额极功能在工作记忆中的年龄差异

史 洁 王 英 谷田正弘 尹明星 王 静 耿同超 酒谷薰 左焕琮

(清华大学医学院 清华大学玉泉医院，北京 100049)

工作记忆(WM)属短时记忆的范畴，是指个体在执行认知任务时，可短时存储和保持信息的能量有限的系统〔1〕，是许多高级认知功能的基础。正常成人的WM能力随增龄而逐渐下降，其背后的神经机制可能与前额叶(PFC)的老化性改变，如不成比例的PFC皮层萎缩、功能改变等有关。额极位于PFC的前部，主要由BA 10区组成，是人类PFC中范围最大的细胞构筑区域。近年来一项fMRI研究发现伴随老化出现的工作记忆能力下降与额极激活模式改变有关〔2〕。近红外光学成像技术(NIRS)，具有完全无创、检测环境接近于日常生活环境、不需严格运动限制等优势，可检测认知任务、运动〔3，4〕等诱发的脑激活，检测结果与BOLD fMRI具有很好的一致性。本研究应用NIRS，研究额极功能与随增龄出现的WM成绩下降的关系。

1 对象与方法

1.1对象 所有被试者均为女性健康人，青年组8人〔年龄(21.7±0.9)岁〕，中年组7人〔年龄(47.2±1.3)岁〕。所有被试均为右利手(爱丁堡利手评分)。两组的受教育程度基本匹配。所有受试者均无神经系统疾病、精神疾病、心血管疾病等病史，均未服用任何药物；在检查当日均不使用咖啡、可乐、茶和香烟。所有受试者在充分了解实验内容和步骤后，均签署知情同意书。

1.2方法

1.2.1实验任务和步骤 采用斯腾伯格项目再认任务，被试者于实验开始前练习该任务数分钟以充分熟悉方法。该任务使用SuperLab4.0软件在电脑上呈现，被试者面对电脑屏幕，距离约60 cm，任务开始后，屏幕中间呈现“+”持续80 s，随后屏幕上呈现一个数字，持续1 s后消失，2 s后检测数字显示，要求被试越快越正确地判断是否该数字与刚才的数字相同，按下“是”或“否”键；接着屏幕上呈现一组6个不同的数字，持续1 s，接着该信号消失，2 s后1个检测数字显示，要求被试越快越正确地判断是否该数字在刚才显示的数字序列中出现过，按下“是”或“否”键；然后开始重新呈现一轮数字序列，再进行判断，共8组。任务期结束后，屏幕中间再次呈现“+”持续80 s。

1.2.2NIRS检测 采用TRS-20时间分辨近红外线光谱仪(TRS-20，滨松光子学株式会社，日本)测量斯腾伯格任务诱发的额极皮层血红蛋白浓度改变。该系统采用近红外线(波长为760、800和830 nm)经发射光纤引导至额部，经探测光纤接收近红外光，可测量生物组织的平均光路长度(PL)；可连续测量大脑皮层氧合血红蛋白(Oxy-Hb)、脱氧血红蛋白(Deoxy-Hb)、总血红蛋白(Total-Hb)的相对变化。使用2个发射光纤分别与2个探测光纤(光极间距4 cm)组成2个通道(CH)，CH位于发射光纤和探测光纤连线的中点。对头皮标志点进行测量，使CH1位于FZ右侧4 cm，CH2位于FZ左侧4 cm。使用光纤支架和头带将光纤固定，使光纤与头皮紧密相贴。

为确保CH位于双侧额极，分别对青年组和中年组中各1名被试的CH位置进行评估，使用Siemens 1.5T NOVUS磁共振扫描仪，标准正交头颅线圈，进行全脑矢状位薄层扫描(TR 1 770 ms，TE 2.07 ms，翻转角15°，平均次数2次，像素128*128，FOV260*260，层厚1 mm，层数256)；使用三维定位测量系统(FASTRAK-Polhemus，美国)测量纤维支架上光极和头皮标志点的空间位置；然后采用Fusion软件(岛津，日本)将该位置数据与MRI测得的解剖表面相融合，明确CH位于双侧额极。

斯腾伯格项目再认任务期间，使用TRS-20检测额极血红蛋白浓度相对变化，其检测原理为修正比尔-郎伯定律。Oxy-Hb是最敏感的脑激活依赖性局部脑血流改变的标志物，故采用Oxy-Hb值作为分析指标。对基线期的最后30 s和任务期后60 s分别取平均值后相减，表示为ΔOxy-Hb=任务-基线，分别计算2个CH的ΔoxyHb。为评价前额叶右侧与左侧相比ΔOxy-Hb的不对称性，计算偏侧指数Δoxy-Hb〔右-左〕，偏侧指数正值表示右侧额极相对左侧额极而言Oxy-Hb升高更明显，负值表示左侧额极相对右侧额极而言Oxy-Hb升高更明显。

1.3统计学方法 采用SPSS16.0软件行独立样本t检验。

2 结 果

2.1额极激活偏侧性分析

2.1.1光路长度 两组的双侧额部平均PL左侧和右侧相比均无显著差异〔青年组：左侧(25.84±1.58)mm，右侧(25.8±1.62)mm，P=0.917；中年组：左侧(27.04±1.62)mm，右侧(27.08±1.86)mm，P=0.86〕。两组合并计算左侧与右侧相比PL仍无显著差异〔左侧(26.44±1.83)mm，右侧(26.44±1.86)mm，P=0.993〕。中年组与年轻组相比，PL无显著差异(左侧P=0.159，右侧P=0.134)。故对额极进行血红蛋白浓度变化的左、右侧对比是合理的。

2.1.2中年组和青年组额极激活偏侧性的差异 中年组和青年组进行斯腾伯格任务时双侧额极的Oxy-Hb变化模式不同，中年组表现为双侧额极Oxy-Hb都升高，而青年组表现为右侧额极的Oxy-Hb升高较左侧额极显著。Total-Hb变化也表现出与Oxy-Hb相似的模式。

进行斯腾伯格任务时，青年组Oxy-Hb的偏侧指数为0.22±0.38，中年组偏侧指数为-0.16±-0.22，P=0.048。

2.2斯腾伯格任务成绩 在斯腾伯格任务中，青年组和中年组相比低记忆负荷和高记忆负荷任务的正确率无统计学差异。青年组和中年组低记忆负荷任务中反应时间(RT)无统计学差异(P>0.05)，而在高记忆负荷任务中，中年被试的RT显著长于青年组(P<0.05)。见表1。

表1 两组斯腾伯格任务成绩比较±s)

3 讨 论

本研究结果支持老化过程中，额极激活的偏侧性发生变化，符合Cabeza〔5〕提出的老化对认知任务中的脑激活影响的 HAROLD模型，HAROLD模型含义是，在相似实验条件下，认知任务中PFC激活的偏侧性随着老化而趋向于减弱，且认为该现象反映了一般性老化现象，而与认知任务的类型无关。多项有关情景记忆、语义记忆、WM、感知和抑制控制的神经影像研究支持该理论，也有少数研究不支持该理论。而我们的研究结果支持HAROLD模型，且提示随老化出现的PFC偏侧性减弱的HAROLD模式可以早在中年阶段就可表现出来。还有其他研究也发现随老化在WM任务中PFC激活的偏侧性变化，表现为在青年组为右侧优势而老年组为左侧优势，与我们的结果略有不同。如一项fMRI研究利用项目再认任务，发现老化对PFC激活的影响是不对称性的，老年人以左侧PFC激活优势而年轻人为右侧激活优势〔6〕。本研究中的中年组额极呈双侧激活模式而非左侧激活优势，可能与本研究只纳入女性被试、中年组与以上研究相比相对年轻等因素有关。

这种与老化有关的额极激活优势的机制仍不清楚，存在多种假说，一种认为老年人左侧额极激活增强可能反映了工作记忆过程的代偿机制，这种解释与项目记忆在老化过程中趋向于相对保留的现象是一致的。伴随老化出现认知资源下降、认知处理速度减慢〔7〕，与年轻人相比老年人面对相同的任务时复杂性相对高。因而，老年人可能采用代偿性策略以成功完成超能力工作记忆任务。例如，老年人可能相对侧重于使用编码过程，当记忆任务需要额外编码过程时左侧PFC激活增强。此外，代偿性机制与PFC功能组织等级理论一致，该理论认为信息流在PFC从后向前，而额极是该等级模型的顶端，当低水平系统失败时额极才被募集。

另一种假说认为，老化过程中出现的右侧额极激活优势减弱，可能提示右侧额极出现了功能障碍。一些WM或情景记忆研究发现，正常老年被试的右侧额极不被激活，或者激活的程度低于青年被试〔8，9〕。脑行为学研究发现，老年被试的右侧PFC在WM中可以激活，但激活对WM成绩没有帮助。例如，一项研究〔10〕显示，老年被试的右侧PFC激活与较差的WM成绩有关，但在青年被试未发现此种现象。Cabeza等〔8〕的研究发现，青年被试和WM成绩差的老年被试可观察到右侧PFC激活，而成绩好的老年被试右侧PFC不激活。这些研究结果支持老化过程干扰了右侧PFC的正常功能。老化过程中出现的WM中右侧额极激活优势减弱，提示该区域可能出现了脑区特异性老化改变。有研究使用高分辨率MRI发现老化伴随着双侧额极皮层萎缩，而右侧额极皮层萎缩相对左侧范围更大〔11〕。

本研究为阐明伴随增龄出现的WM能力下降的神经基础提供了证据，结果支持额极功能随着老化过程发生了改变，表现为右侧额极激活优势减弱，符合HAROLD模型，且提示随老化出现的PFC偏侧性减弱的HAROLD模式可以早在中年阶段表现出来。推测可能与老化过程中左侧额极的功能性代偿、右侧额极的功能障碍有关。

4 参考文献

1Baddeley A.Working memory：looking back and looking forward〔J〕.Nat Rev Neurosci，2003；4(10)：829-39.

2Rypma B，Prabhakaran V，Desmond JE，etal.Age differences in prefrontal cortical activity in working memory〔J〕.Psychol Aging，2001；16(3)：371-84.

3Cui X，Bray S，Bryant DM，etal.A quantitative comparison of NIRS and fMRI across multiple cognitive tasks〔J〕.Neuroimage，2011；54(4)：2808-21.

4Huppert TJ，Hoge RD，Diamond SG，etal.A temporal comparison of BOLD，ASL，and NIRS hemodynamic responses to motor stimuli in adult humans〔J〕.Neuroimage，2006；29(2)：368-82.

5Cabeza R.Hemispheric asymmetry reduction in older adults：the HAROLD model〔J〕.Pshchology Aging，2002；17(1)：85-100.

6Cabeza R，Anderson ND，Houle S，etal.Age-related differences in neural activity during item and temporal-order memory retrieval：a position emission tomography study〔J〕.J Cogn Neurosci，2000；12(1)：197-206.

7Rypma B，Eldreth DA，Rebbechi D.Age-related differences in activation-performance relations in delayed-response tasks：a multiple component analysis〔J〕.Cortex，2007；43(1)：65-76.

8Cabeza R，Anderson ND，Locantore JK，etal.Aging gracefully：compensatory brain activity in high-performing older adults〔J〕.Neuroimage，2002；17(3)：1394-402.

9Grady CL，McIntosh AR，Rajah MN，etal.The effects of age on the neural correlates of episodic encoding〔J〕.Cereb Cortex，1999；9(8)：805-14.

10Rypma B，D′Esposito M.Isolating the neural mechanisms of age-related changes in human working memory〔J〕.Nat Neurosci，2000；3(5)：509-15.

11郑东明，孙洪赞，董晓宇，等.应用基于体素的形态测量学分析工作记忆老化的脑灰质萎缩基础〔J〕.中国神经影像技术，2012；28(7)：1277-81.