guān)的皮層區(qū)域活動(dòng)存在顯著的升高［10-11］。事件相關(guān)電位的研究表明，在注意任務(wù)中老年人對(duì)需要忽視事物的神經(jīng)活動(dòng)并沒(méi)有出現(xiàn)下降，對(duì)需要注意事物的神經(jīng)活動(dòng)則出現(xiàn)了增強(qiáng)，老年人選擇性注意的執(zhí)行效率顯著低于青年人，而且難以抑制大腦對(duì)需要忽視事物的神經(jīng)活動(dòng)［12］。功能核磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）的研究也支持老年人在抑制任務(wù)無(wú)關(guān)神經(jīng)活動(dòng)方面存在損傷［13-14］，而且這種損傷還與工作記憶任務(wù)表現(xiàn)的下降相關(guān)［14］。

注意網(wǎng)絡(luò)由背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)（dorsal attention network， DAN） 和 腹 側(cè) 注 意 網(wǎng) 絡(luò)（ventral attention network，VAN）組成［15-16］。背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)主要由額葉眼動(dòng)區(qū)（frontal eye field，F(xiàn)EF）和頂內(nèi)溝/頂上小葉（intraparietal sulcus/superior parietal lobule，IPs/SPL）組成，對(duì)視覺(jué)刺激進(jìn)行自上而下（top-down）的處理，負(fù)責(zé)內(nèi)源性目標(biāo)驅(qū)動(dòng)和外源性注意定向。腹側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)主要包括顳頂聯(lián)合區(qū)（temporoparietal junction，TPJ）和腹側(cè)額葉區(qū)域（ventral frontal cortex，VFC），其中TPJ 由頂下小葉/顳上回（inferior parietal lobule/superior temporal gyrus，IPL/STG）組成，VFC 由額下回和額中回（inferior frontal gyrus/middle frontal gyrus，IFg/MFg）區(qū)域組成。當(dāng)新穎的凸顯刺激目標(biāo)出現(xiàn)時(shí)，VAN 可以進(jìn)行刺激驅(qū)動(dòng)的注意控制，打破DAN 自上而下的注意控制，從而實(shí)現(xiàn)注意的轉(zhuǎn)移［15-17］。DAN中的IPs和FEF區(qū)域也會(huì)受到刺激驅(qū)動(dòng)的調(diào)控，當(dāng)視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)到未被注意的凸顯刺激時(shí)，TPJ 和IPs 之間的連接也能夠打破自上而下的注意控制［15］。

注意網(wǎng)絡(luò)也會(huì)隨著年齡的增加發(fā)生改變。在注意任務(wù)中，老年人腹側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)的損傷與背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)相比更加嚴(yán)重，但這兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間的功能連接依然存在［18］。通過(guò)獨(dú)立成分分析對(duì)腹側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)的功能連接進(jìn)行研究，人們發(fā)現(xiàn)，在執(zhí)行注意任務(wù)時(shí)，老年人腹側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存在更多的功能連接，該網(wǎng)絡(luò)的跨半球改變也與年齡相關(guān)［19］。最近，另一項(xiàng)靜息態(tài)fMRI 研究表明，認(rèn)知能力的損傷和老化都表現(xiàn)為腹側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)內(nèi)功能連接的降低，而背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)在老化過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)明顯的損傷［20］。然而也有研究發(fā)現(xiàn)，與青年人相比，老年人背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的功能連接出現(xiàn)下降，網(wǎng)絡(luò)間功能連接出現(xiàn)上升［21］。線索提示的注意任務(wù)中，當(dāng)要求被試注意任務(wù)相關(guān)的線索目標(biāo)時(shí)，注意相關(guān)的背側(cè)前額葉和頂葉區(qū)域在青年人和老年人中均出現(xiàn)激活，但是老年人注意網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的功能連接出現(xiàn)了損傷［22］。當(dāng)線索提示面孔刺激出現(xiàn)時(shí)，青年人梭狀回面孔區(qū)和背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)之間的功能連接顯著高于老年人［23］。

本項(xiàng)研究使用雙目標(biāo)注意任務(wù)的實(shí)驗(yàn)范式，通過(guò)腦電圖（electroencephalogram，EEG）采集青年人和老年人在執(zhí)行注意任務(wù)期間的腦神經(jīng)電活動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，在目標(biāo)的視覺(jué)信息發(fā)生改變時(shí)，其誘發(fā)的視覺(jué)注意調(diào)控網(wǎng)絡(luò)腦電活動(dòng)的變化在不同年齡組人群中存在差異。這種差異同時(shí)也存在性別上的不同。本研究結(jié)果能夠?yàn)槔斫饫匣鸬囊曈X(jué)注意調(diào)控網(wǎng)絡(luò)損傷提供更多的證據(jù)。

1 材料與方法

1.1 被試

本研究共招募了50位被試參與實(shí)驗(yàn)，依據(jù)年齡分為兩組：青年組和老齡組，其中青年組30位被試，男性、女性各15 位，年齡（24±1.3）歲（mean±SD）；老齡組20 位被試，包括12 位女性和8 位男性，年齡（65.7±8.4）歲。被試均有正?；虺C正至正常的視力。研究經(jīng)合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心人工智能研究院倫理委員會(huì)及首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院倫理委員會(huì)審批通過(guò)，所有被試均簽署知情同意書(shū)。

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖1 所示。視覺(jué)刺激采用E-studio軟件實(shí)現(xiàn)。十字注視點(diǎn)和其兩側(cè)的目標(biāo)刺激均為2.5°視角，目標(biāo)刺激距十字注視點(diǎn)13.5°視角。十字注視點(diǎn)為黑色（RGB：0，0，0），目標(biāo)刺激為深灰色（RGB：51，51，51），呈現(xiàn)在白色（RGB：255，255，255）背景上。屏幕距離被試的距離設(shè)置為65 cm。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之后，屏幕會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)語(yǔ)，告知被試放松身體盡量保持不動(dòng)，被試按任意鍵，試次（trial）開(kāi)始，屏幕中心出現(xiàn)十字注視點(diǎn)，整個(gè)trial 內(nèi)被試被要求保持對(duì)中心十字的注視。十字注視點(diǎn)呈現(xiàn)1 000~2 000 ms后在十字的左右兩邊同時(shí)出現(xiàn)視覺(jué)刺激，并呈現(xiàn)800~1 200 ms。隨后視覺(jué)刺激發(fā)生改變（圖1a）或者保持不變（圖1b），呈現(xiàn)1 000 ms。根據(jù)視覺(jué)刺激的變化情況，實(shí)驗(yàn)分為視覺(jué)刺激變化和不變兩種條件，每個(gè)條件下包含50個(gè)試次，共100個(gè)試次。

Fig.1 Visual stimuli and experimental procedure

1.3 數(shù)據(jù)采集

本研究中受試的腦電數(shù)據(jù)使用美國(guó)EGI公司生產(chǎn)的GES400 設(shè)備采集，實(shí)驗(yàn)采用了EGI 設(shè)備配套的64 通道電極帽，電極分布遵循10-20 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，電極位置分布如圖2a 所示，采集系統(tǒng)是EGI 配套的 Net station Acquisitio 軟件。采樣頻率為250 Hz，阻抗小于50 kΩ。

Fig.2 Electrode location and extraction of region of interest （ROI）

1.4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

完成數(shù)據(jù)采集之后，采用EGI 設(shè)備自帶的Net Station Tools 軟件對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理流程如下，首先進(jìn)行1~50 Hz 的帶通濾波和50 Hz 的陷波濾波去除50 Hz的工頻干擾，以視覺(jué)刺激改變?yōu)榱泓c(diǎn)，提取零點(diǎn)起始前200 ms 和后800 ms 共1 000 ms的數(shù)據(jù)，對(duì)每個(gè)分段用前200 ms的數(shù)據(jù)進(jìn)行基線校準(zhǔn)。之后用Matlab 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。

經(jīng)過(guò)分段處理之后，對(duì)于每個(gè)被試，每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件可以獲得50 個(gè)試次的分段，對(duì)每個(gè)分段求其功率譜密度（power spectral density，PSD），使用短時(shí)傅里葉求功率譜密度，窗函數(shù)采用漢明窗，窗口長(zhǎng)度為200 ms，重疊窗長(zhǎng)100 ms。對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件求得的功率譜密度采用三倍標(biāo)準(zhǔn)差去除特異值進(jìn)行處理，即將50 個(gè)功率譜的每個(gè)點(diǎn)與平均值差值大于三倍標(biāo)準(zhǔn)差的值用平均值替代。然后將處理過(guò)的每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件的50 個(gè)功率譜密度求平均功率譜密度。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

完成數(shù)據(jù)預(yù)處理后，統(tǒng)計(jì)比較被試每個(gè)電極位點(diǎn)在刺激改變和不變兩種實(shí)驗(yàn)條件下的平均功率譜密度（圖2b）。對(duì)青年組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，圓盤(pán)改變和不變時(shí)引起的大腦活動(dòng)差異主要集中在額葉和頂葉的電極位點(diǎn)，而且有顯著差異的功率譜密度集中分布在頻率范圍1~20 Hz、時(shí)間200~800 ms的區(qū)域內(nèi)（圖2b）。將該區(qū)域設(shè)定為本研究的感興趣區(qū)（region of interest，ROI），比較不同年齡人群在兩種實(shí)驗(yàn)條件下該ROI內(nèi)不同腦區(qū)的神經(jīng)活動(dòng)差異。分別對(duì)青年組和老年組被試兩種實(shí)驗(yàn)條件下的腦電活動(dòng)逐電極位點(diǎn)進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)，可以獲得t值分布的地形圖。

為了進(jìn)一步探究注意網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化的性別差異，將被試分為4 組，即青年男性組、青年女性組、老年男性組和老年女性組，探究性別與注意網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化之間的關(guān)聯(lián)。

2 結(jié) 果

首先比較刺激改變和不變兩種條件下被試大腦活動(dòng)的差異。圖3a 的地形圖展示了青年組兩種條件配對(duì)t檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量t值，圖3c 展示了大腦活動(dòng)出現(xiàn)顯著性改變的電極通道，主要集中于額葉和頂葉區(qū)域，且表現(xiàn)為刺激改變條件下的大腦活動(dòng)強(qiáng)于刺激不變化條件下的大腦活動(dòng)。這些結(jié)果表明，在注意任務(wù)中，視覺(jué)刺激發(fā)生改變后，青年組被試的腦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了明顯的改變。然而在老年組中并沒(méi)有觀察到類似的現(xiàn)象（圖3b，c），說(shuō)明老年組被試在執(zhí)行注意任務(wù)時(shí)，腦網(wǎng)絡(luò)并沒(méi)有隨刺激的改變而出現(xiàn)相應(yīng)的變化。

Fig.3 Differences between two experimental conditions in the two groups

圖4 展示了將兩組人群按照性別分成4 組，分性別對(duì)視覺(jué)刺激改變和不變兩種實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)的結(jié)果。在青年組女性被試中，刺激改變引起的腦電活動(dòng)在額葉區(qū)域和頂葉區(qū)域一些電極上顯著高于刺激不變時(shí)的腦電活動(dòng)。FCz（t=2.401 2，df=14，P=0.030 8），F(xiàn)P1（t=2.045 0，df=14，P=0.013 9），E63 （t=2.448 4，df=14，P=0.028 1），P5（t=2.611 7，df=14，P=0.020 5），P7（t=2.482 0，df=14，P=0.026 4）。而青年組男性在兩個(gè)顳葉電極T9 和T7 上表現(xiàn)出刺激改變顯著大于刺激不變。T7（t=2.256 3，df=14，P=0.040 6），T9（t=2.256 3，df=14，P=0.011 6）。老齡組女性在兩個(gè)額葉電極上表現(xiàn)出刺激改變時(shí)的腦電活動(dòng)顯著小于刺激不變時(shí)的腦電活動(dòng)，F(xiàn)Cz（t=-2.710 8，df=11，P=0.020 3），E62（t=-2.419 3，df=11，P=0.034 0），而老齡組男性在所有電極上均未出現(xiàn)顯著性差異。

Fig.4 Sex difference under attention task was observed in both groups

3 討 論

本研究基于EEG 采集到的青年人和老年人大腦神經(jīng)電活動(dòng)，研究了在注意任務(wù)中視覺(jué)刺激改變誘發(fā)的腦網(wǎng)絡(luò)變化在不同年齡組人群中的差異。發(fā)現(xiàn)青年人額葉、頂葉和顳葉區(qū)域電極記錄到的腦電活動(dòng)會(huì)隨著視覺(jué)刺激的改變而發(fā)生變化，但是視覺(jué)刺激并未誘發(fā)老年人腦網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的顯著改變。這提示在注意任務(wù)中，老年人的腦網(wǎng)絡(luò)難以及時(shí)地應(yīng)對(duì)刺激信息的變化。同時(shí)，在青年人和老年人群體中均觀察到了腦網(wǎng)絡(luò)變化存在的性別差異。

在老化過(guò)程中，大腦背側(cè)和腹側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)均出現(xiàn)了改變［18-21］。生酮干預(yù)能夠顯著增加老年人背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的白質(zhì)纖維束密度和功能連接，提高老年人在注意相關(guān)的認(rèn)知測(cè)試中的表現(xiàn)［24］。在靜息和任務(wù)狀態(tài)下老年人背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)與默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)之間還存在顯著的反相關(guān)關(guān)系［21，25-26］。對(duì)老年大鼠的研究表明，前額葉皮層的損傷能夠削弱老年大鼠的注意能力，頂葉皮層內(nèi)膽堿能神經(jīng)元的衰退能夠改變前額葉皮層的動(dòng)態(tài)激活從而弱化注意能力［27］。本研究結(jié)果表明，在注意任務(wù)中，刺激誘發(fā)的視覺(jué)注意調(diào)控網(wǎng)絡(luò)改變可以在青年人中觀察到，而老年人沒(méi)有表現(xiàn)出顯著性的變化，這說(shuō)明老化也伴隨著視覺(jué)注意調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的損傷。注意網(wǎng)絡(luò)中，背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)主要進(jìn)行自上而下的控制，腹側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)刺激驅(qū)動(dòng)的響應(yīng)，能夠打破自上而下的控制從而將注意力轉(zhuǎn)移到新穎的目標(biāo)物體上［15-17］。本研究中，被試在執(zhí)行注意任務(wù)時(shí)視覺(jué)刺激會(huì)出現(xiàn)變化，所觀察到的腦電信號(hào)的改變可能主要來(lái)自TPJ和VFC組成的腹側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)活動(dòng)變化。

此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，視覺(jué)刺激改變引起的EEG 活動(dòng)變化存在性別差異。青年女性中EEG 活動(dòng)的改變主要集中在額葉和頂葉電極上，而青年男性的EEG 活動(dòng)改變則表現(xiàn)在顳葉電極。在老年人中，女性額葉電極出現(xiàn)了顯著的EEG 活動(dòng)改變，而男性所有電極通道均沒(méi)有表現(xiàn)出活動(dòng)的變化。這些結(jié)果與前人在注意網(wǎng)絡(luò)的性別差異方面的研究成果是一致的。事件相關(guān)電位的研究表明，在注意任務(wù)中，女性右側(cè)前額葉和枕葉區(qū)域的激活更強(qiáng)［28］。在獎(jiǎng)勵(lì)/懲罰任務(wù)中，與男性相比，女性的注意能力更強(qiáng)，默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)被抑制而背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)存在更強(qiáng)的激活［29］。

老化過(guò)程伴隨著感知覺(jué)能力和認(rèn)知能力的多方面損傷。本研究使用了經(jīng)典的雙目標(biāo)注意任務(wù)實(shí)驗(yàn)范式，為了減輕老年人在實(shí)驗(yàn)中的任務(wù)壓力，不要求被試報(bào)告是否檢測(cè)到了視覺(jué)目標(biāo)刺激的改變。在注意任務(wù)中，老年人與青年人在腦網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)方面的差異，表明采用的雙目標(biāo)注意任務(wù)可較靈活方便地用于老年人認(rèn)知能力檢測(cè)，具有一定的臨床應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié) 論

注意是一種重要的認(rèn)知功能，本文發(fā)現(xiàn)，刺激誘發(fā)的視覺(jué)注意調(diào)控網(wǎng)絡(luò)改變存在于青年人中，而不存在于老年人中，同時(shí)這種改變還存在性別差異。因此，本研究表明老化過(guò)程中伴隨著視覺(jué)注意調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的功能損傷。