正常老年人视觉搜索任务中脑活动的神经解剖基础

正常老年人视觉搜索任务中脑活动的神经解剖基础

认知障碍是老年人脑瘫的基本表现和必要特征。在临床实践中，老年人认知功能的变化和其特征对老年人的早年经验以及早期诊断非常重要。本研究采用脑功能磁共振成像(functionalMRI,fMRI)技术研究正常老年人完成视觉搜索任务时的脑活动情况,旨在了解其视觉注意功能水平,并对相应的神经解剖基础进行初步探讨。1数据和方法1.1正常人群选择13名健康老年人,均源于我院社区老年人健康状况调查的研究对象,其中男6例,女7例,年龄56～78岁,平均(64.5±6.7)岁;12名正常年轻人均为大学本科生及研究生,其中男5例、女7例,年龄19～24岁,平均(20.5±3.8)岁。所有受试者均为右利手,裸视或矫正视力正常,均非红绿色盲。对本次实验研究的目的和方法均知情同意。1.2功能像生成及其成像结构采用SiemensSonata1.5T超导MR成像系统。首先使用自旋回波(spinecho,SE)脉冲序列(TR500ms,TE14ms;层厚5mm,间隔1mm;视野220mm×220mm;矩阵256×256),获得16层横轴面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;翻转角90°;层厚5mm,间隔1mm;视野220mm×220mm;矩阵64×64),在T1WI同样的层面上获得fMRI图像,每层获取108帧功能图像。最后使用三维磁化准备快速梯度回波成像(magnetizationpreparedrapidgradientechoimaging,MPRAGE)序列(TR1900ms,TE3.93ms;翻转角15°;层厚1.70mm,间隔0.85mm;视野250mm×250mm;矩阵448×512)行矢状面连续96层覆盖全脑的扫描,以便进行后续的三维重建及空间配准。1.3模拟实验设计由计算机编程的刺激程序通过液晶投影仪投射到屏幕上,受试者在MRI扫描仪内可看到屏幕上的刺激内容。实验包括2种视觉搜索任务:单特征搜索(singlefeaturesearch)又称popout任务:要求受试者判断在绿色水平长条中是否存在红色垂直长条(图1A);联合特征搜索(conjunctionfeaturesearch)任务:靶刺激是垂直红色长条,干扰项是垂直绿色长条和水平红色长条(图1B)。屏幕上出现长条的高度为8mm,宽度为3mm。受试者距屏幕距离约256cm,视角10°。屏幕上呈现长条的数目分别为4、8和12个三种条件,每种条件包括24个测验(trial),并在整个测验中随机呈现,其中50%实验出现目标刺激,即目标刺激出现和不出现的几率各占50%,靶刺激出现时将取代其中1个干扰项目。采用标准的block实验设计:静息状态与任务状态交替进行,实验开始为静息状态,要求受试者仅注意注视点“★”,手部不做任何动作,时间为27s;接着出现任务状态,每次判断任务之前出现“+”500ms,任务呈现时间3000ms,然后空屏时间1000ms;再进行下一个任务,12trials/block,共6个block,81s/block。实验正式开始前做练习,使被试熟悉整个实验过程并熟练完成各项实验任务。整个实验过程要求受试者注视计算机屏幕中央并保持头部不动,对是否出现目标项尽可能快、尽可能准确地按键作出判断,反应的正确与否及反应时间(reactiontime,RT)均实时记录。1.4数据分析1.4.1两组应正确率分析①采用SPSS10.0统计软件对2个研究组不同任务的RT和反应正确率进行统计学分析,判断组内和组间RT是否有显著性差异;②采用线性回归分析计算2个研究组在不同任务下的斜率(slope)和截距(intercept),判断不同任务对注意资源需求量的差异。1.4.2gaus虾n结构像的计学分析采用国际上通用的功能神经成像分析软件SPM99(statisticalparametricmapping,SPM)对数据进行预处理和统计学分析。首先对所得到的功能图像进行空间预处理,以检出并修正运动伪影,然后将数据编码到三维结构像并按照Talairach等图谱标准进行配准,使用各向同性Gaussian核心法,以半高宽(fullwidthathalfmaximum,FWHM)为8mm对图像进行平滑处理,提高图像的信噪比。最后,对平滑过的图像做基于像素的统计学分析。采用一般线性检验(generallineartest)计算组间和任务间的差异。2结果2.1行为实验的结果2个研究组完成不同任务RT与呈现项目数之间的关系(表1)。2.1.1个未来研究任务的比较不同研究组2种任务RT比较,差异有显著性意义(ANOVA,P<0.05),说明联合特征任务需要更多的注意资源。在单特征任务下,2个研究组RT比较,差异无显著性意义(ANOVA,P>0.05)。而在联合特征任务下,年轻人的反应模式与正常老年对照组相同,但RT更快(ANOVA,P<0.05)。2.1.2单功能任务对2个研究组,刺激项目数与靶刺激(target)是否出现对RT均无影响(2-wayANOVA,P>0.05)。2.1.3大学生对靶刺激的反应模式2个研究组在靶刺激不出现条件下的RT均慢于靶刺激出现情况(2-wayANOVA,P<0.05),刺激项目数对RT有明显影响(2-wayANOVA,P<0.05)。对正常年轻人和老年对照组,刺激项目数与靶刺激是否出现有明显交互作用(2-wayANOVA,P<0.05),即刺激项目数对靶刺激是否出现两种情况下的影响不同。正常年轻人和老年人在靶刺激是否出现两种条件下,表现典型的2∶1反应模式(年轻人:靶刺激出现时的斜率为14ms/项目,靶刺激不出现时的斜率为29ms/项目;老年人:两种条件下分别是20ms/项目和44ms/项目)。2.2联合特征任务下的激活模式单特征任务(图2、3,表2)和联合特征任务(图4、5,表3)下2个研究组的脑部激活统计参数图。2.2.12个研究组在联合特征任务时的脑激活区域明显多于单特征任务,表现为信号强度明显增高和激活区范围增大,尤其以双侧前额叶皮质明显,说明联合特征任务更依赖于注意资源。2.2.2脑活动功能图组间比较①2个研究组在不同搜索任务下的脑区激活模式相似,均包括顶叶、额叶和枕叶、原始视皮层和皮层下等脑区,但不同脑区的激活强度和范围明显不同。②在单特征任务下,正常老年组右侧顶上小叶(superiorparietallobule,SPL)激活增加;同时两侧额叶激活增加,但以左额叶激活为主;原始视皮层激活减少(图2、3,表2)。③在联合特征搜索任务下,老年组双顶叶激活增加;左额叶激活增加,右额叶(BA6)额外出现激活,出现双额叶基本对称的激活模式;原始视皮层激活普遍减少(图4、5,表3)。3注意参与操作前后前因变量的影响表3大量证据表明,各种不同的感知信息在大脑不同脑区得到处理,同一客体的表征分布于大脑的不同部位。单细胞记录技术表明,在视知觉中,颜色、形状与运动是沿不同通道加工的。颜色与形状等客体特征在从枕叶到颞叶的腹侧视觉通路上的层级联结区域得到表征,而运动等空间特征在从枕叶到顶叶的背侧通路上得到表征。本研究采用视觉搜索任务通过行为学和脑功能磁共振成像技术观察了正常老年组和年轻人在视觉注意任务执行过程中的脑活动情况,旨在考察人类视觉通路随年龄增长而出现的变化。行为学数据结果提示老年组存在一定程度的视觉注意缺陷,表现为在完成需要大量注意资源参与的联合特征搜索任务时,对靶刺激的检测时间明显减慢,而且RT减慢程度与目标项数目有关。更为重要的发现是来源于脑成像的结果,老年组和年轻人在进行2种任务时脑激活模式相似,激活区域均包括额、顶、枕叶等脑内广泛的神经网络,但不同脑区的激活强度在2个研究组中明显不同,其中以联合特征任务时脑激活差异更明显。联合特征任务时,老年组左额叶激活增加,右额叶(FEFBA6)额外出现激活,出现双额叶基本对称的激活模式。说明在需要注意参与的视觉加工过程中,老年人不仅跟青年人一样出现左额叶激活,而且会额外出现右侧前额叶激活,这是老年脑内形成的一种注意补偿机制。大量对前额叶控制功能的研究发现,额叶腹背侧区、扣带回、顶叶和前运动区紧密联系构成一个与认知活动(如注意、记忆)相关的网络。有研究指出在情节记忆提取过程时,老年人不仅跟青年人一样出现右额叶激活,而且会额外出现左侧前额叶激活,从而说明了脑内神经元储备系统可被调用这一假说的普遍性。人类视觉加工呈现自下而上的加工模式,即初级视皮层接受视觉信息后向高级视觉中枢传递,包括腹侧颞枕皮层(感知物体特征)和背侧顶枕皮层(感知空间位置信息)两个环路,这两个环路同时接受前额叶的调控,实现合理分配注意资源完成视觉加工过程。老年人前额叶功能下降可导致执行干扰任务的能力下降,还表现在原始视觉皮层激活明显减少。以往研究指出视觉系统加工能力是有限的,所以呈现在视野中的多个客体通过竞争方式进入有限的视觉系统,解决这种竞争的一个方式就是通过下行的注意调节机制,即空间指向性注意,通过减少对注意焦点以外分心刺激的注意资源实现对靶刺激最有效的加工。这一结论得到了以下实验的支持,Kastner采用fMRI观察以不同顺序呈现四张图片时纹外皮层的激活情况,与四张图片按顺序分别出现在视野内相比,四张图片同时呈现时纹外皮层区的激活减弱,而且在V4和TEO区表现的信号差别大于V1和V2区,这是由于V4和TEO加工视野大于V1和V2区,所以数目相同的分心刺激,进入V4和TEO加工视野的分心刺激多,导致更大分心刺激的干扰。当要求被试者注意同时呈现四张图片中的一张时,V4和TEO区激活明显增加,而且信号增加幅度大于四张图片分别先后呈现的情况,这说明空间指向性注意能部分取消周围分心刺激带来的干扰,从而减少视野内同时存在的不同刺激间的相互作用。其次,在单特征任务下,尽管老年组和年轻人的行为学结果比较差异无显著性意义,但两者的脑激活模式并不一致,正常老年组右侧顶上小叶(superiorparietallobule,SPL)激活增加;同时两侧额叶激活增加,但以左额叶激活为主;原始视皮层激活减少。同时,脑成像结果与行为学结果的不一致提示我们,AD早期的神经心理