正常健康老年人数字工作记忆的脑加工神经机制

正常健康老年人数字工作记忆的脑加工神经机制

文档日志是一项临时信息加工和存储能量有限的记忆系统，包括信息编码、存储和提取流程，在完成语言理解、学习、论证、思维等复杂认知任务方面发挥着重要作用。数字工作记忆是一种临床上和心理实验中最常用的测试认知障碍的方法之一。本研究采用脑功能磁共振成像(fMRI)技术探讨正常老年人数字工作记忆的激活脑区,探讨其数字工作记忆的脑加工机制。1数据和方法1.1脑内病变检查本研究选取正常老年人15例,男7例,女8例,年龄53～72[平均(61.0±7.6)]岁,小学以上学历。所有被试临床无神经及精神疾病史,MRI常规检查未发现脑内病变。均为右利手,在实验前均签署了知情同意书。1.2被试和测试数字实验采用事件相关设计,刺激序列由DMDX软件编写刺激呈现程序、运行并实时记录反应。研究采用延迟样本匹配范式数字记忆任务为随机出现实验以开始,间隔300ms呈现的三个不同的数字,各持续500ms;之后,屏幕显示“?”,持续4300/6300/8300ms不等,然后出现测试数字,被试需要在1600ms内判断测试数字是否属于记忆组内的三个数字,如果出现过右手大拇指按右键,反之用左手大拇指按左键,控制任务为被动注视屏幕中央的“+”字。任务包括30个测试组,持续时间8min28s。在进行fMRI扫描时,整个实验过程要求被试者注视计算机屏幕中央并保持头部不动,并实时记录反应时(RT)和正确率等行为反应信息。见图1。1.3bold-fmri检查采用3.0T磁共振成像系统(SiemensSonata)进行图像采集。首先用自旋回波(spinecho,SE)脉冲序列获得颅脑横轴位25层T1加权像(T1-weightedimaging,T1WI),扫描参数为:TR/TE=500/14ms,层厚4mm,间隔0.8mm,FOV240mm×240mm,矩阵256×256。再用单次激发梯度回波平面回波成像(echoplanarimaging,EPI)序列进行BOLD-fMRI检查,扫描层面与T1WI相同,每层获取254帧图像。EPI扫描参数为:TR/TE=2000/40ms,翻转角90°,层厚4mm,间隔0.8mm,FOV240mm×240mm,矩阵64×64。最后用三维磁化准备快速梯度回波成像(magnetizationpreparedrapidgradientechoimaging,MPRAGE)序列行矢状位连续176层覆盖全脑扫描,以进行三维重建及空间配准。扫描参数为:TR/TE=1970/3.93ms,翻转角15°,层厚1.70mm,间隔0.85mm,FOV250mm×250mm,矩阵448×512。1.4功能像的标准化采用国际上通用的功能神经影像分析(AnalysisofFunctionalNeuroImages,AFNI)软件处理分析脑成像数据。预处理中首先对功能像进行头动校正,并对图像进行各向同性高斯平滑(FWHM=6mm),然后计算功能像的信号变化率,对其进行数据标准化。最后把功能像与三维全脑结构像对齐和空间标准化,并在该标准坐标体系内以3mm×3mm×3mm的体积单元进行重新采样。采用正交方法估算每个正常老年人在数字工作记忆三个阶段(编码期、保持期、提取期)的统计回归值,最后通过混合效应的组分析(三阶段为固定效应,被试为固定效应)分别得到编码期、保持期、提取期的脑激活图,多重比较校正经蒙特卡洛模拟估算,校正后统计阈值为P<0.05(原始阈值P<0.001,t>3.33,激活体积>729mm3)。2结果2.1行为实验的结果2.2持期和提取期脑激活数字工作记忆的编码期,正常老年人激活双侧中央前回、双侧梭状回、双侧枕下回、双侧小脑;数字工作记忆的保持期,脑激活位于左侧中央前回、中央后回、岛叶、额下回及额中回、双侧壳核、双侧梭状回及右额下回也有少量激活;数字工作记忆的提取期,脑激活位于双侧壳核、双侧丘脑、双侧岛叶、双侧顶下小叶、左侧额下回、左侧中央后回、左侧颞中回、左侧颞下回、双侧小脑,见图2A～C。相应激活脑区的Talairach坐标,见表1。3研究结果与分析人脑记忆活动存在左右半球分工现象,即左脑参与语言及与语言有关的记忆、认知活动;右脑参与图形、结构等视空间功能及与其有关的记忆、认知活动。数字工作记忆属于短时记忆的范围,它要求被试者在较短的时间内将不断出现的数字信息记忆、储存并与以前记住的数字进行比较、判断,数字信息在此过程中进行初步加工,这个过程需要不断地对短时记忆系统的信息进行编码、储存和提取,也需要从长时记忆系统中提取一定的信息,记忆的持续时间一般为几秒至几十秒钟。延迟反应任务中目标、延迟和探测三个阶段包含不同的认知加工成分,目标阶段编码输入信息,延迟阶段保持信息,探测阶段提取信息和选择反应。组块设计把延迟反应任务作为单一阶段进行fMRI扫描,不能区分不同的加工阶段及相应的认知成分,其结果是某一或所有任务阶段参与不同加工活动的结果,无法明确具体是工作记忆任务的哪个加工阶段。因此本研究采用事件相关设计fMRI对实验任务进行分阶段扫描,分析工作记忆中的短暂效应和持续效应,目标阶段呈现给被试一组刺激序列(几个数字),延迟阶段刺激消失后延迟间隔数秒,探测阶段呈现探测刺激,被试判断探测刺激是否在前面呈现的目标刺激中出现过。本实验结果显示,编码期激活双侧中央前回、双侧梭状回、双侧枕下回、双侧小脑、左侧角回;保持期激活位于左侧中央前回、中央后回、岛叶、额下回及额中回,双侧梭状回及右额下回;提取期激活位于双侧壳核、双侧岛叶、左侧额下回、左侧枕中回、左侧顶下小叶、左侧中央后回、右侧颞上回、右侧颞下回、右侧角回、双侧小脑。而且本研究与文献报道相符,脑激活具有左侧半球优势以左侧额颞顶叶为主同时小脑及其他脑区也有一定激活,说明在处理数字工作记忆信息时,即对数字工作记忆中数字信息的储存及提取过程中,需要脑内多个区域之间的相互协调才能完成。研究发现小脑除了具有平衡躯体、调节肌紧张、协调随意运动外,也参与学习、记忆等。记忆过程中的提取加工一直是记忆研究核心和焦点,本研究显示正常老年人数字工作记忆提取期脑激活明显较编码期和保持期增多,其他研究也显示正常老年人编码时激活较少,而提取时激活相对较多,表现为将激活时间延至提取时进行,这可能是由于老年人记忆编码能力下降较为严重,因此提取期任务相对就会加重,完成任务需要动用更多的脑资源,因此相应的脑激活区增多。对工作记忆的研究认为额叶,特别是左侧额叶在数字工作记忆中起重要作用,此外研究认为在发育过程中额叶发育较晚,其老化也最早,正常老年人数字工作记忆提取期除额叶外,左侧颞顶叶也有明显脑激活,提示颞顶叶激活可能代偿额叶功能下降。工作记忆是一个复杂的在线信息加工系统,不仅依靠具体的脑区分工,更是依靠网络整体的协作来完成任务,负载较低时,大脑选择资源余地较大,需要完成较难的任务时,自动趋向于多个脑区的网络协作。左侧额叶在正常老年人脑数字工作记忆中