基于眼动信号来源的认知老化差异性

/基于眼动信号来源的认知老化差异性【摘要】伴随老龄而来的认知退化给个人、家庭和社会带来了严重的经济损失和精神负担。如何促进健康老化和成功老化是国家和科学界高度关心的问题。近些年来，越来越多研究发现，老年人的认知变化(简称认知老化)是差异性的，不仅存在退化，而且存在自上而下加工的可适性或代偿性增强。然而，已有认知老化研究以认知退化研究为主，缺乏对老化中认知增强的研究。本研究拟通过揭示健康老年人自上而下加工的增强及其增强程度的变化规律，来阐明老化中认知增强机制以及差异性老化规律，为利用认知增强来促进成功老化提供理论依据。 1问题提出 据第七次全国人口普查数据显示，至2020年11月，我国60岁及以上老年人口为26402万人，占全国总人口的18.70%，比2010年提升了5.44个百分点。年龄是很多老年疾病的重要影响因素，是痴呆的最重要影响因素，我国老年人中约有15.5%的人存在中度认知损伤(Jiaetal.，2020)。认知损伤给老年人个体、他们的家庭以及社会都带来了极大的经济损失和精神伤害。深刻理解老年人认知的变化规律、综合系统地干预老年人认知退化、营造有利于老年人健康的生活环境，是国家优先发展的战略方向，是《健康中国2030规划纲要》的重要组成部分。 认知老化是指，老年人认知功能随着年龄增长发生的变化。主流科学家们认为，认知老化是认知下降的代名词，老年人的认知能力存在一般性下降(Li，Wang，Huang，etal.，2020；Salthouse，1996)。然而，越来越多的研究发现，老年人的部分认知能力得到了保持或者增强(Park&Reuter-Lorenz，2009；Sugiura，2016)。因此，认知老化是一个差异性变化的过程，不仅包括老年人部分认知能力的下降，也包括老年人部分其他认知能力的保持和增强。已有的认知老化研究以认知下降、认知损伤和认知障碍研究为主，缺乏对老化中认知保持和认知增强的研究。认知老化中的认知保持和认知增强是成功老化的基础之一，是差异性老化的核心。对认知老化的差异性研究，特别是对老化中的认知保持和认知增强研究，在理论上可以促进对老年人认知变化规律的全面深刻理解；在应用上，更能利用老化中的认知增强为促进成功老化提供指导和帮助。 2差异性认知老化的国内外研究现状 认知老化研究最初发现老年人的认知行为表现存在一般性下降(Salthouse，1996)。脑影像研究也发现了老年人大脑灰质、白质的减少以及感觉系统功能的退化(Davisetal.，2008；Li，Wang，Wang，etal.，2020)。然而，随着对认知加工过程的细化，不少研究发现了健康老年人部分认知能力的保持。例如，Park等(2002)通过让被试汇报成对出现的多个字母组成的字符串是否相同来测试被试的加工速度，通过韦氏测试中的数字正背和倒背等任务来测试被试的短期记忆，通过让被试从多个词中选出同义词和反义词来测试被试基于世界知识的言语能力。研究发现虽然健康老年人的加工速度、短期记忆等认知能力下降了，但他们的世界知识水平得到了保持或增强。Huang等(2017)在不同范式下的扫视学习中，将扫视学习分为学习初期的、快速的外显学习过程以及学习后期的、慢速的内隐学习过程。研究发现虽然老年人的快速学习能力下降了，但他们的内隐学习能力得到了很好的保持。Davis等(2021)在被试自由观看完八分钟的电影后，让被试根据电影里的剪辑片段来汇报片段中的情节。剪辑片段被分为同一个场景片段(事件内)以及跨场景片段(事件外)，研究者发现虽然老年人对事件外的回忆能力下降了，但他们对事件内的回忆能力得到了保持。同时，脑影像研究也发现老年人大脑功能的去偏侧化、前额活动的增强和默认网络的增强与老年人认知任务表现正相关(付艳，王大华，2009；Davisetal.，2008；Sprengetal.，2014)。因此，研究者们提出了老年人大脑通过自上而下控制的代偿或可适性帮助来实现认知保持和增强的理论(Park&Reuter-Lorenz，2009；Sugiura，2016)。这些理论为差异性认知老化提供了一般性解释。然而，在有些任务中存在认知保持或增强，但是在另一些任务中不存在的原因尚不明确，即认知增强随任务的变异性机制亟待进一步研究。 差异性认知老化机制研究的关键在于解析和厘清老化中下降了的认知功能(下降认知)和增强了的认知功能(简称，增强认知)，而这些研究的前提是对不同认知加工过程的分离。例如，Davis等(2021)将对电影情节的回忆分为事件外的回忆和事件内的回忆，发现了老年人前者能力的退化和后者能力的保持。基于信息的来源，认知加工可以分为基于刺激物理属性的自下而上加工(或称低级加工)和基于目的、策略、期望等的自上而下加工(或称高级加工)。这两种不同加工的分离研究以及它们的交互研究一直是该研究领域的重点和难点(Hardstoneetal.，2021；Long&Kuhl，2018)。Teufel和Fletcher(2020)更是认为这两种控制的分离对理解神经精神疾病症状至关重要。 差异性认知老化的关键在于识别并发现老化中的增强认知。理论上增强认知更容易出现在老年人表现和年轻人表现一样好或比年轻人表现更好的任务中。在多个眼跳(也称扫视，即眼球快速从一个地方跳到另一个地方)实验任务中，研究发现了老年人表现的保持(Bowlingetal.，2015)，如在眼跳精准度(Peltschetal.，2011)、眼跳抑制(Braunetal.，2021)、眼跳学习(Huangetal.，2017)等任务中。考虑到老年人外周神经系统以及视觉等感觉系统的退化，这些眼跳任务表现的保持一定和介于感觉和运动之间的认知的增强有密切关系。研究表明，眼球追踪技术是研究认知的重要技术手段，对老化研究尤其重要(Buenoetal.，2019)。首先，眼睛是视觉信息进入大脑的窗口，眼球运动对外界视觉信息进行采样、保持和更新，认知的不同加工都和眼睛运动有密切联系(deHaasetal.，2019；Idreesetal.，2020；Polettietal.，2017；Schützetal.，2011)。同时，研究发现眼球运动控制是一个动态控制系统，不同加工的控制信号到达系统的时间不一样，当信号积累到一定阈限时，眼跳运动开始执行(Shadmehretal.，2010)。眼跳运动开始前的信号整合决定了眼跳方向和幅值；当眼跳运动开始后，其他信号再到达系统时，眼球的运动轨迹会被这些信号影响，或改变运动轨迹或改变运动速度，这些改变可以通过位置的变化(运动速率)来体现。因此，基于多数眼跳任务中，老年人表现与青年人表现一样好以及眼动控制系统的动态性，眼跳任务是适合研究差异性认知老化的实验任务。 3研究构想 本研究以眼跳运动为技术手段研究差异性认知老化的机制，研究核心在于分离老化中增强认知和下降认知，并揭示增强认知随条件和场景变化的规律。本研究包含3个子研究，研究1将分离眼跳中增强认知的表征和下降认知的表征；研究2将揭示认知增强程度随反应时的变化规律；研究3将揭示认知增强随场景生态性变化的规律。 3.1研究1：眼跳学习中自上而下和自下而上加工表征的分离 学习研究中经常探讨自下而上控制和自上而下控制对学习效果的各自贡献以及交互作用。例如，视觉学习中经常用学习特异性来研究自下而上控制以及学习迁移性来研究自上而下控制。我们的研究发现了高级脑区自上而下加工对学习成绩的预测作用(Wang，etal.，2016)。眼跳学习被发现涉及习得、记忆等不同模态和不同时间尺度的加工过程(Kimetal.，2015；Trommershuseretal.，2009；Wolpert&Flanagan，2016)。Seidler(2006)发现眼跳学习中存在不同程度老化的加工过程，我们的研究进一步发现眼跳学习中老年人的内隐学习能力得到了很好保持(Huangetal.，2017)。基于差异性认知老化的脑影像研究理论，眼跳学习中可能存在自上而下加工的增强。我们的前期研究发现，眼跳学习中与任务相关的自上而下加工，快速改变，主要体现在学习的早期；与内隐学习相关的加工，缓慢改变，积累后的变化主要体现在学习的晚期(Huangetal.，2017)。Herzfeld等(2018)发现猴子学习的早期和晚期在猴子的小脑浦肯野细胞(Purkinjecells)的发放时程上有显著差别，而他们也发现小脑浦肯野细胞的发放时程反映了眼球实时运动的速率(Herzfeldetal.，2015)。因此，作者猜测可以通过人类眼跳运动中运动速率的时程来分离早期和晚期的学习，即分离自上而下加工(早期)和自下而上加工(晚期)。研究1将通过速率时程变化的规律，进一步研究作者之前发现的老年人内隐学习能力的保持中是否存在自上而下加工的增强，从而揭示内隐学习能力的保持机制。 研究1将采用经典的眼跳学习范式“double-step”范式。在这种范式中，被试要求用眼睛追踪目标位置。当目标位置出现后，大脑会发送眼跳指令；当被试眼跳被检测到时，实验程序偷偷改变目标位置，从而导致当眼球到达终点位置时，眼球不在目标上，进而眼睛自动再做一次眼跳以消除位置偏差。随着试次增多，大脑会产生学习，首次眼跳位置越来越接近最终目标位置，以消除第二次矫正眼跳。初次眼跳的终点位置从目标的最初位置转移到目标的最终位置的过程，被称为学习。研究l将眼动速率到达最大时刻作为分界点，分界点之前的信号作为学习中自下而上加工表征，分界点之后的信号作为学习中自上而下加工表征，通过分别比较它们在学习中的变化在健康老年人和健康青年人之间的差异，来研究老年人自上而下加工是否增强以及自下而上加工是否下降。此研究分离了自上而下加工的表征和自下而上加工的表征，并检验了此二者随年龄的差异性变化。数据分析方法上，研究将借鉴事件相关电位技术的分析方法，将每个试次的眼跳，以眼动速率达到最大时刻为事件，将学习前的所有试次的眼球运动时程叠加平均作为基线，将学习时的所有试次的眼球运动时程叠加平均，作为学习时的眼球运动时程。研究将考察眼跳反应时(潜伏期)、最大速率时刻点、最大速率、眼跳幅值(速率在对应时间上的积分)等指标。研究预测，学习前后眼跳幅值的变化在老年人和青年人两个群体之间没有显著差异；但整个眼跳期间两个群体在眼动速率时程上的变化模式存在差异，青年人的眼动速率先大后小，眼动速率早期自下而上加工的改变是学习产生的主要原因；老年人的眼动速率先小后大，眼动速率晚期自上而下加工的改变是学习产生的主要原因，即老年人自下而上加工显著下降，自上而下加工显著增强；这些预测将通过眼跳幅值(速率在对应时间上的积分)来考察。 3.2研究2：决策中自上而下加工和自下而上加工的动态整合 自上而下加工可适性或代偿性增强理论为老年人认知保持或增强现象提供了一般性解释，但是这个理论不能解释增强程度在不同任务中的差异现象，即为什么在某些任务中老年人认知增强多，老年人表现比年轻人更好；在其他某些任务中老年人认知增强少，老年人表现和年轻人一样好；在其他某些任务中老年人没有认知增强，老年人表现比年轻人差。认知增强程度的差异决定了认知老化的差异。因此，研究自上而下加工增强的动态性，即研究影响或决定增强程度的因素是差异性老化研究的重点。 Navalpakkam等(2010)发现，奖励可以调节自上而下加工，奖励幅度影响对眼跳方向的调节程度。Markowitz等(2011)进一步发现，奖励和与刺激明暗相关的自下而上加工的整合具有动态性，即当眼跳反应时在140到180ms之间时，眼跳方向由目标刺激明暗决定；当反应时更长时，眼跳方向会受奖励影响。这种信息整合依赖反应时的表现来源于眼跳系统的动态性(Siegeletal.，2015)。Schutz等(2012)进一步发现眼跳方向受价值(奖励和惩罚)影响的程度随反应时的变化可以用最大化预期收益模型(MaximumExpectedGainModel)表示。老年人的反应时普遍更长，在眼跳任务也发现此现象(Bowlingetal.，2015)，即老年人眼跳反应时(或潜伏期)更长，这将有益于老年人眼跳系统接受更多自上而下控制。在大部分眼跳实验任务中，研究都发现老年人的表现和青年人一样好(Bowlingetal.，2015)。反应时更长使得老年人眼跳能接受更多自上而下增强可能是老年人眼跳任务表现和年轻人一样好的一般性原因吗？这种自上而下加工增强的差异性和反应时的动态变化有关系吗？ Valsecchi等(2018)发现老年人手指指点运动受奖励和惩罚的影响，我们的研究也发现奖励和惩罚都可以提高老年人运动学习表现(Huangetal.，2018)。因此，老年人的自上而下加工受价值影响。研究2将使用奖励和惩罚操纵自上而下加工影响力，使用目标凸显度操纵自下而上加工影响力，通过研究老年人自上而下加工对决策的影响程度与反应时的关系来探索影响认知增强程度变化的因素。研究预测，没有奖励和惩罚时，老年人的眼跳反应时比青年人更长，但是眼跳准确度和青年人一样好，因为老年人眼跳受更多自上而下加工增强。进一步预测，当有奖励和惩罚时，青年人的眼跳准确度将随眼跳反应时而变化，即反应时最短的那些试次因受自上而下加工影响小而导致眼跳准确度差，反应时长的试次因受自上而下加工影响大而导致眼跳准确度高；而老年人因为眼跳反应时普遍比较长，眼跳准确度不随眼跳反应时变化而变化。 3.3研究3：自然场景任务中自上而下加工和自下而上加工整合的场景性 老年人的反应时普遍更长，但绝大多数任务中老年人仍然存在表现下降，认知增强不足现象。可见，除了反应时影响眼跳运动前信号的整合外，还有一些因素影响认知增强程度。Najemnik和Geisler(2005)发现眼动搜索决策符合贝叶斯模型，也就是先前经验对决策至关重要。任务的自然性，直接决定老年人以往经验和先验知识在多大程度上帮助任务表现，是影响认知增强程度的重要因素之一。以自然场景图片为实验刺激或自然任务为实验任务来研究认知老化是研究的发展趋势之一(Wynnetal.，2020)。实验室刺激往往更简单、抽象和缺乏结构。Billino等(2008)发现，在由随机点组成的简单刺激中老年人对运动速度的判断比青年人差；但在与现实世界更相近的生物运动刺激中，老年人的判断表现和青年人一样好，因为生物运动刺激有更多的线索帮助判断。然而，真实世界或自然场景和实验室刺激的加工的区别并不是这么简单。Chen等(2019)发现真实观察条件下大小恒常性发生在视觉加工晚期，而简单场景下大小恒常性加工确实部分受损，但同时发生时间也更晚。Wiebel等(2013)也发现，与简单场景图片相比，大脑对自然场景图片的加工速度更快。考虑到自上而下信息的整合对反应时的依赖，自然场景加工反应时更短可能导致自上而下控制影响力下降。Ramzaoui等(2021)用自然场景图片作为实验刺激也确实没有如预期推测一样发现老年人表现更好。因此，自然场景对反应时的加速是如何产生以及这种加速对自上而下增强的影响都有待进一步研究。 LATER反应时模型(LinearApproachtoThresholdwithErgodicRate)中不同参数可以很好地区分自上而下加工和自下而上加工分别对反应时的影响(Noorani&Carpenter，2016)。研究3将进一步用自然场景图片作为刺激图片，从自然场景对自上而下加工强度和反应时的影响出发，研究任务场景对认知增强程度的影响。研究3实验中将操纵自上而下加工(目标和场景的一致性)以及自下而上加工(目标刺激的凸显度)来研究不同加工以及其交互作用随年龄的变化。在目标和场景一致性的操纵中，一致条件下，目标为日常生活中当前场景所需物体，如在厨房泡茶时需要茶壶，此时搜索目标为茶壶；不一致条件下，目标为日常生活中当前场景不需要的物体，如在厨房泡茶时，搜索目标为钥匙。目标刺激的凸显度将通过颜色和对比度来操纵。研究预测，在眼跳反应时上，年龄和场景一致性交互显著，即搜索目标与场景是否一致对青年人眼动搜索影响更大，较少影响老年人眼动搜索，因为老年人反应时普遍更长。同时，相较于场景目标不一致条件，目标一致条件下老年人自然场景搜索LATER模型中的速度参数受到更大影响，即因为老年人反应时普遍更长，场景生态性不影响决策前的加工，对决策后的加工影响更大。从眼跳动态过程来看，刺激凸兀度主要影响眼跳最大速率时刻前的运动，目标一致性主要影响眼跳最大速率时刻后的运动，且这些影响和年龄交互显著。 图1差异性认知老化研究的框架图(A)和理论假设(B) 图2本研究的主要研究内容 4理论建构 本研究以与认知有密切关系的眼跳运动为技术手段，研究差异性认知老化的机制。研究的核心在于分离老化中增强的认知功能和下降的认知功能，并研究认知增强程度随任务和场景变化的规律。如图1所示，根据信息的来源，对信息的加工，一般分为自上而下加工和自下而上加工。老年人随着年龄的增长，世界知识等经验增多，增强的是自上而下加工。因此，本研究的核心在于分离自上而下加工和自下而上加工，进而研究自上而下加工增强的机制、增强发生的一般性条件以及增强程度随场景变化的规律。 如图2所示，本研究通过自下而上加工和自上而下加工的分离来细化认知的不同加工过程，通过研究它们随老化的下降和增强以及增强程度随任务和场景变化的规律来研究差异性老化机制。如图3所示，围绕着认知随着年龄是如何差异性改变这个问题，研究1开展了眼跳学习中哪些加工增强了，哪些加工下降了的研究。认知老化的差异性除了体现在认知增强和认知退化上，也体现在增强程度的差异上。围绕着影响自上而下加工增强程度的一般性因素是什么这个问题，研究2开展了价值决策中自上而下加工在信息整合中影响力如何动态变化的研究。围绕着生态性(自然场景)对自上而下加工和自下而上加工整合影响的问题，研究3开展了自然场景眼跳搜索中自上而下加工和自下而上加工的交互研究。 本研究的重点和难点在于分离自上而下加工和自下而上加工，研究中通过定量操纵两种加工，从而研究它们分别随年龄的变化以及它们的交互作用随年龄变化的规律。在研究策略上，研究主要通过实验任务和刺激凸显度的操纵来调节不同加工在任务中的重要性来分离二者。在研究1中，学习是一个动态变化的过程，在这个过程中不同的加工变化速度和变化大小不一样，学习的早期主要是基于自上而下加工的快速变化，学习的晚期则会体现基于自下而上加工的慢速变化的积累。通过区分早期和晚期的学习，能将自上而下和自下而上加工分别进行比较。在研究2中，通过价值(奖励和惩罚)操纵自上而下加工