年老化過程中的認(rèn)知行為和腦網(wǎng)絡(luò)改變

1、年老化過程中的認(rèn)知行為和腦網(wǎng)絡(luò)改變------人腦額頂功能網(wǎng)絡(luò)的重要性,王共強(qiáng),腦網(wǎng)絡(luò)組學(xué)（Brainnetome）,2010年，科技部啟動(dòng)腦網(wǎng)絡(luò)方面的“973”項(xiàng)目，在此基礎(chǔ)上，蔣田仔等正式提出“腦網(wǎng)絡(luò)組學(xué)”的概念，強(qiáng)調(diào)腦網(wǎng)絡(luò)研究從結(jié)構(gòu)到功能、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、從微觀到宏觀、從實(shí)體到仿真等不同層面研究的必要性。國(guó)家自然基金2011年啟動(dòng)“情感和記憶的神經(jīng)環(huán)路基礎(chǔ)”重大研究計(jì)劃，主要支持“情感”和“記憶”這二類認(rèn)知功能及其障礙的腦網(wǎng)絡(luò)表

2、征及其相關(guān)技術(shù)的研究。中科院2012年啟動(dòng)“腦功能聯(lián)結(jié)圖譜研究計(jì)劃”先導(dǎo)專項(xiàng)(B類)，主要支持“感/知覺”、“記憶”、“情感”和“獎(jiǎng)賞”四類認(rèn)知功能及其障礙的腦網(wǎng)絡(luò)表征及其所所需要的先導(dǎo)技術(shù)研究。這兩個(gè)重大計(jì)劃側(cè)重于腦網(wǎng)絡(luò)組學(xué)中“腦功能及功能異常的腦網(wǎng)絡(luò)表征”這個(gè)方向的一些特定的認(rèn)知功能及其障礙，腦網(wǎng)絡(luò)組學(xué)的其他方面有待進(jìn)一步支持。,腦網(wǎng)絡(luò)組學(xué)（Brainnetome）,是以腦網(wǎng)絡(luò)為基本單元的組學(xué)，研究?jī)?nèi)容包括利用各種成像技術(shù)及電生

3、理技術(shù)在宏觀、介觀及微觀尺度上建立人腦和動(dòng)物腦的腦區(qū)、神經(jīng)元群或神經(jīng)元之間的腦網(wǎng)絡(luò)，在此基礎(chǔ)上研究腦網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、腦網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)屬性、腦功能及功能異常的腦網(wǎng)絡(luò)表征、腦網(wǎng)絡(luò)的遺傳基礎(chǔ)，并對(duì)腦網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模和仿真，以及實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)所要的超級(jí)計(jì)算平臺(tái)。研究目標(biāo)是從腦網(wǎng)絡(luò)的連接模式及其演變規(guī)律闡明腦的工作機(jī)理及腦疾病的發(fā)生和發(fā)展機(jī)制，為研究人腦內(nèi)部復(fù)雜的信息處理過程與高效的組織模式提供有效的途徑，為理解腦的信息處理過程及腦的高級(jí)功能開辟新途徑，

4、為實(shí)現(xiàn)類腦的智能處理器奠定基礎(chǔ)。,,,健康被試與精神分裂癥患者記憶相關(guān)的功能網(wǎng)絡(luò)連接模式對(duì)比。顏色標(biāo)示的腦區(qū)是功能網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)：綠色節(jié)點(diǎn)表示兩組被試都存在這些重要腦區(qū)，藍(lán)色和紅色節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)只在健康被試和精神分裂癥患者中存在。圓圈標(biāo)示的腦區(qū)表示精神分裂癥患者的灰質(zhì)體積顯著降低（Wang et al., 2010, J Neurosci）。,,功能連接強(qiáng)度隨中風(fēng)康復(fù)過程中的動(dòng)態(tài)變化。圓圈表示運(yùn)動(dòng)執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)腦區(qū)。紅色連接表示中風(fēng)患者運(yùn)動(dòng)功能

5、康復(fù)過程中顯著增強(qiáng)的連接，藍(lán)色表示顯著減弱的連接（Wang et al., 2010, Brain）。,,基于擴(kuò)散張量成像數(shù)據(jù)構(gòu)建的TEO-Pulvinar電極之間的概率纖維連接束（Saalmann et al., 2012, Science）,Brain:科學(xué)家首次繪制大腦功能網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)圖譜,Neural, electrophysiological and anatomical basis of brain-network variab

6、ility and its characteristic changes in mental disorders. Brain. 2016 Jul 14. 2307-21,,,Neuroscience and Biobehavioral Reviews期刊五年影響因子10.528行為科學(xué)領(lǐng)域排名第3神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域排名第15作者: 中國(guó)科學(xué)院行為科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室左西年研究組,文章研究背景,年老化過程伴隨著一系列大腦結(jié)構(gòu)和功能的改變，導(dǎo)

7、致老年人記憶、加工速度以及執(zhí)行功能等重要認(rèn)知能力的下降。研究人員從未停止過對(duì)認(rèn)知能力下降的腦機(jī)制探索，特別是隨著功能磁共振成像技術(shù)的普及?；谌蝿?wù)態(tài)功能磁共振成像的認(rèn)知老化研究中，樣本量通常較小，絕大多數(shù)研究的被試量都在10-30人之間，其結(jié)果往往難以得到重復(fù)驗(yàn)證，信效度也會(huì)受到影響。已有認(rèn)知老化研究中，研究者往往關(guān)注認(rèn)知任務(wù)引發(fā)的腦區(qū)激活。,文章研究背景,近年來，系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)快速發(fā)展，腦連接組學(xué)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)人腦符合分布式的網(wǎng)絡(luò)組織。

8、基于功能磁共振成像的研究也表明認(rèn)知年老化的腦活動(dòng)變化不僅體現(xiàn)在局部腦區(qū)激活上，還體現(xiàn)在大尺度腦功能網(wǎng)絡(luò)上。當(dāng)前，認(rèn)知老化過程伴隨的腦功能網(wǎng)絡(luò)的變化缺乏系統(tǒng)結(jié)果，并且其與行為改變之間的關(guān)系尚未解讀。,大腦的三種網(wǎng)絡(luò),1）結(jié)構(gòu)性網(wǎng)絡(luò)（structure network）：這種網(wǎng)絡(luò)一般是通過實(shí)體解剖或通過核磁影像的方法來確定。2）功能性網(wǎng)絡(luò)（functional network）：描述皮層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的統(tǒng)計(jì)性連接關(guān)系，為無向網(wǎng)絡(luò)。

9、這種網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建可基于相位同步分析，互相關(guān)等方法由EEG、MEG、fMRI等信號(hào)構(gòu)建。3）效用性網(wǎng)絡(luò)（effective network）：描述皮層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)之間的相互影響或信息流向，為有向網(wǎng)絡(luò)。效用性網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于功能性網(wǎng)絡(luò)來說考察的內(nèi)容除了各腦功能區(qū)域之間相互關(guān)系的強(qiáng)弱外，還考察他們之間相互作用關(guān)系的強(qiáng)弱。,LOREM IPSUM DOLOR,認(rèn)知和腦功能老化機(jī)制一直是科學(xué)研究前沿. 應(yīng)用功能磁共振成像(functional ma

10、gnetic resonance imaging, fMRI)技術(shù)考察老年人認(rèn)知操作(如記憶、情緒判斷等)時(shí)大腦激活情況，已取得系列成果。腦網(wǎng)絡(luò)組學(xué)研究發(fā)現(xiàn)大腦符合分布式功能網(wǎng)絡(luò)組織。腦年老化是否會(huì)導(dǎo)致腦功能網(wǎng)絡(luò)改變? 腦功能網(wǎng)絡(luò)改變與行為有何關(guān)系?,,該研究不僅在行為、腦功能和腦網(wǎng)絡(luò)等多層次上揭示了認(rèn)知與腦老化的核心機(jī)制。發(fā)現(xiàn)人腦額頂功能網(wǎng)絡(luò)的激活在老年人認(rèn)知行為變化中起重要調(diào)控作用； 而且對(duì)于認(rèn)知老年化的日常生活應(yīng)對(duì)有諸多啟

11、示。,,認(rèn)知年老化研究歷經(jīng)了兩個(gè)階段：1）基于傳統(tǒng)認(rèn)知心理學(xué)發(fā)現(xiàn)提出了加工速度理論、抑制能力減弱假說、執(zhí)行功能衰退假說以及“選擇、優(yōu)化和補(bǔ)償”(selection, optimization,and compensation, SOC)理論等； 2）基于越來越多的認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)證據(jù)提出了老年人半球非對(duì)稱性下降假說、老化的前后轉(zhuǎn)移模型、去分化假說、補(bǔ)償相關(guān)神經(jīng)環(huán)路利用假說以及老化和認(rèn)知的腳手架理論等。 這些模型和假說是目前認(rèn)知老化的主

12、流理論。可以預(yù)測(cè)隨著腦功能網(wǎng)絡(luò)隨增齡改變的研究不斷深入，認(rèn)知老化模型必將被更新。,文章亮點(diǎn)一,開創(chuàng)性地采用人腦功能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)劃分的最近進(jìn)展，對(duì)已發(fā)表的114項(xiàng)（涉及2035名老年人和1845名青年人）關(guān)于認(rèn)知老化的任務(wù)態(tài)功能磁共振成像研究結(jié)果進(jìn)行了薈萃分析（Meta-analysis，一種對(duì)不同研究結(jié)果進(jìn)行收集、合并及統(tǒng)計(jì)分析的方法）發(fā)現(xiàn)，執(zhí)行認(rèn)知任務(wù)時(shí)，與青年人相比，老年人在海馬旁回、梭狀回、額下回以及語言回等腦區(qū)激活降低，而在額中回、

13、內(nèi)側(cè)額葉以及前中央回等腦區(qū)激活升高。,文章亮點(diǎn)二,對(duì)上述腦功能激活變化在七大腦功能網(wǎng)絡(luò)中的分布進(jìn)行深入數(shù)據(jù)挖掘（如下圖所示）發(fā)現(xiàn)：1）系統(tǒng)水平上，老年人激活降低的腦區(qū)主要位于視覺網(wǎng)絡(luò)，而激活升高的腦區(qū)主要位于額頂網(wǎng)絡(luò)和默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)；2）行為表現(xiàn)好的老年人（認(rèn)知保持組）腦激活升高集中性分布在額頂網(wǎng)絡(luò)，而行為表現(xiàn)差（認(rèn)知下降組）的老年人激活升高則分散在背側(cè)注意網(wǎng)絡(luò)、額頂網(wǎng)絡(luò)和默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)，但是兩組老年人激活降低的腦網(wǎng)絡(luò)分布相似。,,圖1 老年人

14、和青年人在執(zhí)行認(rèn)知任務(wù)時(shí)激活變化對(duì)比的腦網(wǎng)絡(luò)分布。Overall表示在總體研究結(jié)果上；CogInv表示老年認(rèn)知不變組CogDec表示老年認(rèn)知下降組Y，青年人；O，老年人。,文章亮點(diǎn)三,該研究對(duì)傳統(tǒng)的認(rèn)知年老化模型提出了挑戰(zhàn)。認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的認(rèn)知老化模型，如老年人半球非對(duì)稱性下降假說（HAROLD）、老化的前后轉(zhuǎn)移模型（PASA）、去分化假說、補(bǔ)償相關(guān)神經(jīng)環(huán)路利用假說（CRUNCH），以及老化和認(rèn)知的腳手架理論（STAC）等，

15、都是建立在補(bǔ)償和分化的基礎(chǔ)上。在認(rèn)知老化研究中，區(qū)分成功補(bǔ)償（腦區(qū)激活升高，行為成績(jī)提高）和非成功補(bǔ)償（腦區(qū)激活升高，行為成績(jī)?nèi)匀惠^低）是非常重要的。,文章亮點(diǎn)三,額頂網(wǎng)絡(luò)是人腦核心認(rèn)知控制系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)不同腦網(wǎng)絡(luò)之間的信息交換與功能協(xié)調(diào)。該研究發(fā)現(xiàn)其在老年人認(rèn)知行為成功補(bǔ)償中發(fā)揮著至關(guān)重要的核心作用，其功能活動(dòng)的不足將影響認(rèn)知行為功能下降。這些發(fā)現(xiàn)將推動(dòng)全新認(rèn)知老化腦網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建以及針對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行基于腦連接組學(xué)的修訂。,文章

16、對(duì)認(rèn)知老化研究的意義1,腦連接組與功能網(wǎng)絡(luò)將成為未來認(rèn)知老化研究的關(guān)注熱點(diǎn)。系統(tǒng)神經(jīng)科學(xué)不僅有助于描述正常及異常的大腦網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)預(yù)測(cè)認(rèn)知老化引發(fā)的神經(jīng)退行性疾病及其進(jìn)展的神經(jīng)影像學(xué)標(biāo)記，也有助于揭示認(rèn)知衰老的神經(jīng)機(jī)制。該文提出的系統(tǒng)分析方法在基于腦功能網(wǎng)絡(luò)和任務(wù)激活兩類研究之間架起了橋梁。,文章對(duì)認(rèn)知老化研究的意義2,認(rèn)知老化是畢生發(fā)展研究的重要領(lǐng)域。相關(guān)腦功能網(wǎng)絡(luò)研究對(duì)于成人乃至早期發(fā)展研究均有重要啟發(fā)。生命個(gè)體的發(fā)展是畢生過程

17、，是多維度、多功能獲得與喪失并行的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)； 發(fā)展具有高度可塑性，各年齡段的人皆可發(fā)展技能以彌補(bǔ)正在降低的某種能力； 畢生發(fā)展研究需要心理學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等多學(xué)科參與。 目前，基于靜息態(tài)fMRI的畢生發(fā)展研究已有不少新發(fā)現(xiàn)。比如，畢生發(fā)展過程中腦半球連接呈U形軌線，功能網(wǎng)絡(luò)內(nèi)連接隨增齡呈倒U形下降，而網(wǎng)絡(luò)間連接則呈U形上升。任務(wù)態(tài)fMRI的畢生發(fā)展較少，亟需加強(qiáng)。此外，在認(rèn)知老化甚至畢生發(fā)展過程中， 腦功能網(wǎng)絡(luò)與行為成績(jī)有

18、何種關(guān)聯(lián), 也值得深入探索。,文章對(duì)認(rèn)知老化研究的意義3,研究直接指導(dǎo)老年人干預(yù)研究。目前對(duì)老年人進(jìn)行干預(yù)的主要手段包括認(rèn)知訓(xùn)練、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和游戲訓(xùn)練。認(rèn)知訓(xùn)練主要是通過讓老年人練習(xí)某種認(rèn)知任務(wù)(比如記憶策略等)來提高相應(yīng)的認(rèn)知能力，以延緩認(rèn)知下降的速度。前人研究表明，通過學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，老年人也具有一定的認(rèn)知可塑性。運(yùn)動(dòng)干預(yù)主要是通過有氧運(yùn)動(dòng)方式來對(duì)老年人進(jìn)行訓(xùn)練，以提高其認(rèn)知功能。視頻游戲具有任務(wù)多樣性、實(shí)時(shí)反饋、快速適應(yīng)和較高的