基于 N-back 认知任务的正常脑老化事件相关电位分析

Abstract

The purpose of this study is to investigate the change of the whole brain event-related potentials(P300) in normal brain aging based on N-back cognitive tasks. The P300 of 15 normal young people and 10 normal old people were evaluated based on N-back cognitive tasks and analyzed. The results showed that the P300 latency of old people was longer in whole brain than young people, and amplitude was increased in the frontal-central region, while significantly increased in the pre-frontal region in the same load cognitive tasks. With the cognitive task load increasing, the amplitude of old people in high-load task was higher in the whole brain than that in low-load task, mainly in in the frontal region, but the difference was not statistically significant. The latency in the high-load task was shorter in the frontal-central region of right brain than the low-load task, and the difference was statistically significant. Thus, P300 showed that the normal brain aging process is mainly reflected in the pre-frontal region, and the high-load cognitive task could better reflect the change of brain function compared with the low-load cognitive task. The finding is of revelatory meaning for diagnosis of early dementia in patients.

引言

阿尔兹海默症（Alzheimer’s disease，AD）是一种以进行性认知障碍为特征的神经系统退行性疾病，易发于 65 岁以上的人群；并且随着年龄的增长，发病率翻倍增长。2015 年全世界约有 3 600 万 AD 患者，随着世界人口进入老龄化时期，预计到 2050 年患者将超达 1.15 亿^[1]。研究表明，与年龄不相符的记忆力减退是 AD 早期最为常见的症状，因此，研究健康老年人在不同状态下，尤其是执行记忆任务下脑功能的变化特征，有助于全面揭示正常老化的过程，可为 AD 的早期诊断提供有利线索^[2]。

工作记忆（working memory，WM）是指进行复杂认知活动时，对信息进行暂时加工和存储的记忆系统，其中 N-back 认知任务是测量 WM 的典型范式^[3]。N-back（N = 0，1，2， ）范式最早由 Kiechner 于 1958 年提出，是脑神经科学研究中常用的范式，可用于设计连续加工的认知任务^[3]。它要求受试者将刚刚出现过的刺激与前面第 N 个刺激相比较，通过控制当前刺激与目标刺激间隔的刺激个数 N 来改变认知负荷。大量研究表明，年龄相关的脑特征变化可以通过执行 N-back 认知任务很好地体现出来，并可以通过功能性神经成像技术揭示其潜在的机制，例如功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）^[4-6]或脑电图（electroencephalogram，EEG）分析^[7-9]。而 EEG 信号是在头皮上通过电极记录下来的脑细胞群自发性、节律性电活动轨迹^[10]，具有易采取和高时间分辨率的特点，因此成为了当前处理 WM 的热门手段。目前大量研究使用事件相关电位（event-related potential，EPR）的方法来分析在 WM 中高龄对脑部的影响^[7-9]。而 ERP 是通过目标刺激的 EEG 信号进行叠加得到的，能让研究者在受试者执行某一行为时观察到与此活动相关的神经活动的空间和时间特征^[11]。P300 是潜伏期为 300～500 ms，电压为正的 ERP 成分^[12]，其作为 ERP 不受物理刺激影响的内源性成分，与受试者的精神状态和注意力有关^[13]。研究表明，P300 的潜伏期反映认知的加工速度以及执行功能，峰值反映参与输入信息处理相关的中枢神经系统活动数^[14]。虽然 ERP 研究已经较为成熟，但是目前 ERP 研究大多局限于某一部分脑区，例如中央脑区或前额脑区，不能够全面地体现出整个脑部的变化；并且大多使用 ERP 非内源性成分，例如 P200 等。

综上所述，本研究设计了两种中国老年人较容易理解并难度足够的 N-back 认知任务，并且测得在认知任务下健康老年人和健康年轻人的全脑 ERP 的内源性成分 P300；通过比较老年人和年轻人 P300 的峰值和潜伏期，来探讨正常脑老化全脑 P300 的变化趋势，最终期望本文研究结果对于早期 AD 患者的检出具有启示意义。

1. 对象及方法

1.1. 研究对象

本试验共有 25 名志愿者参加，按年龄划分成年轻人组和老年人组。年轻人组共 15 人（7 男、8 女），年龄为 19～29（23.13 ± 1.96）岁；老年人组共 10 人（5 男、5 女），年龄为 58～70（64 ± 3.30）岁。所有受试者均无脑部疾病史，无药物、酒精滥用史，视力或矫正视力正常且为右利手；最近两周内未服用神经类药物，参加试验前一晚睡眠正常。对每位受试者进行简明精神状态检查量表（mini-mental state examination，MMSE）^[15]测定以评估他们的认知水平。t 检验结果表明，本试验的两组受试者的 MMSE 值差异不具有统计学意义（P=0.83 > 0.05），因此可认为两组受试者的认知水平是相当的。

在试验前，所有受试者都填写了试验知情同意书；在试验后，所有受试者都得到了一定的经济补偿。试验协议由中国药科大学制度伦理委员会批准，并且遵守赫尔辛基宣言。

1.2. N-back 认知任务的设计

本试验要求受试者观察并响应出现在计算机屏幕上的连续符号“*”或汉字（字体为标准宋体，字体大小为 58 号）刺激。汉字刺激是根据《汉字频度统计表》和《现代汉语常用字表》选出的 4～8 划的高频汉字；并且为了避免汉字词性引入的心理干扰，入选的汉字均为名词。当目标刺激出现时，就用左手手指按下电脑控制按钮（键盘 A 键）；如果非目标刺激出现，就用右手手指按下电脑控制按钮（键盘 L 键）。为了避免其他按键的影响，键盘上的其他按键已事先拆除。

本试验设计了两种不同负荷的认知任务，在不同负荷的认知任务中，目标刺激的定义是不同的。一种是基于 0-back 范式设计的低负荷任务，汉字为目标刺激，“*”为非目标刺激；另一种是基于 2-back 范式设计的高负荷任务，若当前汉字与前面第二个出现的汉字相同则为目标刺激，不同则是非目标刺激。如图 1 所示，任务设计定义了本试验中低负荷任务和高负荷任务的目标刺激与非目标刺激。每一种任务由三组序列组成，每组包含 40 个符号“*”或汉字图片，其中 13 个为目标刺激。如图 1 所示，任务流程定义了一组序列的呈现过程；首先会出现 0.5 s 的一个“+”，以便受试者保持注意力，然后出现 0.5 s 的符号“*”或者汉字刺激，最后出现 4 s 的空屏；如此循环 40 次，构成一组序列。

图 1.

Design and process of N-back cognitive tasks

N-back 任务的设计与流程

通过心理学试验软件 E-prime2.0（Psychology Software Tools Inc.，美国）编程实现每组序列的符号“*”或汉字图片随机出现，并且目标刺激的位置和汉字内容也是随机出现的。第一个低负荷任务结束后，进行一个高负荷任务，然后将两种负荷任务的两组序列，打乱，随机进行。记录反应时间和正确率，但其表现不反馈给受试者；并且受试者被要求在每次任务前睁眼休息 5 min。

1.3. ERP 数据采集及处理

采用脑电视图记录软件 Brain Vision Recorder（Brain Products Inc.，德国）记录系统，按国际 10/20 记录系统扩展放置 64 导电极，如图 2 所示。TP9 和 TP10 为耳电极，鼻尖为放大器记录时的参考电极（由于电极帽电极有限，将 O1 脑电极取出来充当参考电极），头顶黑色电极接地，电极与皮肤间的阻抗小于 10 KΩ。EEG 信号经放大器放大，采样频率为 500 Hz，放大器带通频率范围是 0.5～70 Hz。

图 2.

The location of 64 electrodes

64 导电极位置图

利用脑电视图分析软件 Brain Vision Analyzer2.0（Brain Products Inc.，德国）对采集的 EEG 信号数据进行预处理和 ERP 分析。首先进行转换参考电极处理，将采集时的鼻尖参考电极转换成耳后参考电极；其次对转换后的 EEG 信号数据进行去眼电和除伪迹处理；最后将两种负荷任务下每个受试者所有反应正确的目标刺激的 EEG 信号进行叠加分析及比较。ERP 分析总时长为 1 000 ms，其中刺激前 200 ms 作为基线，刺激后 800 ms 作为分析波。P300 是潜伏期为 300～500 ms，电压为正的 ERP 成分。如图 3 所示，峰值是信号在 300～500 ms 范围内正电压的最大值，潜伏期则是 0 时刻到峰值对应时刻的范围值。其中 P300 的潜伏期反映认知的加工速度以及执行功能，峰值反映参与输入信息处理相关的中枢神经系统活动数^[14]。

图 3.

The example of P300 waveform

P300 波形示例

1.4. 统计学方法

本研究数据采用均值 ± 标准差表示，对年轻人或老年人的低负荷任务状态和高负荷任务状态的 P300 参数（潜伏期和峰值）和行为学参数（正确率和反应时间）做配对样本学生 t 检验；对低负荷任务状态或高负荷任务状态的年轻人和老年人的 P300 参数（潜伏期和峰值）和行为学参数（正确率和反应时间）做独立样本学生 t 检验；P < 0.05 表示差异具有统计学意义。

2. 结果

2.1. N-back 行为学统计结果

如表 1 所示，对比低负荷或高负荷任务下，老年人组和年轻人组之间的正确率和反应时间差异均具有统计学意义（P < 0.05），表现为正确率下降，反应时间增长。年轻人组在两种不同负荷认知任务下，正确率差异无统计学意义，但是反应时间增长，差异具有统计学意义；老年人组的差异均具有统计学意义，表现为正确率下降，反应时间增长（ P < 0.05）。

表 1. Accuracy and reaction time of two cognitive tasks with different loads in two groups.

两组人群在两种不同负荷认知任务下的正确率和反应时间

任务状态	正确率				反应时间/ms
	年轻人组	老年人组	P 值		年轻人组	老年人组	P 值
低负荷任务	95% ± 3%	88% ± 1%	P = 0.03 < 0.05		497.16 ± 108.82	660.48 ± 126.85	P = 0.002 < 0.05
高负荷任务	96% ± 3%	73% ± 2%	P = 0.000 2 < 0.05		742.75 ± 244.22	1 091.91 ± 527.35	P = 0.03 < 0.05
P 值	P = 0.24 > 0.05	P = 0.046 < 0.05			P = 0.001 < 0.05	P = 0.02 < 0.05

2.2. P300 的峰值与潜伏期统计结果

对两组受试者在两种不同负荷认知任务状态下的 P300 潜伏期和幅值做出地形图，如图 4 所示。在相同负荷认知任务状态下，老年人的 P300 潜伏期在全脑范围内要长于年轻人，但对于峰值，老年人在额-中央区较年轻人大，顶-枕区较年轻人小；随着认知任务的负荷增加，两组受试者在全脑范围内 P300 潜伏期缩短，峰值增加。

图 4.

Brain topographic maps of amplitude and latency of P300 in two groups on two cognitive tasks with different loads

两组人两种不同负荷认知任务状态下 P300 峰值和潜伏期的脑地形图

对其相同负荷认知任务状态下的两组人的 P300 潜伏期和峰值做老年人与年轻人的差值地形图，并进行独立样本学生 t 检验，P < 0.05，表示差异具有统计学意义，如 图 5 所示。两种负荷认知任务状态下，老年人的潜伏期在全脑大范围较年轻人长；低负荷认知任务状态下，差异具有统计学意义的电极为 FP2、CP2、P2 和 P8，但前额区较年轻人小；高负荷认知任务状态下，差异具有统计学意义的电极为 CP2、CP4、CP6、P4、P6 和 Pz，但前额右脑区较年轻人小。峰值则是老年人在前额-中央区较大，而顶-枕区较小；低负荷认知任务状态下，差异具有统计学意义的电极为 PO7、Oz、POz、FP2、O2 和 PO4；高负荷认知任务状态下，差异具有统计学意义的电极为 AF7、F7、PO7、Oz、POz、FP2、AF4、AF8、P4、P6、Pz、PO4 和 PO8。

图 5.

Differential brain topographic maps of amplitude and latency of P300 in two different groups on cognitive task with the same load

相同负荷认知任务状态下的两组人 P300 峰值和潜伏期的差值脑地形图

对其同一组人的两种不同负荷认知任务状态下的 P300 潜伏期和峰值做高负荷认知任务状态与低负荷认知任务状态的差值地形图，并进行配对样本学生 t 检验，P < 0.05，表示差异具有统计学意义，如 图 6 所示。对于两组受试者，高负荷认知任务状态的潜伏期在全脑大部分区域较低负荷认知任务状态缩短；老年人差异具有统计学意义的电极为 CP5、F4、F6、F8、FC4、FC6、C4、T8、CP2 和 CP4，主要分布在右脑额-中央-顶区域；年轻人差异具有统计学意义的电极为 F7、C5、FP2、FC2、C2、C4、CP4 和 Pz，分布比较散乱，主要分布在中央-顶区域。脑部绝大部分区域峰值都有所增大，但仅有年轻人的 CP3、P1 和 P7 三个电极差异具有统计学意义。

图 6.

Differential brain topographic maps of amplitude and latency of P300 in the same group on two cognitive tasks with different loads

同一组人群的两种负荷认知任务状态 P300 峰值和潜伏期的差值脑地形图

3. 讨论

本研究的行为学结果显示，高负荷认知任务反应时比低负荷认知任务更长，正确率更低，表明在任务难度逐步增加的情况下其整体功能输出效率逐渐下降，这与以往研究相符合^[16]；老年人组的反应时比年轻人组更长，正确率更低，表明随着年龄的增加WM功能逐渐衰退，与以往研究相符^[16]。

本研究 P300 幅值与潜伏期的结果显示，老年人组的 P300 峰值随着任务负荷的增加而增加，但是差异并不具有统计学意义；年轻人组峰值变化与年老组相似，在左脑顶区差异具有统计学意义。表明无论是老年人还是年轻人当任务负荷增加时，参与信息处理的神经中枢活动数有所提高，这与以往研究中任务难度越大刺激越复杂时 P300 峰值越大相符^[17]。老年人的潜伏期随着任务负荷的增加，前额区和枕区出现增长，但差异并不具有统计学意义；而其他区域出现缩短，其中右脑差异具有统计学意义；年轻人潜伏期仅有枕区增长，但差异并不具有统计学意义；其他区域下降，在右脑中央-顶区及前额区差异具有统计学意义；表明无论是老年人还是年轻人当任务负荷增加时，脑中央-顶区域对刺激认知的加工处理过程会缩短；此结果与以往的研究不符^[18]，并且与行为学结果相反，可能由于正常人在高负荷认知任务下注意力不自觉地高度集中，脑神经处于高速运转状态，神经中枢活动数目大量增加，造成对刺激的加工处理过程缩短。

在相同负荷认知任务状态下，老年人的潜伏期全脑大范围地比年轻人长，并且在右脑中央-顶区差异具有统计学意义，这与以往的研究相符合^[19]，随着年龄的增长，潜伏期随之增长。在低负荷认知任务状态下，老年人的峰值在前额-中央区较年轻人大，而顶-枕区较年轻人小；在负荷增加时，老年人的峰值与年轻人峰值比较和低负荷认知任务状态相似，但前额区差异具有统计学意义的部分更多；表明前额区参与信息处理的神经中枢活动数老年人要多于年轻人，高负荷下老年人多的更多，因此前额区可能是体现脑老化的区域所在。最近的大量的神经影像学研究认为额叶是大脑受年龄增长影响最显著的区域^[20]，随着年龄的增加整个额叶皮质体积显著减小^[21]、额叶代谢下降^[22]等，这些研究与本研究结果相符。

4. 结论

本研究利用常见汉字作为刺激设计了中国老年人较容易理解并难度足够的 N-back 认知任务，基于此研究了不同负荷认知任务下健康老年人相对于健康人年轻人全脑 ERP 的 P300 成分变化情况。由本研究结果可知，由于正常老化的影响，在执行相同负荷的认知任务时，老年人的 P300 潜伏期较年轻人在全脑范围内增加，峰值在前额-中央区增加，其中在前额区增加的差异具有统计学意义；在认知任务负荷增加时，老年人峰值在全脑范围内增大，以额-中央区为主，但差异不具有统计学意义；潜伏期在右脑额-中央区缩短，并且差异具有统计学意义。综上所述，我们认为正常老化主要影响着前额区，且相比于低负荷认知任务，执行高负荷认知任务时更能反映老化对脑功能特征的影响。我们推测，给受试者施加一定的认知负荷，将有助于早期 AD 患者的检出。

Funding Statement

国家自然科学基金（61401518）；江苏省自然科学基金（BK20141432）；南京市科技医疗卫生项目（201503009）