年老化过程中的认知行为和脑网络改变

年老化过程中的认知行为和脑网络改变

------人脑额顶功能网络的重要性王共强脑网络组学（Brainnetome）2010年，科技部启动脑网络方面的“973”项目，在此基础上，蒋田仔等正式提出“脑网络组学”的概念，强调脑网络研究从结构到功能、从静态到动态、从微观到宏观、从实体到仿真等不同层面研究的必要性。国家自然基金2011年启动“情感和记忆的神经环路基础”重大研究计划，主要支持“情感”和“记忆”这二类认知功能及其障碍的脑网络表征及其相关技术的研究。中科院2012年启动“脑功能联结图谱研究计划”先导专项(B类)，主要支持“感/知觉”、“记忆”、“情感”和“奖赏”四类认知功能及其障碍的脑网络表征及其所所需要的先导技术研究。这两个重大计划侧重于脑网络组学中“脑功能及功能异常的脑网络表征”这个方向的一些特定的认知功能及其障碍，脑网络组学的其他方面有待进一步支持。脑网络组学（Brainnetome）是以脑网络为基本单元的组学，研究内容包括利用各种成像技术及电生理技术在宏观、介观及微观尺度上建立人脑和动物脑的脑区、神经元群或神经元之间的脑网络，在此基础上研究脑网络拓扑结构、脑网络的动力学属性、脑功能及功能异常的脑网络表征、脑网络的遗传基础，并对脑网络进行建模和仿真，以及实现这些目标所要的超级计算平台。研究目标是从脑网络的连接模式及其演变规律阐明脑的工作机理及脑疾病的发生和发展机制，为研究人脑内部复杂的信息处理过程与高效的组织模式提供有效的途径，为理解脑的信息处理过程及脑的高级功能开辟新途径，为实现类脑的智能处理器奠定基础。健康被试与精神分裂症患者记忆相关的功能网络连接模式对比。颜色标示的脑区是功能网络的重要节点：绿色节点表示两组被试都存在这些重要脑区，蓝色和红色节点分别对应只在健康被试和精神分裂症患者中存在。圆圈标示的脑区表示精神分裂症患者的灰质体积显著降低（Wangetal.,2010,JNeurosci）。功能连接强度随中风康复过程中的动态变化。圆圈表示运动执行网络脑区。红色连接表示中风患者运动功能康复过程中显著增强的连接，蓝色表示显著减弱的连接（Wangetal.,2010,Brain）。基于扩散张量成像数据构建的TEO-Pulvinar电极之间的概率纤维连接束（Saalmannetal.,2012,Science）Brain:科学家首次绘制大脑功能网络动态图谱Neural,electrophysiologicalandanatomicalbasisofbrain-networkvariabilityanditscharacteristicchangesinmentaldisorders.Brain.2016Jul14.2307-21NeuroscienceandBiobehavioralReviews期刊五年影响因子10.528行为科学领域排名第3神经科学领域排名第15作者:中国科学院行为科学重点实验室左西年研究组文章研究背景年老化过程伴随着一系列大脑结构和功能的改变，导致老年人记忆、加工速度以及执行功能等重要认知能力的下降。研究人员从未停止过对认知能力下降的脑机制探索，特别是随着功能磁共振成像技术的普及。基于任务态功能磁共振成像的认知老化研究中，样本量通常较小，绝大多数研究的被试量都在10-30人之间，其结果往往难以得到重复验证，信效度也会受到影响。已有认知老化研究中，研究者往往关注认知任务引发的脑区激活。文章研究背景近年来，系统神经科学快速发展，脑连接组学领域发现人脑符合分布式的网络组织。基于功能磁共振成像的研究也表明认知年老化的脑活动变化不仅体现在局部脑区激活上，还体现在大尺度脑功能网络上。当前，认知老化过程伴随的脑功能网络的变化缺乏系统结果，并且其与行为改变之间的关系尚未解读。大脑的三种网络1）结构性网络（structurenetwork）：这种网络一般是通过实体解剖或通过核磁影像的方法来确定。2）功能性网络（functionalnetwork）：描述皮层神经网络各节点之间的统计性连接关系，为无向网络。这种网络的构建可基于相位同步分析，互相关等方法由EEG、MEG、fMRI等信号构建。3）效用性网络（effectivenetwork）：描述皮层神经网络各节点之间的相互影响或信息流向，为有向网络。效用性网络相对于功能性网络来说考察的内容除了各脑功能区域之间相互关系的强弱外，还考察他们之间相互作用关系的强弱。LOREMIPSUMDOLOR认知和脑功能老化机制一直是科学研究前沿.应用功能磁共振成像(functionalmagneticresonanceimaging,fMRI)技术考察老年人认知操作(如记忆、情绪判断等)时大脑激活情况，已取得系列成果。脑网络组学研究发现大脑符合分布式功能网络组织。脑年老化是否会导致脑功能网络改变?脑功能网络改变与行为有何关系?该研究不仅在行为、脑功能和脑网络等多层次上揭示了认知与脑老化的核心机制。发现人脑额顶功能网络的激活在老年人认知行为变化中起重要调控作用；而且对于认知老年化的日常生活应对有诸多启示。认知年老化研究历经了两个阶段：1）基于传统认知心理学发现提出了加工速度理论、抑制能力减弱假说、执行功能衰退假说以及“选择、优化和补偿”(selection,optimization,andcompensation,SOC)理论等；2）基于越来越多的认知神经科学证据提出了老年人半球非对称性下降假说、老化的前后转移模型、去分化假说、补偿相关神经环路利用假说以及老化和认知的脚手架理论等。这些模型和假说是目前认知老化的主流理论。可以预测随着脑功能网络随增龄改变的研究不断深入，认知老化模型必将被更新。文章亮点一开创性地采用人脑功能网络系统划分的最近进展，对已发表的114项（涉及2035名老年人和1845名青年人）关于认知老化的任务态功能磁共振成像研究结果进行了荟萃分析（Meta-analysis，一种对不同研究结果进行收集、合并及统计分析的方法）发现，执行认知任务时，与青年人相比，老年人在海马旁回、梭状回、额下回以及语言回等脑区激活降低，而在额中回、内侧额叶以及前中央回等脑区激活升高。文章亮点二对上述脑功能激活变化在七大脑功能网络中的分布进行深入数据挖掘（如下图所示）发现：1）系统水平上，老年人激活降低的脑区主要位于视觉网络，而激活升高的脑区主要位于额顶网络和默认网络；2）行为表现好的老年人（认知保持组）脑激活升高集中性分布在额顶网络，而行为表现差（认知下降组）的老年人激活升高则分散在背侧注意网络、额顶网络和默认网络，但是两组老年人激活降低的脑网络分布相似。图1老年人和青年人在执行认知任务时激活变化对比的脑网络分布。Overall表示在总体研究结果上；CogInv表示老年认知不变组CogDec表示老年认知下降组Y，青年人；O，老年人。文章亮点三该研究对传统的认知年老化模型提出了挑战。认知神经科学的认知老化模型，如老年人半球非对称性下降假说（HAROLD）、老化的前后转移模型（PASA）、去分化假说、补偿相关神经环路利用假说（CRUNCH），以及老化和认知的脚手架理论（STAC）等，都是建立在补偿和分化的基础上。在认知老化研究中，区分成功补偿（脑区激活升高，行为成绩提高）和非成功补偿（脑区激活升高，行为成绩仍然较低）是非常重要的。文章亮点三额顶网络是人脑核心认知控制系统，主要负责不同脑网络之间的信息交换与功能协调。该研究发现其在老年人认知行为成功补偿中发挥着至关重要的核心作用，其功能活动的不足将影响认知行为功能下降。这些发现将推动全新认知老化脑网络模型的构建以及针对现有模型进行基于脑连接组学的修订。文章对认知老化研究的意义1脑连接组与功能网络将成为未来认知老化研究的关注热点。系统神经科学不仅有助于描述正常及异常的大脑网络，开发预测认知老化引发的神经退行性疾病及其进展的神经影像学标记，也有助于揭示认知衰老的神经机制。该文提出的系统分析方法在基于脑功能网络和任务激活两类研究之间架起了桥梁。文章对认知老化研究的意义2认知老化是毕生发展研究的重要领域。相关脑功能网络研究对于成人乃至早期发展研究均有重要启发。生命个体的发展是毕生过程，是多维度、多功能获得与丧失并行的动态系统；发展具有高度可塑性，各年龄段的人皆可发展技能以弥补正在降低的某种能力；毕生发展研究需要心理学、生物学、医学、神经科学等多学科参与。目前，基于静息态fMRI的毕生发展研究已有不少新发现。比如，毕生发展过程中脑半球连接呈U形轨线，功能网络内连接随增龄呈倒U形下降，而网络间连接则呈U形上升。任务态fMRI的毕生发展较少，亟需加强。此外，在认知老化甚至毕生发展过程中，脑功能网络与行为成绩有何种关联,也值得深入探索。文章对认知老化研究的意义3研究直接指导老年人干预研究。目前对老年人进行干预的主要手段包括认知训练、运动训