长期高海拔暴露对藏族世居者空间工作记忆的影响——来自时频分析的证据*

马海林,莫 婷,王 妍

(1.中国科学院心理研究所,心理健康重点实验室,老年心理研究中心,北京100101;2.西藏大学-华南师范大学高原脑科学研究中心,西藏拉萨/广东广州850000/510631)

已有研究结果显示4 000米左右海拔为人类的认知损伤阈限,长期高海拔暴露对4 000米以上海拔世居者的认知功能产生损伤[1-2],对4 000米以下世居者的认知功能不产生影响[2-3]。在长期高海拔暴露对世居者注意网络的影响研究结果中发现,相比较2 900米和3 700米海拔地区的世居者,4 200米以上海拔世居者的定向水平与执行功能发生消极变化[3]。Singh等人采用odd ball范式实验发现,4 300米海拔组的P3成分的潜伏期延长[4]。Jansen等人发现,海拔升高至4 000米以上时,神经心理的差异会随海拔升高变得更加明显[5]。Virués-Ortega等人的研究也证实了这一点,他们发现海拔接近4 100米地区的儿童的心理运算速度下降[6]。这些研究结果都显示,当海拔高度超过4 000米时,会损害人的认知功能。

工作记忆是否存在认知损伤阈限以及空间工作记忆的认知损伤阈限是多少的相关研究甚少。本研究将出生与成长在海拔4 000米以下与4 000米以上地区的世居者进行比较,探讨世居者空间工作记忆认知损伤阈限。我们假设出生且成长在4 000米以上世居者空间工作记忆的认知神经基础受到海拔高度的影响,表现在delta与theta频段的能量值显著低于4 000米海拔以下地区的世居者,由此证明4 000米左右海拔是世居者的认知损伤阈限。

1 对象与方法

1.1 被试

被试为66名健康的高海拔藏族世居大学生(右利手,视力正常或者矫正后正常且无其他精神类疾病),年龄范围20～24岁,均来自西藏大学。世居大学生分别来自海拔高度不同的三个地区(2900米,3700米,4200米)。每个海拔招募了22名被试(男女各11名),三个组之间的被试进行智力分数、年龄、性别等方面的匹配。2 900米海拔组,平均年龄20.96±1.12岁,来自西藏林芝地区;3 700米海拔组,平均年龄21.65±1.14岁,来自西藏山南或日喀则地区;4 200米以上海拔组,平均年龄20.91±1.41岁,来自西藏那曲地区。对行为数据中正确率过低或反应时过长,以及脑电干扰太大的两名被试予以剔除。

1.2 N-back实验程序

实验在一间隔音和减光的房间里进行。被试坐在电脑显示器前,距离显示屏60厘米。

在n-back任务中,首先呈现注视点“+”200～400毫秒,随后呈现300毫秒的1个大写字母作为目标刺激。12个大写字母(A-L)随机呈现。目标可能出现的位置位于以屏幕中心为圆心、半径为2或6厘米的假想圆形与3条穿过圆心的等距直线的交叉点上,共12个位置。

要求被试记住字母呈现的位置,忽略字母语音。被试需要确定当前呈现的字母位置是否与前一个试次字母的位置一致(1-back),或者与两个试次前显示字母的位置一致(2-back)。整个实验共计368个试次,在1-back与2-back条件下均有184个试次,一致和不一致的试次数量相等,均为184个试次。同时在一半的试次中,要求被试用左手食指按“F”键表示一致的刺激和用右手食指按“J”键表示不一致的刺激,另一半试次中要求左右手互换。如果没有回应,下一个试次将在1 500毫秒后开始。同时在线记录反应时间(RT)、正确率(ACC)和各试次的详细反应。对反应时与正确率进行两因素方差分析。两因素分别为条件类型(1-back,2-back)和海拔(2900、3700、4200米)。条件类型为被试内变量,组别为被试间变量。方差分析的P值(＜0.05)采用Greenhouse-Geisser法校正。

1.3 脑电记录

采用NeuroScan ERP记录与分析系统,按国际10～20系统扩展的64导电极帽记录EEG。在头顶的CZ和CPZ中间的点放置参考电极,做离线数据分析时数据采用双侧乳突的均值进行重参考。双眼外侧安置电极记录水平眼电(HEOG),左眼上下安置电极记录垂直眼电(VEOG)。信号经放大器放大,记录连续EEG,模拟滤波为0.05～100 Hz,采样频率为500 Hz/导,头皮阻抗＜5kΩ。

1.4 时频分析方法

时频分析(TFRs)的计算时间窗为-200～1000ms。时频分析用短时傅立叶的汉宁窗分析方法(hanning tapermethod),频率范围为1～30 Hz,步长为1 Hz。短时傅立叶把每个被试每种条件下的TFRs取平均值,能量值的基线校正为-200～0,在进行基线矫正后,频谱分析基线的能量值不存在差异。这些计算均使用FiledTrip工具箱运算,在MATLAB软件 上运行。

图1 n-back实验流程图Figure 1 n-back diagram of experiment

根据以往n-back范式的研究文献,共选取13个电极点进行分析：FT7,F5,FC3(左);FPZ,F1,F2,FZ,FCZ,AF3,AF4(中);FT8,F6,FC4(右)。时频分析的时间窗口主要集中在Delta(1-4Hz 700-800ms)、Theta(4-8Hz 700-800ms)频段。 对delta、theta频段的能量值行三因素重复测量方差分析。三个因素分别为条件负荷(1-back,2-back)、头皮位置(左,中,右)和海拔(2900m,3700m,4200m)。本次实验为三因素重复测量实验设计,条件负荷与头皮位置为被试内因素,海拔高度为被试间因素。方差分析的P值(＜0.05)采用Greenhouse-Geisser法校正。

2 结果

2.1 行为结果

对正确率进行2(任务负荷)×3(组别)两因素方差分析发现,任务负荷的主效应显著[F(1,61)=123.423,P＜0.001],1-back的正确率明显高于2-back的(P＜0.001);没有发现其他主效应或交互作用。

对反应时进行2(任务负荷)×3(组别)两因素方差分析发现,任务负荷的主效应显著[F(1,61)=48.501,P＜0.001],1-back条件反应时明显短于2-back条件反应时(P＜0.001);没有发现其他主效应或交互作用。

表1 反应时与正确率的平均数与标准差(M±SD)Table 1 Average and standard deviation of response tim e(RT)and accuracy rate(ACC)

2.2 TFRs结果

Delta对delta频段能量值(1-4Hz,700-800ms)进行2(任务负荷)×3(组别)×3(电极)三因素重复测量方差分析发现组别主效应显著[F(2,61)=9.245,P＜0.001],4 200米海拔组能量值显著小于2 900米与3 700米海拔组能量值(ps.＜0.05);电极点[F(2,61)=11.849,P＜0.001]主效应显著,表现为左侧与右侧能量值显著小于中线上能量值(P＜0.05;P＜0.001);任务负荷与组别交互作用显著[F(2,61)=11.887,P＜0.05],表现在4 200米海拔组上,1-back条件负荷能量值显著大于2-back条件负荷能量值(P＜0.001),其余两组中的条件负荷间不存在差异。

Theta对Theta频段能量值(4-8Hz,700-800ms)进行2(任务负荷)×3(组别)×3(电极)三因素重复测量方差分析发现,组别主效应显著[F(2,61)=3.310,P＜0.05],表现为 4 200米海拔组能量值显著小于2 900米与3 700米海拔组能量值(ps＜0.01);电极点主效应显著[F(2,61)=12.564,P＜0.001],中线能量值明显大于左侧与右侧能量值(P＜0.05;P＜0.001)。任务负荷与组别的交互作用显著[F(2,61)=3.467,P＜0.05],表现为在2-back条件下,4 200米海拔组能量值显著小于2 900米与3 700米海拔组能量值(P＜0.05;P＜0.001);在4 200米海拔组,1-back条件负荷能量值显著大于2-back条件负荷能量值(P＜0.001),但是在2 900米与3 700米海拔组中的条件负荷间不存在显著差异。

图2 1-back条件下2900、3700、4200米海拔组的频率图Figure 2 Frequency diagrams of 2900,3700 and 4200 altitude group under the 1-back condition

图3 2-back条件下2900、3700、4200米海拔组的频率图Figure 3 Frequency diagrams of 2900,3700 and 4200 altitude group under the 2-back condition

图4 2900、3700、4200米海拔组的delta频段能量值的差异脑地形图Figure 4 Brain topographicmap of power value difference in the delta frequency band of 2900,3700 and 4200 altitude group

图5 2900、3700、4200米海拔组的theta频段能量值的差异地形图Figure 5 Brain topographic map of power value difference in the theta frequency band of 2900,3700 and 4200 altitude group

表2 delta与theta频段的平均数与标准差Table 2 Average and standard deviation of delta and theta frequency band

3 讨论

本研究采用空间工作记忆n-back范式,收集来自不同海拔高度的66名藏族大学生的行为与脑电数据,并对脑电数据进行时频分析,探讨藏族世居者空间工作记忆的认知损伤阈限。在行为结果上没有发现三个海拔间的显著差异,但是从脑电的时频结果发现4 200米海拔组的delta频段与theta频段的能量值显著下降。

反应抑制能力是工作记忆中最重要的因素,考察抑制机制可以确定工作记忆的内容是否符合记忆要求。抑制效率的降低会使更多无关信息进入工作记忆,干扰目标信息的处理[7]。反应抑制能力的降低主要体现为delta频段能量值的降低[8]。同时,工作记忆能力是指个体对相关信息暂时性的持有和操作能力[9]。有效信息的维持在工作记忆任务中至关重要。信息维持能力通过theta频段的能量值体现,theta频段能量值的降低与信息维持能力下降有关[10]。本研究结果中,4 200米海拔组的delta与theta频段的能量值低于4 000米以下海拔组,由此表明4 200米海拔组世居者的反应抑制与信息维持能力降低。然而,2-back条件负荷相比1-back条件负荷的反应时更长、正确率更低,可以说明2-back任务比1-back任务更难,更需要提高空间工作记忆的反应抑制与信息维持能力。然而,在4 200米海拔组,1-back条件类型的delta与theta频段能量值显著高于2-back条件类型的能量值,表明4 200米海拔组反应抑制与信息维持能力的降低主要体现在执行认知负荷高的2-back任务上,说明任务难度加大时4 200米海拔组缺少足够的认知资源。与本研究结果一致的是,Jansen等人的研究发现生活在4 000米海拔以上的世居者表现出大脑自动调节功能的丧失[11]。马海林等人有关注意网络的研究也发现超过4 000米时,个体的注意网络的定向与执行功能显著下降[12]。本研究还发现,中线部位的delta与theta频段的能量值显著高于左侧与右侧的能量值,这与之前的研究结果一致[13-14],delta频段的能量值在额叶中心区域的激活最明显[15],说明空间工作记忆中反应抑制能力的调节主要位于额叶中线区域。同时,Ning的研究结果显示睡眠不足会导致前额叶的相位相关活动减少和延迟[14];Osipova的研究表明额叶中部的theta频率在工作记忆中起着关键作用[16]。

本研究结果中,1-back条件反应时显著短于2-back条件反应时,同时1-back条件的正确率显著高于2-back条件的正确率,证明了本次实验范式的条件负荷类型的有效性,也表示1-back条件类型需要付出的认知资源少于2-back条件类型。然而,在行为数据上,三个海拔之间却没有发现显著差异,这很有可能与所有的被试生活在同一个地方(大约两年),且我们在同一个海拔地区收集数据有关。虽然所有被试在工作记忆任务中的行为表现上没有显著性差异,但在相同工作记忆下的delta、theta频段上存在显著性差异。这就说明,虽然他们在同一海拔高度生活两年,但是由于他们从出生到成年早期生活的海拔高度不同导致大脑的神经基础不一致,反映海拔高度对大脑反应存在不同程度的影响。

本研究主要发现4 200米海拔组的delta与theta频段的能量值显著低于4 000米以下海拔组,说明4 200米海拔组的反应抑制和信息维护能力降低。在先前的研究中,2 900、3 700米的藏族世居者分别与4 200米的世居者相比,后者的定向和执行功能得分较低[12],表明长期高海拔暴露可以影响不同海拔地区的世居者的注意功能,并且在4 000米左右海拔可能存在阈值[17]。本研究结果中,在基线1-back任务水平中三组不存在差异,在基线以上2-back任务水平中,4 200米海拔组的反应抑制能力与信息维持能力显著降低。三组被试的高考成绩、年龄以及性别之间都不存在差异,唯一的差异就是出生以及生长的海拔地区不一致。世居者的生长海拔不一致,导致空间工作记忆能力的差异,由此可以说明,在长期高海拔暴露环境下,4 000米左右海拔为藏族世居者空间工作记忆的认知损伤阈限。

本研究立足于现实的缺氧环境之中,相对模拟缺氧环境之下所进行的实验具有更强的真实性。但本研究只采用了行为与ERP研究,在今后的研究中应结合追踪设计和fMRI技术进行多样化的研究。