语言认知老化的神经基础

李庭韫

摘要：在生理老化的过程中，大脑结构以及认知功能会随着生理老化产生一系列变化，因此，老年人的语言加工神经基础及其特点成为一个受到研究者广泛关注的课题。现目前对认知老化的研究主要集中于一般认知功能的研究，语言加工上的研究成果不多。本文首先从解剖学角度出发，介绍大脑生理老化后结构性变化以及与之相对应的行为上的改变。然后将一般认知功能的理论与相关的语言加工实验相结合介绍了语言加工老化的主要研究成果;最后对语言加工老化的研究进行总结提出展望。

关键词：语言加工;认知老化;神经机制;脑成像

语言认知功能是人类特有的认知活动，语言加工过程的复杂性和人类精细的神经系统紧密相连，因此研究语言认知领域也是心理学研究以及相关交叉学科的重要领域。对语言认知老化的神经生理机制的探索，有助于深入了解语言加工原理和程序，也能通过语言功能考察认知老化的生理机制，为脑功能障碍的研究提供有效支持。而20世纪70年代脑成像技术特别是正电子发射型计算PASA模型（posterior-anterior shift in aging），即老年人脑区激活由后部向前部转移模式机断层显像（positron emission computed tomography，PET）和功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）的應用，则为研究者提供了更为安全、精细的途径来研究大脑在认知过程中的活动特征。现如今，核功能成像技术已成为研究认知老化神经机制的重要手段，不断推动语言认知老化研究的进展。

一、生理老化对于语言加工行为成绩的影响

然而，大脑结构因老化而产生的变化对不同的认知功能的影响是相同的吗？语言功能和执行工功能以及其他一般认知功能是依赖同一套生理机制进行加工的吗？（过渡句）现有研究发现，虽然一般认知功能会因为生理老化严重显著萎缩，很多的语言加工功能在老年期仍能得到较好的保持。在语义加工和语言理解方面，年轻人和老年人都表现出相近的加工能力。例如，老年人比年轻人拥有更多词汇积累量;老年人和年轻人在句子理解上都能利用字面和修饰性语境帮助理解句子。但在复杂句子加工中，老年人和年轻人在语言加工中有所差异，表现在生理老化与句子加工成绩呈负相关。复杂句子的加工对工作记忆系统要求更高，例如歧义句的加工以及复杂句法的加工。已有的脑成像研究也发现老年人在额叶区出现的显著老化，而额叶为工作记忆和执行功能这两种认知加工提供生理基础。因此，不同的加工任务中老年人和年轻人的行为成绩则有不同程度上的差异。在难度不大的语言加工中，生理老化对于语言加工影响不显著;任务难度较大时，老年人的加工成绩便显著低于年轻人的加工成绩。

二、灰质白质增减情况

与老化同时发生的，还有大脑体积下降，这可能与某些认知功能衰退相关。灰质面积早在青春期后期开始下降，而白质密度和面积在经历青少年时期的增加后，逐渐在30岁之后开始减少。老化对脑白质完整性造成影响，大脑结构随着老化发生的改变，额叶、左后颞叶等发展最迟的脑区的白质和灰质对衰老表现最为敏感。生理老化带来的灰质密度和面积的衰退在额叶最为明显。大脑白质的衰减也呈现相似的神经生理结构变化模式。这些脑区与认知执行功能和工作记忆等认知功能有密切关系，它们的老化使得认知执行功能和工作记忆加工效率降低。

三、老年人生理脑区激活状况及其相关理论

除了老年人和年轻人在大脑结构中的差异，两者在加工过程中的大脑激活模式也不同。现有的研究发现两个方面的差异：（1）老年人语言加工过程中任务相关的脑区激活程度低于年轻人。（2）任务态功能影像学研究发现老年人局部脑区的过度“激活”现象，即老年人在语言加工过程中激活了更多其他脑区，例如双侧化脑区同时激活以及前额的额外激活。针对老年人在语言加工过程中过度“激活”现象，研究者们分别从补偿理论和去分化理论两个角度加以解释。

（一）补偿理论

补偿观点认为，由于某些认知加工功能衰退，老年人在语言加工上做出了策略调整，更多表现出自上而下的加工方式，与年轻人的语言加工模式有了质的差异。这种差异反映到认知加工的神经机制当中，表现为老年人募集其他脑区，对其加工激活以对抗认知功能下降。

因此，为了产生和年轻人一样多的认知资源，老年人需要利用额外的大脑脑区。1994年Grady等在一项研究人脸感知和位置的研究中发现，在两种任务条件下，和年轻人相比，老年人的枕颞区激活下降，而在前脑区包括前额叶的激活增强。他们认为老年人通过激活更高级的认知过程（前额叶活动增强）以补偿视觉加工的衰退（枕叶活动减弱）。老年人语言加工的补偿机制主要有以下几种模式。以下将分别介绍HAROLD模型、PASA模型、CRUNCH模型和STAC模型。

1.HAROLD模型。第一种叫HAROLD模型（Hemispheric Asymmetry Reduction in OLDer Adults），则指出年轻人的脑激活在前额叶表现出单侧化优势，老年人则在前额叶表现为双侧脑区激活模式。该模型由Cabeza和Grady于1997年提出，他们在1997通过研究情景记忆的编码和提取中的大脑老化现象中发现情景记忆的编码和提取的大脑单侧化优势，即年轻被试组的脑活动呈现为前额叶半球不对称性，编码过程中左前额叶得到激活，在提取过程中右前额叶得到激活;而老年人在编码过程中在提取过程了呈现出前额叶的双侧的激活。相关研究者认为，这种随着老化发生的改变是一种补偿机制，为了弥补老化带来的神经萎缩和缺陷，老年人中会调动两侧大脑来完成以前只需单侧大脑完成的任务。Tyler等（2010）采用了fMRI技术研究老年人的句法加工情况。他们采用了词汇监测任务，该任务将对工作记忆的需求最小化。结果发现，在句法加工中，老年人的右半球额颞区激活增强。而已有研究表明句法加工激活的典型脑区是左侧额颞区。这一结果表明老年人的句法加工从左半球额颞区激活发展成了双侧额颞区激活模式，支持了补偿假说。以上研究成果表明，老年人语言加工过程中神经系统的重新组织，即脑区的激活并不局限于语言加工涉及的脑区系统，也会对主管其他认知功能脑区加以调用（例如涉及执行功能、工作记忆的前额叶），以对抗认知功能下降。老化减少了认知加工资源，出现了认知功能缺失和损害，因此，老化大脑需要利用其他的脑区进行弥补，产生和年轻人同等的认知资源。HAROLD 模型反映了增强对侧脑区的激活以补偿老化而带来的认知功能衰退。

2.PASA模型。PASA模型（posterior-anterior shift in aging），即老年人脑区激活由后部向前部转移模式。该模型则认为，老化导致脑区激活的重新组织，具体表现为由枕-颞区向前额叶的转移，即如果执行任务的低级脑区因老化而导致功能衰退，则会通过募集高级脑区作为代偿。1994年Grady等人通过PET技术研究人脸匹配和位置匹配时发现，与年轻被试相比，老年被试在枕颞区的激活较弱而前部脑区包括前额叶皮质的激活增强。研究者认为，视觉加工中的因老化带来的大脑激活变化表明，年轻被试只需调动枕颞叶就能有效完成任务而老年人则更多依赖于前额叶脑区高级认知功能来提高加工效率弥补由空间视觉的缺损。Grossman等（2002）采用fMRI对年轻被试和老年被试进行言语理解实验，让他们被试执行句子理解任务，并且为了判断被试是否理解句子含义，任务中设置探测性问题。结果发现，年轻被试和理解任务中成绩优秀的老年被试在脑区激活上存在差异，年轻被试的左顶叶激活强于老年被试，而成绩优秀的老年被试的大脑则表现出更强的前部激活，包括左前运动皮层、左下前额皮层的激活。在另一项言语理解的fMRI研究中，研究者采用了句法难度不同和呈现语速不同的短句，要求被试判断句子的主语是男性还是女性，以检查是否理解了句子。结果发现，与年轻人相比，老年人的左额下回的激活减弱，但是前部脑区的激活增强，该结果与补偿假说相符。Shafto和Tyler （2014）在其研究中发现， 在句法加工任务中， 老年人被试的前额活动明显增强， 而且对句法任务成绩较好的老年人分析发现， 其前额脑区和颞叶中部的两侧都有明显激活。PASA 模式反映了募集前部脑区来补偿后部脑区的感知加工缺损，其研究主要集中在视觉感知、注意、视空间加工、情景记忆编码等领域，语言加工领域的研究证据还不够充分。除此之外，现有大脑结构研究发现，发展最晚的高级脑区前额叶、左后颞叶对衰老表现最为敏感，最早出现萎缩。也有研究发现，老年人在语言加工过程中激活前额叶等高级脑区不但无法弥补，反而会降低语言加工的正确率和延长加工时间。由此，研究者在老年人语言加工的“补偿学说”基础上，进一步提出“去分化学说”，认为任务过程中对其他脑区的激活反映了老年人神经网络在加工效率上的降低。

3. STAC模型。STAC模型是由Park和Reuter-Lorenz于2009年提出。该理论认为，前额脑区的活动增加代表了“补偿性的脚手架”效应。这种效应能够对神经系统在结构和功能上的老化，大脑会在进行功能重组和功能修复，来支持认知活动。然而，脚手架效应不是对认知老化才会产生一种反应，而是认知任务挑战性的一种反应，因此年轻人也会出现补偿性脚手架效应。

4.CRUNCH模型。更有研究者认为，年轻人和老年人在脑激活模式上的差异与认知任务相关。2008年，Reuter-Lorenz和Cappell等人提出代偿相关的神经环路利用假说（compensation-related utilisation of neural circuits hypothesis，CRUNCH）。根据CRUNCH理论，年轻人和老年人在语言加工过程中都会激活前额脑区，老年人的在执行难度较低的任务时便会激活前额脑区，而年轻人在加工简单任务时一般只会激活枕颞叶等脑区只有在加工高难度任務时前额叶才会得到明显激活。当任务难度增加，达到神经资源能承受的最大负荷时，就会产生因完成困难任务而出现的认知加工效率下降以及年龄相关的认知表现能力下降。认知加工效率不足导致老化大脑募集更多的神经资源以达到和年轻大脑同等的计算输出。Eckert等人在2008年研究不同年龄组被试的词汇再认情况，采集了被试的再认行为成绩和大脑激活数据。实验要求老年组被试和年轻组被试学习不同难度的词汇并进行词语再认。结果发现，老年人再认最简单词汇的时候便已经激活了左额中回和前扣带回，而年轻人再认最困难词汇的时候才会激活以上脑区。Meinzer等人在2012采用fMRI技术研究老年人和年轻人在有限时间完成词语流畅性任务时的脑激活现象发现，两组被试随着人任务难度的增加，都会先后激活前额两侧的脑区，这种激活现象更多受到任务难度而非年龄的影响。以上研究表明，不同年龄人群都会采用CRUNCH理论进行认知加工，对脑区的激活由认知任务的性质、难度决定。

（二）去分化理论

与“补偿理论”相对应的就是去分化理论。在解释老年人大脑泛化激活上，去分化理论认为老年人脑区分工专门性减少甚至消失，与年龄相关的脑区活动单侧化减弱仅仅是老化的副产品而没有任何补偿功能。有研究者认为，老年人大脑的过度激活现象体现了大脑半球间的抑制的减弱，例如抑制右半球活动的能力缺失，会影响右脑的加工能力。

四、结论

语言加工老化是一个逐渐丧失的过程，同时也是一个对丧失的适应过程。现目前的研究集中于对老年人过度激活的探讨，然而老年人在进行认知加工过程中的过度激活并不意味着不去激活任务相关脑区。即使老年人和年轻人相比，加工过程中存在激活泛化的现象，但是不同年龄段的被试在实验中依旧会激活相同的脑区，即认知任务所需脑区。除此之外，现目前研究对语言加工老化的神经机制研究主要还是依据一般认知功能老化的理论基础上进行实验，其中主要以语言理解领域为主取得相关成果，但在其他语言研究领域例如语音加工（例如语音输入）和句法加工上取得的成果还十分有限。认知老化的研究理论尚存在较多争论，有待一个整合的理论在生物学、脑神经激活以及行为表现三个角度对其进行解释。

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