年老化過程中的認知行為和腦網絡改變

1、年老化過程中的認知行為和腦網絡改變------人腦額頂功能網絡的重要性,王共強,腦網絡組學（Brainnetome）,2010年，科技部啟動腦網絡方面的“973”項目，在此基礎上，蔣田仔等正式提出“腦網絡組學”的概念，強調腦網絡研究從結構到功能、從靜態(tài)到動態(tài)、從微觀到宏觀、從實體到仿真等不同層面研究的必要性。國家自然基金2011年啟動“情感和記憶的神經環(huán)路基礎”重大研究計劃，主要支持“情感”和“記憶”這二類認知功能及其障礙的腦網絡表

2、征及其相關技術的研究。中科院2012年啟動“腦功能聯(lián)結圖譜研究計劃”先導專項(B類)，主要支持“感/知覺”、“記憶”、“情感”和“獎賞”四類認知功能及其障礙的腦網絡表征及其所所需要的先導技術研究。這兩個重大計劃側重于腦網絡組學中“腦功能及功能異常的腦網絡表征”這個方向的一些特定的認知功能及其障礙，腦網絡組學的其他方面有待進一步支持。,腦網絡組學（Brainnetome）,是以腦網絡為基本單元的組學，研究內容包括利用各種成像技術及電生

3、理技術在宏觀、介觀及微觀尺度上建立人腦和動物腦的腦區(qū)、神經元群或神經元之間的腦網絡，在此基礎上研究腦網絡拓撲結構、腦網絡的動力學屬性、腦功能及功能異常的腦網絡表征、腦網絡的遺傳基礎，并對腦網絡進行建模和仿真，以及實現(xiàn)這些目標所要的超級計算平臺。研究目標是從腦網絡的連接模式及其演變規(guī)律闡明腦的工作機理及腦疾病的發(fā)生和發(fā)展機制，為研究人腦內部復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功能開辟新途徑，

4、為實現(xiàn)類腦的智能處理器奠定基礎。,,,健康被試與精神分裂癥患者記憶相關的功能網絡連接模式對比。顏色標示的腦區(qū)是功能網絡的重要節(jié)點：綠色節(jié)點表示兩組被試都存在這些重要腦區(qū)，藍色和紅色節(jié)點分別對應只在健康被試和精神分裂癥患者中存在。圓圈標示的腦區(qū)表示精神分裂癥患者的灰質體積顯著降低（Wang et al., 2010, J Neurosci）。,,功能連接強度隨中風康復過程中的動態(tài)變化。圓圈表示運動執(zhí)行網絡腦區(qū)。紅色連接表示中風患者運動功能

5、康復過程中顯著增強的連接，藍色表示顯著減弱的連接（Wang et al., 2010, Brain）。,,基于擴散張量成像數(shù)據(jù)構建的TEO-Pulvinar電極之間的概率纖維連接束（Saalmann et al., 2012, Science）,Brain:科學家首次繪制大腦功能網絡動態(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行為科學領域排名第3神經科學領域排名第15作者: 中國科學院行為科學重點實驗室左西年研究組,文章研究背景,年老化過程伴隨著一系列大腦結構和功能的改變，導

7、致老年人記憶、加工速度以及執(zhí)行功能等重要認知能力的下降。研究人員從未停止過對認知能力下降的腦機制探索，特別是隨著功能磁共振成像技術的普及。基于任務態(tài)功能磁共振成像的認知老化研究中，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，其結果往往難以得到重復驗證，信效度也會受到影響。已有認知老化研究中，研究者往往關注認知任務引發(fā)的腦區(qū)激活。,文章研究背景,近年來，系統(tǒng)神經科學快速發(fā)展，腦連接組學領域發(fā)現(xiàn)人腦符合分布式的網絡組織。

8、基于功能磁共振成像的研究也表明認知年老化的腦活動變化不僅體現(xiàn)在局部腦區(qū)激活上，還體現(xiàn)在大尺度腦功能網絡上。當前，認知老化過程伴隨的腦功能網絡的變化缺乏系統(tǒng)結果，并且其與行為改變之間的關系尚未解讀。,大腦的三種網絡,1）結構性網絡（structure network）：這種網絡一般是通過實體解剖或通過核磁影像的方法來確定。2）功能性網絡（functional network）：描述皮層神經網絡各節(jié)點之間的統(tǒng)計性連接關系，為無向網絡。

9、這種網絡的構建可基于相位同步分析，互相關等方法由EEG、MEG、fMRI等信號構建。3）效用性網絡（effective network）：描述皮層神經網絡各節(jié)點之間的相互影響或信息流向，為有向網絡。效用性網絡相對于功能性網絡來說考察的內容除了各腦功能區(qū)域之間相互關系的強弱外，還考察他們之間相互作用關系的強弱。,LOREM IPSUM DOLOR,認知和腦功能老化機制一直是科學研究前沿. 應用功能磁共振成像(functional ma

10、gnetic resonance imaging, fMRI)技術考察老年人認知操作(如記憶、情緒判斷等)時大腦激活情況，已取得系列成果。腦網絡組學研究發(fā)現(xiàn)大腦符合分布式功能網絡組織。腦年老化是否會導致腦功能網絡改變? 腦功能網絡改變與行為有何關系?,,該研究不僅在行為、腦功能和腦網絡等多層次上揭示了認知與腦老化的核心機制。發(fā)現(xiàn)人腦額頂功能網絡的激活在老年人認知行為變化中起重要調控作用； 而且對于認知老年化的日常生活應對有諸多啟

11、示。,,認知年老化研究歷經了兩個階段：1）基于傳統(tǒng)認知心理學發(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)化和補償”(selection, optimization,and compensation, SOC)理論等； 2）基于越來越多的認知神經科學證據(jù)提出了老年人半球非對稱性下降假說、老化的前后轉移模型、去分化假說、補償相關神經環(huán)路利用假說以及老化和認知的腳手架理論等。 這些模型和假說是目前認知老化的主

12、流理論?？梢灶A測隨著腦功能網絡隨增齡改變的研究不斷深入，認知老化模型必將被更新。,文章亮點一,開創(chuàng)性地采用人腦功能網絡系統(tǒng)劃分的最近進展，對已發(fā)表的114項（涉及2035名老年人和1845名青年人）關于認知老化的任務態(tài)功能磁共振成像研究結果進行了薈萃分析（Meta-analysis，一種對不同研究結果進行收集、合并及統(tǒng)計分析的方法）發(fā)現(xiàn)，執(zhí)行認知任務時，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、內側額葉以及前中央回等腦區(qū)激活升高。,文章亮點二,對上述腦功能激活變化在七大腦功能網絡中的分布進行深入數(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)主要位于視覺網絡，而激活升高的腦區(qū)主要位于額頂網絡和默認網絡；2）行為表現(xiàn)好的老年人（認知保持組）腦激活升高集中性分布在額頂網絡，而行為表現(xiàn)差（認知下降組）的老年人激活升高則分散在背側注意網絡、額頂網絡和默認網絡，但是兩組老年人激活降低的腦網絡分布相似。,,圖1 老年人

14、和青年人在執(zhí)行認知任務時激活變化對比的腦網絡分布。Overall表示在總體研究結果上；CogInv表示老年認知不變組CogDec表示老年認知下降組Y，青年人；O，老年人。,文章亮點三,該研究對傳統(tǒng)的認知年老化模型提出了挑戰(zhàn)。認知神經科學的認知老化模型，如老年人半球非對稱性下降假說（HAROLD）、老化的前后轉移模型（PASA）、去分化假說、補償相關神經環(huán)路利用假說（CRUNCH），以及老化和認知的腳手架理論（STAC）等，

15、都是建立在補償和分化的基礎上。在認知老化研究中，區(qū)分成功補償（腦區(qū)激活升高，行為成績提高）和非成功補償（腦區(qū)激活升高，行為成績仍然較低）是非常重要的。,文章亮點三,額頂網絡是人腦核心認知控制系統(tǒng)，主要負責不同腦網絡之間的信息交換與功能協(xié)調。該研究發(fā)現(xiàn)其在老年人認知行為成功補償中發(fā)揮著至關重要的核心作用，其功能活動的不足將影響認知行為功能下降。這些發(fā)現(xiàn)將推動全新認知老化腦網絡模型的構建以及針對現(xiàn)有模型進行基于腦連接組學的修訂。,文章

16、對認知老化研究的意義1,腦連接組與功能網絡將成為未來認知老化研究的關注熱點。系統(tǒng)神經科學不僅有助于描述正常及異常的大腦網絡，開發(fā)預測認知老化引發(fā)的神經退行性疾病及其進展的神經影像學標記，也有助于揭示認知衰老的神經機制。該文提出的系統(tǒng)分析方法在基于腦功能網絡和任務激活兩類研究之間架起了橋梁。,文章對認知老化研究的意義2,認知老化是畢生發(fā)展研究的重要領域。相關腦功能網絡研究對于成人乃至早期發(fā)展研究均有重要啟發(fā)。生命個體的發(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)展技能以彌補正在降低的某種能力； 畢生發(fā)展研究需要心理學、生物學、醫(yī)學、神經科學等多學科參與。 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，功能網絡內連接隨增齡呈倒U形下降，而網絡間連接則呈U形上升。任務態(tài)fMRI的畢生發(fā)展較少，亟需加強。此外，在認知老化甚至畢生發(fā)展過程中， 腦功能網絡與行為成績有

18、何種關聯(lián), 也值得深入探索。,文章對認知老化研究的意義3,研究直接指導老年人干預研究。目前對老年人進行干預的主要手段包括認知訓練、運動訓練和游戲訓練。認知訓練主要是通過讓老年人練習某種認知任務(比如記憶策略等)來提高相應的認知能力，以延緩認知下降的速度。前人研究表明，通過學習與訓練，老年人也具有一定的認知可塑性。運動干預主要是通過有氧運動方式來對老年人進行訓練，以提高其認知功能。視頻游戲具有任務多樣性、實時反饋、快速適應和較高的