老化对视觉注意调控网络的影响*

2023-11-23曹丹丹刘祖祥赖昭宇

生物化学与生物物理进展 2023年11期

曹丹丹刘祖祥赖昭宇吕钊舒伟王欢杨艳**

（1）安徽大学，多模态认知计算安徽省重点实验室，合肥 230601；2）合肥综合性国家科学中心，人工智能研究院，合肥 230088；3）中国科学院生物物理研究所，脑与认知科学国家重点实验室，北京 100101；4）中国科学院大学中丹学院，北京 100049；5）首都医科大学宣武医院，功能神经外科，北京 100053）

老化会导致大脑感知觉系统的明显衰退。在视觉系统中，老年人的视觉感知能力存在多方面的损伤。在排除黄斑病变、青光眼、白内障等眼科疾病的影响后，与青年人相比，老年人存在视锐度下降［1-2］、中高频段对比敏感度降低［3］、方位辨别能力下降［4］、运动信息处理能力下降［5-6］等状况。这些视觉感知能力的损伤与老化导致的大脑γ氨基丁酸（γ-aminobutyric acid，GABA）能抑制性系统衰退密切相关［7-8］。老化同样能够导致认知能力出现改变，如注意［9］等。与青年人相比，老年人背侧前额叶和顶叶等与注意功能相关的皮层区域活动存在显著的升高［10-11］。事件相关电位的研究表明，在注意任务中老年人对需要忽视事物的神经活动并没有出现下降，对需要注意事物的神经活动则出现了增强，老年人选择性注意的执行效率显著低于青年人，而且难以抑制大脑对需要忽视事物的神经活动［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务无关神经活动方面存在损伤［13-14］，而且这种损伤还与工作记忆任务表现的下降相关［14］。

注意网络由背侧注意网络（dorsal attention network， DAN）和腹侧注意网络（ventral attention network，VAN）组成［15-16］。背侧注意网络主要由额叶眼动区（frontal eye field，FEF）和顶内沟/顶上小叶（intraparietal sulcus/superior parietal lobule，IPs/SPL）组成，对视觉刺激进行自上而下（top-down）的处理，负责内源性目标驱动和外源性注意定向。腹侧注意网络主要包括颞顶联合区（temporoparietal junction，TPJ）和腹侧额叶区域（ventral frontal cortex，VFC），其中TPJ 由顶下小叶/颞上回（inferior parietal lobule/superior temporal gyrus，IPL/STG）组成，VFC 由额下回和额中回（inferior frontal gyrus/middle frontal gyrus，IFg/MFg）区域组成。当新颖的凸显刺激目标出现时，VAN 可以进行刺激驱动的注意控制，打破DAN 自上而下的注意控制，从而实现注意的转移［15-17］。DAN中的IPs和FEF区域也会受到刺激驱动的调控，当视觉系统检测到未被注意的凸显刺激时，TPJ 和IPs 之间的连接也能够打破自上而下的注意控制［15］。

注意网络也会随着年龄的增加发生改变。在注意任务中，老年人腹侧注意网络的损伤与背侧注意网络相比更加严重，但这两个网络之间的功能连接依然存在［18］。通过独立成分分析对腹侧注意网络的功能连接进行研究，人们发现，在执行注意任务时，老年人腹侧注意网络内存在更多的功能连接，该网络的跨半球改变也与年龄相关［19］。最近，另一项静息态fMRI 研究表明，认知能力的损伤和老化都表现为腹侧注意网络内功能连接的降低，而背侧注意网络在老化过程中没有出现明显的损伤［20］。然而也有研究发现，与青年人相比，老年人背侧注意网络内的功能连接出现下降，网络间功能连接出现上升［21］。线索提示的注意任务中，当要求被试注意任务相关的线索目标时，注意相关的背侧前额叶和顶叶区域在青年人和老年人中均出现激活，但是老年人注意网络内的功能连接出现了损伤［22］。当线索提示面孔刺激出现时，青年人梭状回面孔区和背侧注意网络之间的功能连接显著高于老年人［23］。

本项研究使用双目标注意任务的实验范式，通过脑电图（electroencephalogram，EEG）采集青年人和老年人在执行注意任务期间的脑神经电活动。研究发现，在目标的视觉信息发生改变时，其诱发的视觉注意调控网络脑电活动的变化在不同年龄组人群中存在差异。这种差异同时也存在性别上的不同。本研究结果能够为理解老化引起的视觉注意调控网络损伤提供更多的证据。

1 材料与方法

1.1 被试

本研究共招募了50位被试参与实验，依据年龄分为两组：青年组和老龄组，其中青年组30位被试，男性、女性各15 位，年龄（24±1.3）岁（mean±SD）；老龄组20 位被试，包括12 位女性和8 位男性，年龄（65.7±8.4）岁。被试均有正常或矫正至正常的视力。研究经合肥综合性国家科学中心人工智能研究院伦理委员会及首都医科大学宣武医院伦理委员会审批通过，所有被试均签署知情同意书。

1.2 实验流程

实验设置如图1 所示。视觉刺激采用E-studio软件实现。十字注视点和其两侧的目标刺激均为2.5°视角，目标刺激距十字注视点13.5°视角。十字注视点为黑色（RGB：0，0，0），目标刺激为深灰色（RGB：51，51，51），呈现在白色（RGB：255，255，255）背景上。屏幕距离被试的距离设置为65 cm。实验开始之后，屏幕会出现实验指导语，告知被试放松身体尽量保持不动，被试按任意键，试次（trial）开始，屏幕中心出现十字注视点，整个trial 内被试被要求保持对中心十字的注视。十字注视点呈现1 000~2 000 ms后在十字的左右两边同时出现视觉刺激，并呈现800~1 200 ms。随后视觉刺激发生改变（图1a）或者保持不变（图1b），呈现1 000 ms。根据视觉刺激的变化情况，实验分为视觉刺激变化和不变两种条件，每个条件下包含50个试次，共100个试次。

Fig.1 Visual stimuli and experimental procedure

1.3 数据采集

本研究中受试的脑电数据使用美国EGI公司生产的GES400 设备采集，实验采用了EGI 设备配套的64 通道电极帽，电极分布遵循10-20 国际标准，电极位置分布如图2a 所示，采集系统是EGI 配套的 Net station Acquisitio 软件。采样频率为250 Hz，阻抗小于50 kΩ。

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

1.4 数据预处理

完成数据采集之后，采用EGI 设备自带的Net Station Tools 软件对数据预处理。数据预处理流程如下，首先进行1~50 Hz 的带通滤波和50 Hz 的陷波滤波去除50 Hz的工频干扰，以视觉刺激改变为零点，提取零点起始前200 ms 和后800 ms 共1 000 ms的数据，对每个分段用前200 ms的数据进行基线校准。之后用Matlab 软件对数据进行进一步的处理。

经过分段处理之后，对于每个被试，每个实验条件可以获得50 个试次的分段，对每个分段求其功率谱密度（power spectral density，PSD），使用短时傅里叶求功率谱密度，窗函数采用汉明窗，窗口长度为200 ms，重叠窗长100 ms。对每个实验条件求得的功率谱密度采用三倍标准差去除特异值进行处理，即将50 个功率谱的每个点与平均值差值大于三倍标准差的值用平均值替代。然后将处理过的每个实验条件的50 个功率谱密度求平均功率谱密度。

1.5 统计分析

完成数据预处理后，统计比较被试每个电极位点在刺激改变和不变两种实验条件下的平均功率谱密度（图2b）。对青年组数据进行分析发现，圆盘改变和不变时引起的大脑活动差异主要集中在额叶和顶叶的电极位点，而且有显著差异的功率谱密度集中分布在频率范围1~20 Hz、时间200~800 ms的区域内（图2b）。将该区域设定为本研究的感兴趣区（region of interest，ROI），比较不同年龄人群在两种实验条件下该ROI内不同脑区的神经活动差异。分别对青年组和老年组被试两种实验条件下的脑电活动逐电极位点进行配对t检验，可以获得t值分布的地形图。

为了进一步探究注意网络动态变化的性别差异，将被试分为4 组，即青年男性组、青年女性组、老年男性组和老年女性组，探究性别与注意网络动态变化之间的关联。

2 结果

首先比较刺激改变和不变两种条件下被试大脑活动的差异。图3a 的地形图展示了青年组两种条件配对t检验的统计量t值，图3c 展示了大脑活动出现显著性改变的电极通道，主要集中于额叶和顶叶区域，且表现为刺激改变条件下的大脑活动强于刺激不变化条件下的大脑活动。这些结果表明，在注意任务中，视觉刺激发生改变后，青年组被试的脑网络出现了明显的改变。然而在老年组中并没有观察到类似的现象（图3b，c），说明老年组被试在执行注意任务时，脑网络并没有随刺激的改变而出现相应的变化。

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

图4 展示了将两组人群按照性别分成4 组，分性别对视觉刺激改变和不变两种实验条件进行配对t检验的结果。在青年组女性被试中，刺激改变引起的脑电活动在额叶区域和顶叶区域一些电极上显著高于刺激不变时的脑电活动。FCz（t=2.401 2，df=14，P=0.030 8），FP1（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）。而青年组男性在两个颞叶电极T9 和T7 上表现出刺激改变显著大于刺激不变。T7（t=2.256 3，df=14，P=0.040 6），T9（t=2.256 3，df=14，P=0.011 6）。老龄组女性在两个额叶电极上表现出刺激改变时的脑电活动显著小于刺激不变时的脑电活动，FCz（t=-2.710 8，df=11，P=0.020 3），E62（t=-2.419 3，df=11，P=0.034 0），而老龄组男性在所有电极上均未出现显著性差异。

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

3 讨论

本研究基于EEG 采集到的青年人和老年人大脑神经电活动，研究了在注意任务中视觉刺激改变诱发的脑网络变化在不同年龄组人群中的差异。发现青年人额叶、顶叶和颞叶区域电极记录到的脑电活动会随着视觉刺激的改变而发生变化，但是视觉刺激并未诱发老年人脑网络活动的显著改变。这提示在注意任务中，老年人的脑网络难以及时地应对刺激信息的变化。同时，在青年人和老年人群体中均观察到了脑网络变化存在的性别差异。

在老化过程中，大脑背侧和腹侧注意网络均出现了改变［18-21］。生酮干预能够显著增加老年人背侧注意网络内的白质纤维束密度和功能连接，提高老年人在注意相关的认知测试中的表现［24］。在静息和任务状态下老年人背侧注意网络与默认网络之间还存在显著的反相关关系［21，25-26］。对老年大鼠的研究表明，前额叶皮层的损伤能够削弱老年大鼠的注意能力，顶叶皮层内胆碱能神经元的衰退能够改变前额叶皮层的动态激活从而弱化注意能力［27］。本研究结果表明，在注意任务中，刺激诱发的视觉注意调控网络改变可以在青年人中观察到，而老年人没有表现出显著性的变化，这说明老化也伴随着视觉注意调控网络的损伤。注意网络中，背侧注意网络主要进行自上而下的控制，腹侧注意网络负责刺激驱动的响应，能够打破自上而下的控制从而将注意力转移到新颖的目标物体上［15-17］。本研究中，被试在执行注意任务时视觉刺激会出现变化，所观察到的脑电信号的改变可能主要来自TPJ和VFC组成的腹侧注意网络的神经活动变化。

此外，本研究还发现，视觉刺激改变引起的EEG 活动变化存在性别差异。青年女性中EEG 活动的改变主要集中在额叶和顶叶电极上，而青年男性的EEG 活动改变则表现在颞叶电极。在老年人中，女性额叶电极出现了显著的EEG 活动改变，而男性所有电极通道均没有表现出活动的变化。这些结果与前人在注意网络的性别差异方面的研究成果是一致的。事件相关电位的研究表明，在注意任务中，女性右侧前额叶和枕叶区域的激活更强［28］。在奖励/惩罚任务中，与男性相比，女性的注意能力更强，默认网络的活动被抑制而背侧注意网络存在更强的激活［29］。

老化过程伴随着感知觉能力和认知能力的多方面损伤。本研究使用了经典的双目标注意任务实验范式，为了减轻老年人在实验中的任务压力，不要求被试报告是否检测到了视觉目标刺激的改变。在注意任务中，老年人与青年人在脑网络活动方面的差异，表明采用的双目标注意任务可较灵活方便地用于老年人认知能力检测，具有一定的临床应用价值。