老化对视觉空间注意和反应抑制过程的影响——一项基于脑电信号的研究

摘要

老化影响着人类的多种认知能力，是造成老年人日常生活不便的主要原因之一。人类认知能力的一个基本要素便是如何从包罗万象且瞬息万变的外界环境中快速提取出关键信息进行处理，并用来指导后续灵活多变的行为反应。选择性注意在信息提取过程中起着重要的作用，而行为反应中的关键一环便是如何抑制不合适的行为反应倾向，即所谓的反应抑制。已有的研究暗示着老化可能会导致选择性注意与反应抑制的能力出现衰退，其深层次原因则可能是神经机制上的变化，然而目前相关的神经影像学研究依然十分缺乏。本文的主要目的就是利用脑电图的无损性和毫秒级别高时间分辨率等优点，研究正常老龄化如何影响视觉空间选择性注意与反应抑制过程中的神经活动。
　　首先，我们采用了一个包含线索化提示的视觉空间选择性注意范式，以健康青年人和老年人为对象，考察了老化对于视觉空间注意过程中神经活动的影响，得出如下结论：
　　（1）对于由空间提示诱发的事件相关电位，青年人和老年人都表现出与视觉空间注意转移有关的典型成分，包括空间特异性的EDAN、ADAN和LDAP成分，以及与期待效应有关的CNV成分。此外，对于由目标刺激诱发的事件相关电位，青年人和老年人都表现出注意对于早期感官成分的增强效应。这些发现说明在视觉空间注意过程中，青年人与老年人都可以顺利完成对提示的解读以及注意的转移和保持，并且增强感官皮层对受注意视觉信息的处理。尽管如此，视觉空间注意对于脑电信号中α（8-13 Hz）节律的调控却表现出显著的老化效应。首先，青年人在提示之后400 ms左右开始出现显著的枕叶α能量偏侧性，并一直保持至目标刺激出现，然而老年人在此时间段并没有表现出这种调控特征。枕叶α能量偏侧性是最近十几年来被发现的视觉空间注意最为显著的神经标记之一，在目前的注意模型中被认为体现了注意准备状态对感官皮层的调控。其次，两组被试者在提示之后都表现出额叶和枕叶之间α波段相位同步指数的增强，然而提示400 ms之后的调控却出现了差异：老年人（提示之后400 ms左右开始）相比青年人（提示之后800 ms左右开始）更早出现对该相位同步的偏侧性调控；青年人在注意保持的晚期阶段（提示后800-1200 ms）表现出同步强度的下降，而老年人一直保持同步强度直至目标刺激出现。总结以上发现，我们推测虽然青年人和老年人都可以顺利完成视觉空间注意任务，但是可能调用了不同的内在神经机制。
　　已有的脑影像学研究发现在反应抑制过程中，老年人的大脑活动相比青年人在多个区域出现了增强，这种功能性重组可能体现了一种神经代偿机制。尽管如此，由于受到血液动力学成像在时间分辨率上的限制，这些研究并不能精确描述此功能性重组的时间过程。本文中，我们采用Go/NoGo实验范式，利用事件相关电位和脑电溯源分析方法，研究了反应抑制过程中毫秒级别的神经活动过程，得到以下结论：
　　（2）青年人和老年人在Go/NoGo任务中均表现出明显的N2和P3成分。溯源分析表明，老年人相比青年人表现出更强的大脑激活，并且这些增强的激活在不同时间窗位于不同的脑区：在N2成分潜伏期（大约刺激之后346 ms），激活增强的区域主要位于右侧感觉运动区；而到了P3成分潜伏期（大约刺激之后554 ms），增强区域则移动到了右侧背外侧前额叶皮层以及额下回。这些结果不但与已有的血液动力学脑成像研究一致，而且暗示着在反应抑制过程中，由老化引起的大脑功能性重组具有毫秒级别的动态特征。
　　尽管事件相关电位及其溯源分析能够刻画不同脑区激活的时空特征，却无法描述脑区之间的相互联系。反应执行与反应抑制过程需要多个脑区的协同参与，不同脑区脑电信号之间的相位同步现象可能体现了脑区间的信息交流。为了从相位同步脑网络的角度研究反应抑制过程的神经机制以及老化带来的影响，我们首先利用相位同步理论构建出Go/NoGo任务中的脑网络，然后利用图论的方法研究了其拓扑学特征，得到以下结论：
　　（3）青年人与老年人的相位同步脑网络都具有典型的“小世界”组织形式，其程度会受到任务状态的调控：在θ（4-8 Hz）波段中，相位同步脑网络在反应执行（Go）时具有较大的小世界指数与聚类系数，额叶区域的节点在反应抑制（NoGo）过程中具有更大的度数；在β（13-30 Hz）波段中，相位同步脑网络在反应抑制过程中具有较大的小世界指数与聚类系数，中央脑区的节点在反应执行时具有更大的度数。相比于青年人，老年人相位同步脑网络的小世界结构在任务下不但表现出相同的调控特征，而且在对节点度数的调控上出现了增强的趋势。这些发现说明反应抑制不但涉及到脑电信号中的诱发电位成分（N2和P3），还与θ和β波段的相位同步脑网络及其拓扑学特征有关，而且其对脑网络的调控效应同时存在于青年人和老年人中。
　　综上所述，借助于多通道脑电图的高时间分辨率以及电极位置提供的空间信息，本文研究了正常老化对于视觉空间注意和反应抑制过程中神经活动的影响。本文的结果说明视觉空间注意与反应抑制过程中的神经活动会在老化的影响下出现功能性重组，这种重组不但在空间上涉及到多个脑区和脑区之间的相位同步，而且在时间上也具有毫秒级别的动态特征。此外，利用图论对相位同步脑网络进行分析，我们发现脑网络及其拓扑学特征可以作为反应抑制过程的有效神经标记，并且这种神经标记在老化过程中得到了很好的保留。本文的工作丰富了目前人们对于视觉空间注意与反应抑制过程及其神经机制的理解，对于目前的老化认知神经科学理论具有重要的参考价值。
　　本文得到国家留学基金委（China Scholarship Council）的基金资助（201206230034）。论文的数据采集在上海交通大学神经工程实验室完成，论文中大部分的数据处理工作是在美国加州大学戴维斯分校的Center for Mind and Brain完成的。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 老化与视觉空间注意

1.3 老化与反应抑制

1.4 老化的认知神经机制假说

1.5 论文的研究内容和创新点

第二章 脑电信号及其分析方法概述

2.1 脑电信号的产生及其基本特征

2.2 脑电信号的分析方法概述

2.3 脑电技术的优势及局限性

2.4 本章小结

第三章 实验设计与数据采集

3.1 实验设计

3.2 数据采集

3.3 本章小结

第四章 视觉空间注意过程中的事件相关电位及α节律调控

4.1 引言

4.2 脑电信号分析

4.3 实验结果

4.4 结果讨论

4.5 本章小结

第五章 反应抑制过程中的事件相关电位及其源定位

5.1 引言

5.2 脑电信号分析

5.3 实验结果

5.4 结果讨论

5.5 本章小结

第六章 反应抑制过程中的相位同步脑网络及其图论分析

6.1 引言

6.2 脑电信号分析

6.3 实验结果

6.4 结果讨论

6.5 本章小结

第七章 总结和展望

7.1 本文研究总结

7.2 课题研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

答辩决议书