任务难度与老化对大脑激活的影响

 1　前言
    众所周知，认知老化神经科学主要关注的是大脑和认知功能随年龄变化的关系，其最终目的是要建立老化对认知影响和大脑影响之间的直接联系(Cabeza，Nvberg，&Park，2005)。目前有三种基本取向来达到这一目的：第一，神经心理取向，比较健康老化和各种脑损伤病人的认知变化情况；第二，相关取向，计算神经测量和认知测量间的相关；第三，脑区激活法，分别测量老年人和年轻人在完成认知任务时的脑激活状况。其中，脑区激活法可以同时对神经活动和认知成绩进行测量，在考察脑激活和认知成绩的直接关系上具有明显的优势，因此，越来越多的研究开始采用这种方法来考察在老化过程中大脑和认知之间的关系。
    在脑区激活法中，比较常用的一种手段是通过操纵认知任务难度的变化来观察行为成绩与大脑激活的差异，但是，任务难度与大脑激活的变化关系至今尚不明确。因此，了解任务难度和大脑激活之间的变化关系具有重要的理论和实际意义。已有的研究基本上都较为一致的发现大脑会随着任务难度的增加而出现激活增强(例如，Chee，Westphal，Goh，Graham，&Sone,　2003；Drager，Jansen，　Bruehmann，　Forster， Pleger，&Zwitserlood，2004；Gould，Btown，&Owen，2003；　Heuninckx，　Wenderoth，Debaere，Peeters，　& Swinlaen，　2005；　Livesev，　Wall，　&　Smith，　2007； Leshikar，Gutehess，Hebrank，Sutton，&Park，2010； Tregellas，Davalos，&Roias，2006)。但是，这种增强究竟是特定任务相关脑区的激活强度增强(例如， Braver,　Cohen，　Nystrom,　Jonides，　Smith，　&　Noll，1997；Carlson，Martinkauppi，Rama，Salli，Korvenoja，& Aronen，1998)，还是其他任务不相关脑区的补偿性参与而导致激活面积增加(例如，Klingberg， O'Sullivan，& Roland，1997)，还存在很多争论。例如，Gould等(2003)的研究通过变化空间记忆容量大小来考察难度变化和大脑激活之间的线性关系。结果发现：随着任务难度增加，与任务相关的特定脑区的激活强度出现了增强，而不是激活了更多其他脑区。然而，Drager等(2004)的研究通过控制词语生成的困难程度来考察词语生成难度和大脑激活的关系，结果发现，随着任务难度增加，导致的是大脑更多认知网络的激活，而不是仅仅语言相关脑区的激活增强。此外，还有研究发现这种随难度增加的脑区激活增强既包括激活强度也包括激活面积(Rypma，Prabhakaran，Desmond，Glover，&Gabrieli，1999)。那么究竟为什么会出现这种分歧呢?本研究推测这可能和所采用的任务性质有关。但目前研究所涉及的任务难度大多是单维的，很少有研究能在同一个实验里变化两种不同性质的任务，因此，就无法直接考察任务性质对脑激活增强模式的影响。如果能在一次实验研究中同时设计两个或多个不同性质的任务难度，那么就可以对此做出回答。基于此，本研究将采用汉语双字词对为实验材料，以线索回忆为实验任务，通过操纵词对记忆任务中最常用的两个维度—相关性和词频(Mehzer&Constable，2005；Chee，Dennis， Daselaar，Fleck，&Cabeza，2003)的难度来考察大脑激活增强与任务性质的关系。同时，为了便于对不同性质任务之间进行比较，我们设计了三种任务难度，中间难度既是相关性维度的高难度，同时也是词频维度的低难度。我们预期认知任务难度的性质不同可能会导致脑区激活增强的方式不同，并且这种脑区激活增强可能和任务难度之间存在一种一一对应的递变关系，即难度越强时，激活的面积或强度越大。
    此外，前人有关老化的研究都较为一致的发现：老年人在完成认知任务时，大脑前部区域(如额叶)的激活相对年轻人来说存在着相对增强的现象(Cabeza，2002；Davis，2008)，这种增强既包括大脑激活面积的相对增多，也包括某些特定脑区激活强度的相对增强。并且对于老年人大脑的这种激活增强的作用，大部分研究者都认为这种激活增强是大脑的一种功能重组，可以起到补偿作用(Cabeza， Anderson，Locantore，&McIntosh，2002；Heun- inckx，Wenderoth，&Swinnen，2008)。那么，当难度增加时，老年人是否也会表现出在额叶等大脑前部脑区的过度激活现象呢?这也是本研究尝试探讨的问题。
    因此，本研究将通过操纵两种性质、三种难度水平的线索回忆任务，来考察大脑激活和任务性质、难度变化之间的关系，以及这种变化受老化的影响。本研究假设：①随着任务难度增加，脑激活可能受任务性质的影响，而表现出不同种类的激活增强；②大脑激活与任务难度增加之间可能存在一种一一对应的递变关系；③在难度增加时，老年人可能会调用更多的额叶等脑区来补偿其行为成绩。
    2　研究方法
    2.1　取样
    从北京市崇文区、丰台区选取62名社区老人参加初筛，标准为60岁以上，身体健康，受教育程度为中学(包括中专、技校等)。经过初筛，选取12名老年人接受fMRI扫描，其中男4名，女8名，年龄为60岁到77岁，平均年龄为65±5.67岁，平均受教育年限为9.9年。老年人自评健康良好，智力基本正常，无抑郁症状，大脑结构基本正常。年轻人15人，其中男8名，女7名，年龄为20-29岁，平均年龄为22.2±2.93岁，平均受教育年限为12年。以3mm作为过度头动标准，在线索回忆中剔除4名年轻被试，最终有效被试人数为11人；剔除2名老年被试，最终有效被试人数为10人。
    2.2　研究工具
    2.2.1　筛选工具
    主要包括许军等人编制的《自测健康评定量表(SRHMS)》、Radloff编制的《流调中心抑郁量表(Center for Epidemiologic Studies Depression Scale)》、 Folstein编制的《简易精神状态检查(MMSE)》、龚耀先修订的韦氏记忆量表、王大华等人编制的基本心理能力测试程序以及利手检查表和身体适应性检查表，以确认被试为右利手并可以接受磁共振扫描。
    2.2.2　实验材料
    从《现代汉语频率词典》中从高频开始选取250个名词双字词，随机两两配对。在北京城市大学、中山大学、华南师范大学，请70名在校大学生对每一个词语的抽象性以及每个词对的联系性进行1-5评分，分数越高表示该词越抽象，词对联系性越强。根据词对相关程度和词频的高低，选出三组词对：高频高相关词对(如，文章-内容)、高频低相关词对(如，代表-玻璃)、低频低相关词对(如， 镰刀-意象)，每组12对，三组词对的笔划及抽象性差异均不显著。
    2.2.3　任务设计及基本流程
    试验刺激程序采用神经心理学编程程序“E- prime”编写，刺激内容经由与磁体外工作站相连的Samtec Stimulus System(for fMRI)系统(深圳 Sinorad Medical Electromic公司)施加，受试者在磁体孔内通过特制眼镜可清楚看到投影幕上呈现的刺激内容。以线索回忆作为项目记忆任务。在屏幕上呈现双字名词词对，要求被试记住，并告知被试稍后将进行记忆测试。从词对的相关程度和词频两个维度来设计任务，每个维度设计两个难度水平，其中相关维度的高难度任务同时也是频率维度的低难度任务，因此，共三种任务，词对相关维度的高低难度任务分别为：高频低相关词对和高频高相关词对，词频维度的高低难度任务分别为：低频低相关词和高频低相关词对。
    采用block设计，每个任务包括3个block，每个block由学习(24s)、测试(24s)、基线(24s)三部分组成，每个block包含四组词对。学习阶段，屏幕上方呈现“学习”二字，中间呈现一个分为四个象限的大方框，每次随机在其中一个象限中呈现学习材料，每组材料呈现3秒，四组材料呈现一遍后，以随机顺序重复一遍。测试阶段，屏幕上方呈现“测试”二字，中间呈现一个大方框，在方框内以随机顺序呈现探测词，探测词为所学过词对的第一个词，要求报告与之相对应的第二个词。时间为5秒，每个词只呈现一次；探测词呈现之间以五角星号间隔，时间为1秒。在呈现探测词时，要求被试大声报告出所要求的答案，如果遗忘则在五角星号出现时报告“忘了”。基线阶段，白屏呈现黑色“+”号24秒，要求被试注视。为了使机器到达比较稳定的阶段，也为了减少指导语对被试大脑活动产生的影响，在第一个block开始前外加10秒基线。每个block的时间为72秒(如图1)，3个block外加任务前10秒基线，总扫描时间为339秒。
    
    图1　扫描任务时间序列示意图
    2.3　实验步骤
    2.3.1　初筛过程
    首先对老年人进行初筛，要求被试完成背景问卷、自评健康量表、流调中心用抑郁量表、MMSE、利手检查表、既往相关病史调查、磁共振身体适应性核查表、裸视力检查和简单听力检查。采用个别施测，由主试讲解并读出题目，被试做出反应，主试由心理学专业研究生担任。根据初筛结果剔除被试，有以下情况之一者不能成为实验的正式被试： MMSE得分低于24分，有脑血栓、冠心病等病史，脑部受过重大创伤，体内植入金属(包括金属补牙及不可拆卸的金属假牙)，视力或听力严重衰退。
    2.3.2　任务练习程序
    在正式扫描前，向被试解释研究目的、任务要求、注意事项，签订知情同意书，并进行任务练习。练习任务采用与正式任务完全一样的形式，所用材料与正式任务相近，但对词频、笔划、抽象性、联系程度等因素未做严格控制，练习任务中使用的所有词语将在正式任务中不再出现。主试向被试解释每个任务的要求，并演示实验过程，被试表示理解后，要求被试完整做一次练习任务，以保证被试完全掌握任务要求。部分老年被试对任务的理解相对比较困难，可重复练习，直到可独立完成任务为止。
    2.3.3　正式扫描过程
    首先采用自旋回波序列采集T2加权像，以保证所用被试的大脑结构基本正常，时间约为50秒。第二步采用EPI序列采集功能像，时间约为12分钟。第三步采用MPR序列采集三维多层面重现的结构像，时间约为7分30秒。
    2.4　数据收集
    2.4.1　脑成像数据收集
    磁共振图像获取采用北京市宣武医院3T西门子扫描仪。fMRI成像采用回波平面成像序列(Echo Planar Imaging，EPI)。成像范围覆盖全脑，轴状位扫描，重复时间(Repetition Time，TR)=2s，回波时间(Echo Time，TE)=300ms，25层，层内分辨率=64×64，视野(Field of View，FOV)=240mm×240mm，层厚=5mm，层间距=1mm，翻转角为90度。fMRI扫描在正常光线下执行，嘱咐被试按指导语进行反应、头尽量不动，并用软物和绷带对头部进行固定。每个被试，一次fMRI扫描持续进行339秒，进行3次，共得到339幅图像。
    2.4.2　行为数据收集
    被试在接受扫描过程中，主试进入磁共振扫描室，记录被试反应，若回忆正确直接记1分，若回忆错误或报告“忘了”，则记录被试的实际反应。
    2.5　数据管理与分析
    2.5.1　脑成像数据管理与分析
    本研究采用通用软件SPM2进行数据预处理和统计分析。考虑到磁场达到稳态需要的时间以及被试对环境的适应，前5幅图像被剔除，预处理阶段进行了头动校正、空间标准化、空间平滑和时间平滑等。并采用一般线性模型对fMRI独立数据进行随机效应分析，在滤波过程中，要求尖峰(任务激活的频段范围)不能位于低频段漂移的频率范围。本研究利用GLM模型检测每个被试的激活区，首先利用方波函数和标准的血液动力学函数卷积得到期望的模型曲线。将每一个体素的时间-信号强度曲线与模型曲线进行相关分析，获得全脑像素的相关系数。然后，对系数进行像素水平的t检验，对激活区域进行掩模处理。组内分析采用SPM2基本模式(ba- sic model)单样本t检验以检测编码过程与基线状态的大脑激活情况，根据激活情况设定统计阈值概率最高为p＜0.001(未校正)，激活体积阈值设定为30个体素。任务难度间的比较采用SPM2基本模式(basic model)双样本配对t检验来考察编码阶段的年龄差异，根据激活情况设定统计阈值概率p＜0.01(未校正)，激活体积阈值设定为10个体素。
    2.5.2　行为数据管理与分析
    行为层面数据用SPSS17软件包进行重复测量方差分析。
    3　结果与分析
    3.1　行为层面结果与分析
    以年龄分组为被试间变量，难度作为被试内变量，对反应正确率进行重复测量方差分析。结果发现，难度主效应显著(F(2，50)=98.774，p＜0.001)，并且多重比较结果显示三个难度之间均有显著差异，随任务难度的逐步增加，正确率逐步降低；年龄主效应显著(F(1，25)=11.682，p=0.002)。年轻人在三个难度上的正确率普遍高于老年人；难度与年龄交互作用显著(F(2,50)=4.275，p=0.019)，简单效应分析显示无论是三个难度在每个年龄组上，还是两个年龄在每个难度上均存在显著差异，结果见表1。
    
    3.2　脑成像层面结果与分析
    3.2.1　不同性质任务难度对大脑激活模式的影响
    为探讨难度变化对大脑激活的影响，本研究以年轻人数据进行大脑激活情况 进行分析，具体结果见表2。当任务难度由高频高相关变为高频低相关时，即词对的相关性降低时，年轻人的大脑激活面积随着任务难度的逐步增加，也逐步增多：左侧脑区的激活面积从213体素增大为797体素，而右侧脑区的激活面积从436体素增大为478体素。当任务难度由高频低相关变为低频低相关时，即词频降低时，年轻人的大脑激活面积随着任务难度的增加反而表现出减少的模式：左侧脑区的激活面积从797体素减低小364体素，右侧脑区的激活面积从478体素减小为34体素。从激活强度指标(t值)却发现相反的随难度变化模式：当词对的相关性降低时，大脑激活的平均强度呈现减弱趋势；而当词对的频率降低时，大脑激活的强度呈现增强的趋势。　
    3.2.2　不同年龄组在难度变化时的大脑激活情况
    为分析老化对不同任务难度下脑区激活的影响，本研究对比老年人与年轻人两个年龄组的编码阶段的脑区激活数据，具体结果见表3和表4。由表3可知，当任务难度由高频相关词对变为高频无关词对时(即相关性难度增加时)，年轻人主要激活了左侧尾状核、中央后回(BA1)、屏状核、右侧扣带前回(BA32)、颞上回(BA42)、颞中回(BA22)脑区；而老年人则激活了左侧额下回(BA47)、右侧海马旁回(BA36)、脑岛(BA13)、颞中回(BA21)、额内侧回(BA9)等脑区。由此可见，当词对的相关性降低时，老年人和年轻人分别调用了不同的脑区，老年人激活了更多的额叶脑区，而年轻人则更多的激活了颞叶脑区。
    
    然而，由表4可知，当任务难度由高频无关词对变为低频无关词对时，年轻人激活了相当广泛的脑区，包括楔叶(BA19)、梭状回(BA19)、舌回(BA18)、角回(BA39)、额上回(BA6)、额内侧回(BA6)、顶上小叶(BA7)、额下回(BA47)、中央前回(BA6)、颞上回(BA22)、海马旁回(BA35)、枕中回(BA37)等脑区；而老年人则激活了梭状回(BA20)、枕下回(BA18)、顶上小叶(BA7)、中央后回(BA3)脑区。由此可见，当词频降低时，年轻人比老年人调用了更为广泛的脑区，老年人并没有在额叶脑区表现出更多的补偿性激活，老年人额叶的补偿作用受认知任务性质的影响。
    
    4　讨论
    4.1　难度变化与行为成绩的关系
    在行为层面上，可以看出难度的主效应显著，随着难度逐步增加准确率逐渐下降，说明难度之间具有区分度。此外，年龄的主效应也显著，说明老年人在项目记忆任务上出现了衰退，其能力显著低于年轻人。在正确率上，低相关难度任务上的年龄差异大于高相关难度任务上的年龄差异，这说明随着相关程度的降低，任务难度提高，两组被试均出现记忆成绩的下降，但老年人下降得更为明显。这一结果验证了认知老化领域普遍发现的年龄×任务复杂性交互作用现象(Bvrd，1985；Hamm&Hasher，1992)。该现象认为年龄相关衰退倾向于随任务复杂性或注意要求的增加而增加，即，当任务变难时，老年人的成绩会明显更差。例如，Salthouse(1985)的研究就发现，老年人的选择反应时明显地慢于简单反应时，需要区分的刺激越多，选择反应时的年龄差异就相应地越大。产生这种现象的原因可能有两点：第一，单一因素。例如一般慢化假说(Cerella，1985)认为老化带来的认知技能的衰退主要是因为神经传导速度的减慢；第二，认知资源不足假说(Salthouse，1985)。认为老年人遭受了加工资源的一般性丧失：换句话说就是，由于一般性的神经衰退，老年人所具备的“心理资源”不足以使他们像年轻时那样一次注意多个事物，因此，老年人可能认知资源相对不足，在任务难度提高时，其认知资源难以满足任务所需。
    4.2　难度变化与大脑激活模式的关系
    根据本研究结果，当词对相关性变低时，大脑激活的增强主要表现在面积的增加上，而当词频变低时，大脑激活的增强主要表现在脑区激活强度的增加上。这可能是因为词对相关性任务比词频任务更多地强调语义之间的相关，因此难度增加时，可能需要调用更多的脑区来协同完成，这个结果和前人的结果有点类似。例如，在Giovanello等(2004)的研究中就发现，强调词对的联系性时的记忆比单个项目记忆要激活更为广泛的脑区，而Chee等(2003)的研究则发现被试在完成低频词任务时比高频词任务在左侧额下回、扣带前回等脑区上激活更强。可见任务性质确实影响到脑区激活增强的模式，这个结果支持了本研究提出的假设，并且可以在一定程度上解释为什么前人的研究之间会存在诸多分歧。但究竟任务性质与大脑激活模式的对应关系如何，还需进一步研究。此外，在本研究中发现：随着任务难度的增加，大脑激活强度没有像行为成绩那样出现递增或递减的变化关系，这和 Gould等(2003)的研究结果是一致的，这说明可能大脑层面的激活增加或减弱并不像行为层面那样和难度之间存在递进式变化的关系。
    4.3　老化与大脑激活的过度卷入
    前人很多研究都在单一任务难度下发现了老年人相对年轻人在额叶脑区的大脑过度激活现象(Cabeza，2002；Davis et al.，2008)，有研究者认为这是补偿机制引起的，也有研究者认为这与去分化机制有关(Cabeza，2002)。无论具体机制如何，老化伴随的大脑过度激活现象总是经常出现，但当任务难度变化时，这种过度激活现象仍然普遍存在吗?本研究通过设置不同难度任务的条件，结果发现过度激活现象因任务难度性质不同而出现不一致的模式。当词对相关性降低时，老年人和年轻人相比确实在额叶脑区表现出激活增强的现象。这个结果和前人有关额叶补偿作用的研究(Cabeza et al.，2002)类似，这可能反映了老年人在任务难度开始提升时调用了更多的额叶脑区来帮助完成任务，但当词频降低时，老年人并没有像年轻人一样激活更多的脑区来完成额外的认知任务。这似乎说明老年人额叶的过度激活也受任务性质的影响。
    4.4　研究局限性
    在本研究中，无论激活面积还是激活强度的探讨主要基于描述数据，其结果的可靠性还需进一步运用统计推论技术加以检验。另外，除了对整个被试组的大脑激活情况进行分析之外，本研究还尝试对每个被试的大脑激活面积情况进行了考察。结果发现，无论年轻人还是老年人，随任务难度增加面积逐步递增都占最大的比重，但是由于存在很大的个体差异，当词频降低时，年轻人被试组整体表现出的模式是激活面积减少，可见，激活面积与难度之间的关系是非常复杂的，除了受难度的影响，还可能受个体差异的影响，此外，由于受被试样本量的制约，本研究无法根据行为成绩对被试进行分组来考察额叶脑区的补偿作用，这也是本研究的不足之处。因此，还需要进一步扩大样本量改进设计对任务难度和大脑激活情况进行详细深入的研究。
    5　结论
    本研究得到以下结论：(1)当任务难度增加时，脑激活增强的方式(面积或者强度)受认知任务性质影响。(2)不同难度条件下，行为成绩和大脑激活强度之间可能并不存在一一对应的递变关系。(3)老年人额叶脑区的补偿作用具有任务特异性。