正常老年人視覺(jué)搜索任務(wù)中腦活動(dòng)的神經(jīng)解剖基礎(chǔ)

正常老年人視覺(jué)搜索任務(wù)中腦活動(dòng)的神經(jīng)解剖基礎(chǔ)

認(rèn)知障礙是老年人腦癱的基本表現(xiàn)和必要特征。在臨床實(shí)踐中，老年人認(rèn)知功能的變化和其特征對(duì)老年人的早年經(jīng)驗(yàn)以及早期診斷非常重要。本研究采用腦功能磁共振成像(functionalMRI,fMRI)技術(shù)研究正常老年人完成視覺(jué)搜索任務(wù)時(shí)的腦活動(dòng)情況,旨在了解其視覺(jué)注意功能水平,并對(duì)相應(yīng)的神經(jīng)解剖基礎(chǔ)進(jìn)行初步探討。1數(shù)據(jù)和方法1.1正常人群選擇13名健康老年人,均源于我院社區(qū)老年人健康狀況調(diào)查的研究對(duì)象,其中男6例,女7例,年齡56～78歲,平均(64.5±6.7)歲;12名正常年輕人均為大學(xué)本科生及研究生,其中男5例、女7例,年齡19～24歲,平均(20.5±3.8)歲。所有受試者均為右利手,裸視或矯正視力正常,均非紅綠色盲。對(duì)本次實(shí)驗(yàn)研究的目的和方法均知情同意。1.2功能像生成及其成像結(jié)構(gòu)采用SiemensSonata1.5T超導(dǎo)MR成像系統(tǒng)。首先使用自旋回波(spinecho,SE)脈沖序列(TR500ms,TE14ms;層厚5mm,間隔1mm;視野220mm×220mm;矩陣256×256),獲得16層橫軸面T1解剖像(T1weightedimaging,T1WI);功能像采用梯度回波-回波平面成像(gradientechoplanarimaging,EPI)序列(TR4500ms,TE50ms;翻轉(zhuǎn)角90°;層厚5mm,間隔1mm;視野220mm×220mm;矩陣64×64),在T1WI同樣的層面上獲得fMRI圖像,每層獲取108幀功能圖像。最后使用三維磁化準(zhǔn)備快速梯度回波成像(magnetizationpreparedrapidgradientechoimaging,MPRAGE)序列(TR1900ms,TE3.93ms;翻轉(zhuǎn)角15°;層厚1.70mm,間隔0.85mm;視野250mm×250mm;矩陣448×512)行矢狀面連續(xù)96層覆蓋全腦的掃描,以便進(jìn)行后續(xù)的三維重建及空間配準(zhǔn)。1.3模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)由計(jì)算機(jī)編程的刺激程序通過(guò)液晶投影儀投射到屏幕上,受試者在MRI掃描儀內(nèi)可看到屏幕上的刺激內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)包括2種視覺(jué)搜索任務(wù):單特征搜索(singlefeaturesearch)又稱popout任務(wù):要求受試者判斷在綠色水平長(zhǎng)條中是否存在紅色垂直長(zhǎng)條(圖1A);聯(lián)合特征搜索(conjunctionfeaturesearch)任務(wù):靶刺激是垂直紅色長(zhǎng)條,干擾項(xiàng)是垂直綠色長(zhǎng)條和水平紅色長(zhǎng)條(圖1B)。屏幕上出現(xiàn)長(zhǎng)條的高度為8mm,寬度為3mm。受試者距屏幕距離約256cm,視角10°。屏幕上呈現(xiàn)長(zhǎng)條的數(shù)目分別為4、8和12個(gè)三種條件,每種條件包括24個(gè)測(cè)驗(yàn)(trial),并在整個(gè)測(cè)驗(yàn)中隨機(jī)呈現(xiàn),其中50%實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)目標(biāo)刺激,即目標(biāo)刺激出現(xiàn)和不出現(xiàn)的幾率各占50%,靶刺激出現(xiàn)時(shí)將取代其中1個(gè)干擾項(xiàng)目。采用標(biāo)準(zhǔn)的block實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì):靜息狀態(tài)與任務(wù)狀態(tài)交替進(jìn)行,實(shí)驗(yàn)開(kāi)始為靜息狀態(tài),要求受試者僅注意注視點(diǎn)“★”,手部不做任何動(dòng)作,時(shí)間為27s;接著出現(xiàn)任務(wù)狀態(tài),每次判斷任務(wù)之前出現(xiàn)“+”500ms,任務(wù)呈現(xiàn)時(shí)間3000ms,然后空屏?xí)r間1000ms;再進(jìn)行下一個(gè)任務(wù),12trials/block,共6個(gè)block,81s/block。實(shí)驗(yàn)正式開(kāi)始前做練習(xí),使被試熟悉整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程并熟練完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)任務(wù)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程要求受試者注視計(jì)算機(jī)屏幕中央并保持頭部不動(dòng),對(duì)是否出現(xiàn)目標(biāo)項(xiàng)盡可能快、盡可能準(zhǔn)確地按鍵作出判斷,反應(yīng)的正確與否及反應(yīng)時(shí)間(reactiontime,RT)均實(shí)時(shí)記錄。1.4數(shù)據(jù)分析1.4.1兩組應(yīng)正確率分析①采用SPSS10.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)2個(gè)研究組不同任務(wù)的RT和反應(yīng)正確率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,判斷組內(nèi)和組間RT是否有顯著性差異;②采用線性回歸分析計(jì)算2個(gè)研究組在不同任務(wù)下的斜率(slope)和截距(intercept),判斷不同任務(wù)對(duì)注意資源需求量的差異。1.4.2gaus蝦n結(jié)構(gòu)像的計(jì)學(xué)分析采用國(guó)際上通用的功能神經(jīng)成像分析軟件SPM99(statisticalparametricmapping,SPM)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。首先對(duì)所得到的功能圖像進(jìn)行空間預(yù)處理,以檢出并修正運(yùn)動(dòng)偽影,然后將數(shù)據(jù)編碼到三維結(jié)構(gòu)像并按照Talairach等圖譜標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配準(zhǔn),使用各向同性Gaussian核心法,以半高寬(fullwidthathalfmaximum,FWHM)為8mm對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理,提高圖像的信噪比。最后,對(duì)平滑過(guò)的圖像做基于像素的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。采用一般線性檢驗(yàn)(generallineartest)計(jì)算組間和任務(wù)間的差異。2結(jié)果2.1行為實(shí)驗(yàn)的結(jié)果2個(gè)研究組完成不同任務(wù)RT與呈現(xiàn)項(xiàng)目數(shù)之間的關(guān)系(表1)。2.1.1個(gè)未來(lái)研究任務(wù)的比較不同研究組2種任務(wù)RT比較,差異有顯著性意義(ANOVA,P<0.05),說(shuō)明聯(lián)合特征任務(wù)需要更多的注意資源。在單特征任務(wù)下,2個(gè)研究組RT比較,差異無(wú)顯著性意義(ANOVA,P>0.05)。而在聯(lián)合特征任務(wù)下,年輕人的反應(yīng)模式與正常老年對(duì)照組相同,但RT更快(ANOVA,P<0.05)。2.1.2單功能任務(wù)對(duì)2個(gè)研究組,刺激項(xiàng)目數(shù)與靶刺激(target)是否出現(xiàn)對(duì)RT均無(wú)影響(2-wayANOVA,P>0.05)。2.1.3大學(xué)生對(duì)靶刺激的反應(yīng)模式2個(gè)研究組在靶刺激不出現(xiàn)條件下的RT均慢于靶刺激出現(xiàn)情況(2-wayANOVA,P<0.05),刺激項(xiàng)目數(shù)對(duì)RT有明顯影響(2-wayANOVA,P<0.05)。對(duì)正常年輕人和老年對(duì)照組,刺激項(xiàng)目數(shù)與靶刺激是否出現(xiàn)有明顯交互作用(2-wayANOVA,P<0.05),即刺激項(xiàng)目數(shù)對(duì)靶刺激是否出現(xiàn)兩種情況下的影響不同。正常年輕人和老年人在靶刺激是否出現(xiàn)兩種條件下,表現(xiàn)典型的2∶1反應(yīng)模式(年輕人:靶刺激出現(xiàn)時(shí)的斜率為14ms/項(xiàng)目,靶刺激不出現(xiàn)時(shí)的斜率為29ms/項(xiàng)目;老年人:兩種條件下分別是20ms/項(xiàng)目和44ms/項(xiàng)目)。2.2聯(lián)合特征任務(wù)下的激活模式單特征任務(wù)(圖2、3,表2)和聯(lián)合特征任務(wù)(圖4、5,表3)下2個(gè)研究組的腦部激活統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖。2.2.12個(gè)研究組在聯(lián)合特征任務(wù)時(shí)的腦激活區(qū)域明顯多于單特征任務(wù),表現(xiàn)為信號(hào)強(qiáng)度明顯增高和激活區(qū)范圍增大,尤其以雙側(cè)前額葉皮質(zhì)明顯,說(shuō)明聯(lián)合特征任務(wù)更依賴于注意資源。2.2.2腦活動(dòng)功能圖組間比較①2個(gè)研究組在不同搜索任務(wù)下的腦區(qū)激活模式相似,均包括頂葉、額葉和枕葉、原始視皮層和皮層下等腦區(qū),但不同腦區(qū)的激活強(qiáng)度和范圍明顯不同。②在單特征任務(wù)下,正常老年組右側(cè)頂上小葉(superiorparietallobule,SPL)激活增加;同時(shí)兩側(cè)額葉激活增加,但以左額葉激活為主;原始視皮層激活減少(圖2、3,表2)。③在聯(lián)合特征搜索任務(wù)下,老年組雙頂葉激活增加;左額葉激活增加,右額葉(BA6)額外出現(xiàn)激活,出現(xiàn)雙額葉基本對(duì)稱的激活模式;原始視皮層激活普遍減少(圖4、5,表3)。3注意參與操作前后前因變量的影響表3大量證據(jù)表明,各種不同的感知信息在大腦不同腦區(qū)得到處理,同一客體的表征分布于大腦的不同部位。單細(xì)胞記錄技術(shù)表明,在視知覺(jué)中,顏色、形狀與運(yùn)動(dòng)是沿不同通道加工的。顏色與形狀等客體特征在從枕葉到顳葉的腹側(cè)視覺(jué)通路上的層級(jí)聯(lián)結(jié)區(qū)域得到表征,而運(yùn)動(dòng)等空間特征在從枕葉到頂葉的背側(cè)通路上得到表征。本研究采用視覺(jué)搜索任務(wù)通過(guò)行為學(xué)和腦功能磁共振成像技術(shù)觀察了正常老年組和年輕人在視覺(jué)注意任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中的腦活動(dòng)情況,旨在考察人類視覺(jué)通路隨年齡增長(zhǎng)而出現(xiàn)的變化。行為學(xué)數(shù)據(jù)結(jié)果提示老年組存在一定程度的視覺(jué)注意缺陷,表現(xiàn)為在完成需要大量注意資源參與的聯(lián)合特征搜索任務(wù)時(shí),對(duì)靶刺激的檢測(cè)時(shí)間明顯減慢,而且RT減慢程度與目標(biāo)項(xiàng)數(shù)目有關(guān)。更為重要的發(fā)現(xiàn)是來(lái)源于腦成像的結(jié)果,老年組和年輕人在進(jìn)行2種任務(wù)時(shí)腦激活模式相似,激活區(qū)域均包括額、頂、枕葉等腦內(nèi)廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),但不同腦區(qū)的激活強(qiáng)度在2個(gè)研究組中明顯不同,其中以聯(lián)合特征任務(wù)時(shí)腦激活差異更明顯。聯(lián)合特征任務(wù)時(shí),老年組左額葉激活增加,右額葉(FEFBA6)額外出現(xiàn)激活,出現(xiàn)雙額葉基本對(duì)稱的激活模式。說(shuō)明在需要注意參與的視覺(jué)加工過(guò)程中,老年人不僅跟青年人一樣出現(xiàn)左額葉激活,而且會(huì)額外出現(xiàn)右側(cè)前額葉激活,這是老年腦內(nèi)形成的一種注意補(bǔ)償機(jī)制。大量對(duì)前額葉控制功能的研究發(fā)現(xiàn),額葉腹背側(cè)區(qū)、扣帶回、頂葉和前運(yùn)動(dòng)區(qū)緊密聯(lián)系構(gòu)成一個(gè)與認(rèn)知活動(dòng)(如注意、記憶)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)。有研究指出在情節(jié)記憶提取過(guò)程時(shí),老年人不僅跟青年人一樣出現(xiàn)右額葉激活,而且會(huì)額外出現(xiàn)左側(cè)前額葉激活,從而說(shuō)明了腦內(nèi)神經(jīng)元儲(chǔ)備系統(tǒng)可被調(diào)用這一假說(shuō)的普遍性。人類視覺(jué)加工呈現(xiàn)自下而上的加工模式,即初級(jí)視皮層接受視覺(jué)信息后向高級(jí)視覺(jué)中樞傳遞,包括腹側(cè)顳枕皮層(感知物體特征)和背側(cè)頂枕皮層(感知空間位置信息)兩個(gè)環(huán)路,這兩個(gè)環(huán)路同時(shí)接受前額葉的調(diào)控,實(shí)現(xiàn)合理分配注意資源完成視覺(jué)加工過(guò)程。老年人前額葉功能下降可導(dǎo)致執(zhí)行干擾任務(wù)的能力下降,還表現(xiàn)在原始視覺(jué)皮層激活明顯減少。以往研究指出視覺(jué)系統(tǒng)加工能力是有限的,所以呈現(xiàn)在視野中的多個(gè)客體通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)方式進(jìn)入有限的視覺(jué)系統(tǒng),解決這種競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)方式就是通過(guò)下行的注意調(diào)節(jié)機(jī)制,即空間指向性注意,通過(guò)減少對(duì)注意焦點(diǎn)以外分心刺激的注意資源實(shí)現(xiàn)對(duì)靶刺激最有效的加工。這一結(jié)論得到了以下實(shí)驗(yàn)的支持,Kastner采用fMRI觀察以不同順序呈現(xiàn)四張圖片時(shí)紋外皮層的激活情況,與四張圖片按順序分別出現(xiàn)在視野內(nèi)相比,四張圖片同時(shí)呈現(xiàn)時(shí)紋外皮層區(qū)的激活減弱,而且在V4和TEO區(qū)表現(xiàn)的信號(hào)差別大于V1和V2區(qū),這是由于V4和TEO加工視野大于V1和V2區(qū),所以數(shù)目相同的分心刺激,進(jìn)入V4和TEO加工視野的分心刺激多,導(dǎo)致更大分心刺激的干擾。當(dāng)要求被試者注意同時(shí)呈現(xiàn)四張圖片中的一張時(shí),V4和TEO區(qū)激活明顯增加,而且信號(hào)增加幅度大于四張圖片分別先后呈現(xiàn)的情況,這說(shuō)明空間指向性注意能部分取消周圍分心刺激帶來(lái)的干擾,從而減少視野內(nèi)同時(shí)存在的不同刺激間的相互作用。其次,在單特征任務(wù)下,盡管老年組和年輕人的行為學(xué)結(jié)果比較差異無(wú)顯著性意義,但兩者的腦激活模式并不一致,正常老年組右側(cè)頂上小葉(superiorparietallobule,SPL)激活增加;同時(shí)兩側(cè)額葉激活增加,但以左額葉激活為主;原始視皮層激活減少。同時(shí),腦成像結(jié)果與行為學(xué)結(jié)果的不一致提示我們,AD早期的神經(jīng)心理