前額葉在老年階段的可塑性及相關機制*

王晨茜 陳天勇 韓布新

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前額葉在老年階段的可塑性及相關機制*

王晨茜 陳天勇 韓布新

(中國科學院心理健康重點實驗室(中國科學院心理研究所), 北京 100101) (中國科學院大學心理學系, 北京 100049)

大量研究表明, 前額葉的結構和功能更容易受年老化影響; 然而, 近年來的研究發現, 前額葉的結構和功能在老年階段具有一定的可塑性。對老年人進行認知訓練, 能夠延緩前額葉皮層厚度的萎縮, 提高白質完整性, 改善神經網絡的功能連接和分化, 并可能通過調節多巴胺系統的活動改變前額葉皮質和皮質下結構的功能激活模式。有氧鍛煉能夠改善心腦血管功能, 保護和促進神經元的存活和生長, 引起前額葉灰質、白質體積的增加及功能激活的變化。認知訓練與有氧鍛煉等相結合的整合性訓練不僅引起前額葉及相關認知功能的改變, 而且具有更好的生態學效度, 使老年人日常認知能力和生活質量得到提高。未來研究應采用多種技術手段, 從多個層面理解老年階段前額葉的可塑性及相關機制; 加強對與前額葉關系密切的多種認知功能可塑性神經機制的研究; 并重視與整合性訓練有關的前額葉可塑性。

前額葉; 執行功能; 老年; 神經可塑性

人口老齡化加速發展的背景下, 老年人的認知健康顯得尤為重要(Lindenberger, 2014)。相比于其他腦區, 老年階段前額葉的衰退開始更早且程度更重, 具體表現為皮質萎縮、白質退化、功能連接損傷及功能激活模式的變化(Grady, 2012; Raz et al., 2005; West, 1996)。前額葉與執行功能關系密切, 研究者據此提出額葉/執行衰退假說, 認為老年階段認知功能的衰退可能源自前額葉及執行功能的損傷(Luszcz, 2011; 陳天勇, 韓布新, 羅躍嘉, 李德明, 2004)。

大量實證研究表明, 前額葉及執行功能在老年階段具有可塑性(Park & Bischof, 2013)。近年來, 研究者的關注重點由執行功能的改善轉向前額葉神經系統自身的可塑性。研究者采用認知訓練、有氧鍛煉, 以及二者相結合的整合性訓練等干預方式, 借助結構核磁共振(sMRI)、彌散張量成像(DTI)、靜息態和任務態的功能核磁共振(fMRI)、腦電(EEG、ERP)、正電子發射斷層掃描(PET)等技術, 探索老年階段前額葉在皮質結構、功能連接、功能激活及神經遞質等水平上的可塑性及相關機制。

1 認知訓練

前額葉主要負責與工作記憶相關的執行控制過程, 協調其他腦區完成目標導向的行為(Carlén, 2017), 在情節記憶、推理能力等高級認知功能中也發揮重要作用, 并與一般流體智力關系密切(Au et al., 2015; Binder & Desai, 2011; Donoso, Collins, & Koechlin, 2014)。因此, 關注老年階段前額葉可塑性的研究通常采用一系列執行功能(如工作記憶和抑制控制)任務進行認知訓練; 此外, 一些針對其他高級認知功能的干預研究(如記憶策略訓練)也發現了老年階段前額葉的可塑性。

1.1 前額葉結構的可塑性

老化過程中大腦皮質厚度減小, 與全腦相比, 前額葉在老年階段的萎縮更為嚴重(Mander et al., 2013; Raz, 2004)。采用認知訓練發現老年階段前額葉皮質厚度增加的研究非常有限。Engvig等人(2010)對老年人進行為期8周的記憶術訓練, 訓練后被試眶額皮質厚度增加, 且與記憶成績的提高相關。另外一項研究采用整合性認知訓練(包括執行功能、記憶、視覺空間等任務), 發現訓練后老年被試執行功能改善, 且內側前額葉皮質厚度的萎縮相對減緩(Kim et al., 2015)。然而, 關于皮質厚度與認知功能的關系, 研究者并未達成一致結論, 在一項橫斷研究中, 有認知衰退風險的老年人前額葉皮質厚度反而增加(Castro-Chavira, Barrios, Pasaye, Alatorre-Cruz, & Fernandez, 2016)。目前也還很難解釋皮質結構變化影響認知能力的內在機制(Brehmer, Kalpouzos, Wenger, & Lovden, 2014)。這些研究結果提示, 采用認知訓練探究老年階段前額葉的可塑性時, 應謹慎使用皮質厚度作為檢驗訓練效果的指標。

認知訓練能夠提高前額葉白質完整性。白質完整性反映大腦各區域間及區域內部的結構連接狀況, 研究者借助DTI技術, 計算白質各向異性(FA)和平均擴散率(MD), 作為白質完整性的指標。老年階段, 全腦白質完整性逐漸降低, 并與執行功能等認知能力的衰退相關(Wen et al., 2011)。對老年人進行6個月的整合性認知訓練(包括工作記憶、加工速度和情節記憶任務), 被試胼胝體 前部白質(連接左右半球前額葉)的完整性提高(L?vdén et al., 2010)。上縱束是連接額、頂、枕、顳四個葉的聯絡纖維, 與工作記憶和執行功能聯系密切(Metzler-Baddeley et al., 2017)。對老年人進行8周的記憶術訓練或4周的整合性認知訓練(包括推理、注意、問題解決等任務), 均發現被試上縱束白質完整性的改善(X. Cao et al., 2016; Engvig et al., 2012)。連接大腦各區域的白質纖維是信息在腦區間有效傳遞的基礎(Antonenko & Floel, 2014), 提示前額葉的可塑性不僅體現在單個腦區功能的改善, 也體現在腦區之間連接和協作的增強。

1.2 前額葉相關網絡功能連接的可塑性

研究者運用靜息態fMRI技術, 計算在全腦和功能網絡內部的功能連接。與前額葉及執行控制過程密切相關的內部連接網絡主要包括, 定位于額頂皮質的額頂網絡(FPN)和中央執行網絡(CEN), 指向內部心理活動的默認模式網絡(DMN), 以及驅動中央執行與默認模式網絡活動切換的突顯網絡(SN) (Goulden et al., 2014; Luo et al., 2016)。老年階段, 上述四個網絡功能連接的損傷與整體認知能力和執行功能的衰退相關(Fjell, Sneve, Grydeland, Storsve, & Walhovd, 2016; Ng, Lo, Lim, Chee, & Zhou, 2016)。

認知訓練能夠增強各網絡的內部功能連接。研究者采用基于策略的執行功能訓練——要義推理訓練, 12周后發現老年被試CEN、DMN內部功能連接增強, 且與認知表現的提高相關(Chapman et al., 2015); 3個月的整合性認知訓練(包括記憶、推理、問題解決等任務)后, 老年被試CEN、DMN和SN內部連接均增強(W. Cao et al., 2016); 對遺忘型輕度認知損傷(aMCI)老年人進行6周加工速度訓練, 被試在工作記憶任務的表現上出現遷移效應, 且CEN和DMN功能連接相對于控制組增強(Lin et al., 2016)。

認知訓練也能促進不同網絡間的功能分化。老化過程中, 神經活動的半球非對稱性減弱(hemispheric asymmetry reduction in older adults, HAROLD), 去分化說(dedifferentiation theory)認為以此為代表的神經活動特異性的減弱是老年階段整體認知衰退的標志(李婷, 李春波, 2013)。前文所述W. Cao等人(2016)的研究中, 訓練后被試DMN和CEN間功能連接的負相關增強; 該訓練項目還發現老年人FPN活動的半球非對稱性相對加強(Luo et al., 2016), 提示大腦半球間、半球內部不同網絡間功能的特異性均增強。

綜上, 認知訓練不僅能夠提高老年人各功能網絡內部神經活動的同步性, 也能夠加強網絡間和半球間神經活動的特異性, 上述結果與白質完整性的改善相對應, 表明前額葉神經網絡的結構和功能連接在老年階段均具有可塑性。

1.3 前額葉及皮質下結構功能激活的可塑性

采用任務態fMRI研究前額葉功能激活可塑性的成果最為豐富。相對于青年人, 老年人大腦激活的特點除前文提及的半球非對稱性減弱, 還包括前部升高?后部降低(posterior-anterior shift in aging, PASA), 即完成認知任務時前額葉激活增加, 而后部低級皮層(如枕葉)激活減少, 研究者使用去分化說和代償說(compensation theory)解釋以上現象, 代償說認為老年人通過額外的神經活動補償神經效能的降低(具體見Grady, 2012; 李婷, 李春波, 2013的綜述)。

大量工作記憶訓練的研究表明, 老年階段前額葉皮質的功能激活具有一定的可塑性。對老年人進行4周的n-back訓練后, 被試任務成績提高, 前額葉激活在低至中等難度任務中減少, 而在高難度條件未出現變化(Heinzel et al., 2016); 類似的干預研究同樣也發現老年被試僅在低難度(1-back)任務中內側、背外側前額葉, 及運動前區皮質激活減少(Heinzel, Lorenz, et al., 2014)。神經回路的補償性利用假說(CRUNCH)認為, 在完成簡單任務時, 老年人調用更多的神經資源補償認知效能的下降, 表現為大腦激活的增加, 而困難任務中這一補償機制失效(Grady, 2012)。因此, 訓練后老年人神經效能的提高, 表現為在簡單任務中大腦補償性激活的減少。此外, 研究提示, 與難度固定的訓練相比, 難度自適應的工作記憶訓練效果更好, 5周的干預后自適應訓練組老年被試背外側前額葉等腦區的激活減少幅度更大(Brehmer et al., 2011)。

工作記憶訓練研究還發現, 前額葉及相關認知功能的可塑性與皮質下紋狀體及多巴胺系統的活動有關。Brehmer等人(2011)發現, 工作記憶訓練后老年被試紋狀體尾狀核在任務中激活增加, 增加的幅度與訓練成績正相關。紋狀體是多巴胺系統的重要結構, 多巴胺系統的活動又與工作記憶表現密切相關(彭蘇浩, 湯倩, 宣賓, 2014)。采用PET分子影像技術, 研究者進一步探索了多巴胺系統的可塑性, 但目前被試仍局限于青年群體。研究表明工作記憶訓練能夠調節被試多巴胺系統的活動, 表現為大腦皮質和紋狀體多巴胺受體結合力(binding potential)的變化(B?ckman et al., 2011; McNab et al., 2009)。至于在老年階段工作記憶訓練能否類似地調節多巴胺系統的活動, 還需要未來實證研究的支持。

采用腦電技術, 抑制控制的訓練研究也發現了前額葉在老年階段功能激活的可塑性。對老年人和老年大鼠進行12周的抑制訓練, 被試認知表現顯著提升的同時, 感覺皮層的電活動均減弱; 對于人類被試, 代表自上而下抑制控制的額葉theta節律能量在干擾條件下相對降低, 提示抑制干擾信息的效能提高(Mishra, de Villers-Sidani, Merzenich, & Gazzaley, 2014)。采用延遲匹配任務和ERP考察抑制控制訓練中老年人的神經可塑性, 研究者發現被試在T1D2條件(1個目標, 2個干擾)的對側延遲活動(CDA)波幅下降, 提示抑制干擾信息的效能有改善的趨勢(Ji, Wang, Chen, Du, & Zhan, 2016)。

此外, 針對認知策略進行訓練也能夠引起前額葉皮質功能激活的改變。在一項目標導向的自我調節注意訓練中, 老年人學習使用多種策略減少分心、將注意集中在與目標有關的任務中, 訓練后被試運動前區及背外側前額葉在工作記憶任務中激活增加(Adnan, 2014)。腳手架理論認為, 此類訓練促使老年人更有效地使用策略, 調用認知資源完成認知任務, 即更有效地搭建“腳手架”補償認知衰退, 表現為訓練后相應腦區功能激活的增加(Park & Bischof, 2013)。

與前額葉和執行功能相關的認知訓練出現遷移效應的神經基礎也已有初步的研究成果。Dahlin, Neely, Larsson, B?ckman和Nyberg (2008)發現工作記憶訓練是否出現遷移效應與皮質下紋狀體的功能有關。對青年人和老年人進行工作記憶訓練, 僅青年被試在遷移任務中表現改善。青年被試訓練前后紋狀體在訓練任務和遷移任務中均激活, 且訓練后激活增加, 而老年被試訓練前紋狀體在兩項任務中無顯著激活, 訓練后激活的增加僅發生在訓練任務, 而非遷移任務。研究結果提示, 紋狀體是工作記憶訓練遷移效應的神經基礎, 老年階段紋狀體功能的退化可能是導致遷移效應缺乏的原因。研究還發現涉及抑制控制成分的訓練是否出現遷移效應與額葉theta節律能量聯系密切。利用“神經賽車”視頻游戲對老年人進行1個月的單任務(僅駕駛或僅辨別信號, 類似于go-nogo任務)或多任務(駕駛及辨別信號)訓練, 只有多任務組被試在工作記憶、注意等遷移任務中表現改善, 并伴有額葉中線區theta節律能量增強(Anguera et al., 2013)。Mishra等人(2014)對老年人進行12周的抑制控制訓練, 被試額葉theta節律能量在干擾條件下相對于控制組減小, 抑制干擾信息的效能提高, 并且在工作記憶、持續性注意等遷移任務中成績也有改善。此外, 抑制控制訓練相關的神經可塑性還可能與訓練對一般認知能力的遠遷移效應有關。近期我們的一項研究發現, 對老年人進行8周抑制控制訓練, 被試在流體智力這一遠遷移任務中表現改善, 并且遠遷移效應僅與抑制控制的一個子過程——刪除(deletion)中表現出的近遷移效應顯著相關(Ji et al., 2016)。已有研究表明, 流體智力任務得分高的被試, 在需要更多抑制控制的lure n-back任務中表現更好, 任務中外側前額葉等腦區的功能激活在兩項認知成績的正向關系中發揮中介作用。提示這些抑制控制相關腦區的功能激活, 可能是抑制控制訓練遠遷移效應出現的神經基礎(Gray, Chabris, & Braver, 2003)。綜上所述, 訓練任務與遷移任務共享的認知和神經過程, 是遷移效應出現的基礎(Beatty et al., 2015), 探索認知訓練后前額葉及皮質下結構神經功能的改善與遷移效應的關系, 有助于理解訓練引起遷移效應的內在機制。

2 有氧鍛煉

研究發現有氧鍛煉能夠引起老年人前額葉皮質結構的變化。大量研究表明, 進行身體鍛煉多、有氧體能(指心肺系統消耗和使用氧氣的能力)好的老年人執行功能更好, 前額葉灰質體積也更大(見Erickson, Leckie, & Weinstein, 2014的綜述)。對老年人進行6個月的中等強度(北歐式健步走)或低強度(健身操)有氧訓練, 被試背外側前額葉灰質體積增大(Ruscheweyh et al., 2011); 類似地, 6個月的適應個體心肺功能水平的有氧訓練, 也引起老年被試前額葉灰質(額下回、輔助運動皮層)和白質(前部胼胝體)體積的增大(Colcombe et al., 2006)。另一方面, 有氧鍛煉也能改變前額葉皮質和皮質下結構的功能激活。為期1年的有氧訓練后, 老年被試在側抑制任務(Flanker Task)中前額葉(額中回、額下回及運動前區)激活相對減少, 皮質下結構(丘腦、紋狀體)激活增加(Voelcker-Rehage, Godde, & Staudinger, 2011)。此外, 一次性的急性有氧鍛煉(Acute Aerobic Exercise)也得到研究者關注, 僅10分鐘中等強度的有氧鍛煉就能夠引起老年人工作記憶表現的提升, 并且在任務中被試前額葉激活增加, 提示鍛煉后被試能夠迅速地調用任務相關的認知資源(Tsujii, Komatsu, & Sakatani, 2013)。

已有研究從不同角度探索了有氧運動引起前額葉結構和功能變化的可能機制。首先, 有氧鍛煉可能通過改善心腦血管功能, 發揮對于前額葉功能的支持性作用。人類大腦的重量僅占全身 的2%, 而基礎代謝量卻占全身的27% (Boyer & Harrington, 2018), 更大的腦血流量能夠為神經系統提供充足的氧氣和營養(H?tting & Roder, 2013)。然而, 腦血流量在老年階段下降, 且在前額葉下降最多(West, 1996)。動物研究發現, 運動訓練能夠引起大鼠血管內皮生長因子的增加和毛細血管的生成, 從而減緩大鼠老年階段腦血流量的下降(Viboolvorakul & Patumraj, 2014)。以人類為被試的研究也發現, 有氧鍛煉能夠改善中老年人心腦血管功能, 降低心腦血管疾病的危險因素(Haskell et al., 2007; H?tting et al., 2012)?；谇邦~葉腦血流量在老年階段的特異性下降, 有氧鍛煉很有可能通過提升腦血流量改善前額葉功能, 但這還需要未來研究提供直接證據。

此外, 有氧鍛煉還能夠直接作用于神經系統, 提升神經營養因子水平, 促進神經組織代謝, 從而改善前額葉相關的認知功能。N-乙酰天冬氨酸(NAA)是一種僅在神經組織中產生的代謝物, 有氧體能好的老年人NAA水平更高, 并且NAA在有氧體能與工作記憶的正向關系中起中介作用, 提示有氧運動能夠促進神經組織的代謝活動, 進而改善前額葉功能(Erickson et al., 2012)。神經營養因子對神經元的生長和存活有重要意義(路露,陳美婉,羅煥敏,2010), 并與執行功能、工作記憶表現有顯著的正向關系(Bellar, Glickman, Juvancic- Heltzel, & Gunstad, 2011), 主要包括腦源性神經營養因子(BDNF)、胰島素樣生長因子(IGF-1)等。急性有氧鍛煉能提高老年被試BDNF水平(de Melo Coelho et al., 2014; H?kansson et al., 2017)。采用長期有氧耐力訓練或整合性運動訓練的研究也發現老年被試BDNF和IGF-1水平的提高, 并且BDNF水平在有氧鍛煉與執行功能的正向關系中起中介作用(Sillanp?? et al., 2010; Suzuki et al., 2013)。動物研究提供了身體鍛煉促進神經生長的直接證據。研究發現, 有氧運動能夠減緩小鼠神經生長的隨齡下降, 促進小鼠神經元的增殖、存活、分化和遷移(Littlefield, Setti, Priester, & Kohman, 2015; So et al., 2017)。前額葉在老年階段的萎縮最快(Raz, 2004), 有氧鍛煉對老年人執行功能又具有特異性的促進作用(參見綜述, 李旭,杜新,陳天勇,2014); 因此, 前額葉很可能更多地獲益于有氧鍛煉對神經系統的保護作用。不過由于目前還難以通過在體(in vivo)研究考察人類神經元層面的變化, 因此關于有氧鍛煉對人類前額葉神經保護作用的探索, 還有待技術手段的進步。

綜上所述, 有氧鍛煉與老年階段前額葉及相關認知功能的可塑性密切相關。一方面, 有氧鍛煉能夠改善心腦血管功能, 降低心腦血管疾病的危險因素, 從而支持神經系統的功能; 另一方面, 有氧鍛煉也能促進神經組織代謝, 提升神經營養因子水平, 并可能直接促進神經生長。

3 整合性訓練

早期的整合性訓練將認知干預、有氧鍛煉等相結合, 發現前額葉的結構和功能在老年階段具有可塑性, 并且相比于成分單一的訓練, 整合性訓練的效果更顯著。在一項干預研究中, 進行為期6周的包括記憶術、執行功能任務、太極拳和團體心理輔導的整合性訓練后, 老年被試內側前額葉與內側顳葉之間, 以及DMN區域的功能連接增強(Li et al., 2014)。另一項研究中, 兩組老年人分別接受整合性訓練(包括記憶、推理、視覺空間能力訓練, 手工, 及身體鍛煉)和推理能力訓練, 1年后整合性訓練組老年被試前額葉(額極區域)皮質厚度的萎縮減緩更多(Jiang et al., 2016)。此外, 整合性訓練效果的保持也更好。對三組老年人分別進行1年的認知訓練、身體鍛煉及二者相結合的訓練, 5年后的追蹤測試發現, 整合性訓練組被試在包括執行功能在內的多項認知能力上均優于其他兩組(Oswald, Gunzelmann, Rupprecht, & Hagen, 2006); 與此類似, 接受3個月整合性訓練(包括記憶、推理、問題解決訓練、手工制作、健康知識教學和身體鍛煉)的老年人, 相比于僅接受推理訓練的老年人, 情節記憶等認知能力的提高在1年后保持得更好(Cheng et al., 2012)。然而, 整合性訓練這些優勢的神經機制還需要進一步探索。

近年來, 科技的發展也使一些更為貼近老年人實際生活、更具生態學效度的整合性訓練成為可能。互動式健身游戲(exergame)能夠在單個任務中同時進行認知訓練和身體鍛煉, 已經成為整合性訓練的有效手段。研究者考察互動式健身游戲對于老年人步態的影響, 發現訓練后被試在執行功能任務中前額葉theta節律能量減小, 并且在雙任務行走(即行走的同時完成其他認知任務)時步態改善, 提示互動式健身游戲能夠提高認知加工效能, 幫助老年人在走路時更好地注意和處理路況等信息, 進而改善步態, 降低摔倒的幾率(Sch?ttin, Arner, Gennaro, & de Bruin, 2016)。同樣利用互動式健身游戲, 研究者對老年人進行8周同時涉及注意、執行控制和運動協調能力的跳舞毯游戲訓練, 訓練后被試在加速走任務中額葉激活減少, 認知效能提高, 且激活減少的幅度與執行功能的提高正相關(Eggenberger, Wolf, Schumann, & de Bruin, 2016)。也有研究者開始關注與社會參與有關的前額葉可塑性。體驗團項目(The Experience Corps Project)安排老年人在小學進行6個月的志愿服務, 為學生提供閱讀指導及圖書館服務, 訓練后老年人抑制控制的成績提高, 提高程度與外側前額葉、前扣帶回任務中功能激活的增加相關, 提示社會參與、接觸豐富的環境能夠促進老年人更積極地調用認知資源(Carlson et al., 2009)。

綜上所述, 涵蓋多種成分的整合性訓練能夠比成分單一的干預更為有效地改善前額葉結構和功能; 另一方面, 采用新技術手段和范式的整合性訓練則可以更加貼近老年人的生活。更多地采用整合性訓練探索老年階段前額葉的可塑性, 有利于促進干預項目更好地服務于老年人的實際生活。

4 未來研究展望

4.1 采用多種技術手段, 從多個層面理解前額葉的可塑性

早期有關老年階段前額葉老化與可塑性的研究主要采用sMRI、fMRI、EEG等技術, 揭示前額葉結構和功能的變化。近年來, 考察白質完整性的DTI技術, 關注大腦功能連接狀況的靜息態fMRI技術, 以及研究神經遞質系統的PET分子影像技術逐漸發展成熟。例如, 采用PET技術的研究發現, 多巴胺系統的活動是工作記憶訓練中前額葉可塑性更為基礎的神經機制(B?ckman et al., 2011; McNab et al., 2009)。有研究者甚至更進一步, 利用行為遺傳學技術, 發現與多巴胺系統活動相關的一系列基因(如參與多巴胺酶解過程的COMT基因)可能是工作記憶可塑性個體差異的行為遺傳學基礎(Bellander et al., 2015; Heinzel, Riemer, et al., 2014), 從而進一步加深了對前額葉可塑性相關機制的理解。

然而, 由于技術條件和施測時間的限制, 以往的干預項目在研究中往往僅采用單一的腦成像技術, 因而只能觀察到一種神經指標在訓練后的變化。近年來, 多模態腦成像技術發展很快, 在一些研究領域已得到成功運用, 也開始成為探索前額葉在老年階段可塑性的有效技術手段。例如, 已經有研究將DTI與靜息態fMRI技術相結合, 發現整合性認知訓練后CEN區域白質完整性的提高與功能連接的增強具有一致性, 提示前額葉結構與功能的可塑性關系緊密(Chapman et al., 2015)。在未來研究中, 隨著多模態腦成像等技術的廣泛應用, 無論是認知訓練、有氧鍛煉, 還是整合性訓練, 對前額葉的影響都可以從腦結構(灰質、白質)、腦功能(神經網絡間的功能連接、特定腦區的功能激活), 以及遞質系統等各個層面進行研究, 從而更系統深入地理解前額葉在老年階段的可塑性。

4.2 加強對與前額葉關系密切的多種認知功能神經可塑性的研究

前額葉在工作記憶、執行控制、情節記憶等高級認知功能, 以及一般流體智力中均發揮重要作用(Au et al., 2015; Carlén, 2017)。目前與前額葉可塑性有關的認知訓練研究中, 工作記憶訓練研究的成果較為豐富, 已經發現工作記憶訓練能夠通過調節多巴胺系統的活動, 改變紋狀體和前額葉的功能激活, 進而提升青年人的工作記憶能力。然而, 在老年階段, 多巴胺系統是否通過同樣的機制影響前額葉的可塑性仍需未來研究提供支持。值得注意的是, 針對其他認知功能的干預研究還不能系統地解釋訓練如何作用于前額葉皮質、皮質下結構及神經遞質系統。例如, 抑制控制是一項非?；A的執行功能, 很早就已被心理學研究所關注(Smith, 1992), 其神經基礎主要定位于前額葉下部?丘腦底核?運動皮層回路, 并與去甲腎上腺素、多巴胺及5-羥色胺遞質系統的活動有關(Bari & Robbins, 2013)。然而, 目前抑制訓練的研究尚未深入到神經回路層次, 以揭示與抑制控制相關的腦結構及神經遞質系統在老年階段的可塑性。此外, 已有研究提示同一執行過程(如抑制控制)不同子過程的可塑性也存在差異性(Ji et al., 2016), 但這些差異的神經基礎還有待進一步探究。未來研究可借鑒工作記憶訓練中對神經可塑性的研究思路, 加強對與前額葉關系密切的多種認知功能神經可塑性的研究, 從而增進對前額葉在老年階段多方面的可塑性及相應神經機制的認識。

目前, 關于認知訓練能的遠遷移效應, 特別是能否提高老年人的一般認知能力或流體智力, 還存在較大的爭議。例如, Anguera等(2013)采用“神經賽車”視頻游戲進行訓練, 發現訓練后老年被試在工作記憶和注意等任務中成績顯著提高, 但其他研究者針對該研究的樣本情況(如被試脫落率過高、樣本量小)和研究結果(如遷移效應僅在3/11個任務中出現、統計分析中多重比較的校正問題等)提出了質疑(Simons, 2013)。Jaeggi, Buschkuehl, Jonides和Perrig (2008)發現8~19天的dual n-back任務訓練后, 被試的流體智力有顯著提高, 但也受到了對于諸如沒有安慰劑對照組(僅采用無接觸對照組)、遷移效應的測試不規范等問題的質疑(Chooi & Thompson, 2012)。此外, 元分析結果也表明工作記憶訓練并未在其他認知能力(如言語能力、抑制控制等)上表現出遷移效應(Melby-Lerv?g & Hulme, 2016)。盡管爭論仍在繼續, 這些認知訓練中關于神經可塑性的研究也非常缺乏, 很多商業化的認知訓練產品(如Cogmed, BrainHQ)卻已經迅速地推向市場, 宣傳可以預防老年人的認知衰退, 甚至預防AD, 并聲稱有科學證據的支持。針對這一現狀, 以美國斯坦福大學長壽中心和德國馬普人類發展研究所為首的70多位心理學家, 于2014年聯名簽署了《來自科學界對于認知訓練產業的聲明》, 認為這些所謂的“研究支持”往往與產品關系不大, 并且指出這些訓練能否影響老年人的日常生活還需要更多實證研究的驗證(Allaire et al., 2014)。因此, 未來研究需要在規范實驗設計基礎上, 進一步揭示認知訓練改善老年人認知功能的神經機制, 同時也為開發商業性的認知訓練產品提供更可靠的科學依據。

4.3 重視與整合性訓練有關的前額葉可塑性

相比于單一成分的干預, 整合性訓練不僅能更為有效地減緩前額葉在老年階段的萎縮(Jiang et al., 2016), 并且在訓練的生態學效度, 即提高老年人日常認知能力和生活質量方面也具有突出的優勢。首先, 整合性訓練的內容更加貼近生活, 太極拳、營養飲食教學, 甚至志愿服務都已被納入針對老年人的干預項目(Carlson et al., 2009; Li et al., 2014; Ngandu et al., 2015)。第二, 采用新技術手段(如互動式健身游戲)的整合性訓練, 使在實驗室更好地模擬生活中的多任務情境成為可能。最后, 整合性訓練更多地使用與實際生活能力相關的指標(如對老年人步態、日常生活能力、駕駛行為等)進行評估(Ball, Edwards, Ross, & McGwin, 2010; Rebok et al., 2014; Sch?ttin et al., 2016), 能夠更好地評價干預項目對老年人日常生活能力的影響。

近年來, 已經出現了一些具有影響力的大型訓練項目。例如, 芬蘭預防老年認知損傷的干預研究(FINGER)發現, 2年的整合性干預后被試執行功能相對于控制組更好(Ngandu et al., 2015)。針對健康老年人的高級認知功能訓練項目(ACTIVE)發現訓練后的5年間, 被試日常生活能力、駕駛行為均有顯著改善(Ball et al., 2010; Rebok et al., 2014)。然而, 遺憾的是, 盡管兩個干預項目所關注的執行功能、日常生活能力、駕駛行為等均與前額葉有關, 但目前還沒有關于神經可塑性研究結果的報告。因此, 未來研究應著重關注與整合性訓練有關的神經可塑性, 理解訓練中老年人前額葉結構和功能的改變, 及與認知功能和日常生活能力改善相關的神經機制。

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Plasticity of the prefrontal cortex in old age and underlying mechanisms

WANG Chen-Xi; CHEN Tian-Yong; HAN Bu-Xin

(CAS Key Laboratory of Mental Health, Institute of Psychology, Beijing 100101, China) (Department of Psychology, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Previous studies have shown that structure and function of the prefrontal cortex (PFC) are particularly vulnerable to aging. On the other hand, recent studies have also indicated that the structural and functional plasticity of PFC is preserved in old age. For older adults, cognitive training attenuates reduction of cortical thickness in PFC, increases white matter integrity, improves intra- and inter-network functional connectivity, and also changes functional activation through modulation of dopamine activity in PFC and subcortical structures. Aerobic exercise improves cardiovascular fitness, preserves neuronal integrity and promotes neurogenesis, which would then lead to increased volumes in prefrontal gray and white matter, and altered functional activation patterns. Multimodal intervention, which combines cognitive training and physical exercise, has demonstrated better ecological validity, enhancing everyday cognition and life quality of older adults. We suggest that future studies should adopt various techniques, in order to better understand the prefrontal neuroplasticity in old age and its related mechanisms; separately analyze the various PFC related cognitive abilities; and lay stress on the more ecological multimodal intervention.

prefrontal cortex; executive function; older adults; neural plasticity

10.3724/SP.J.1042.2018.02003

2017-11-13

*國家自然科學基金項目(81671040), 國家重點研發計劃項目(2017YFC1310102)。

陳天勇, E-mail: chenty@psych.ac.cn

B844.4