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基于功能磁共振成像技术的认知老化脑机制研究

曹卫芳  
【摘要】:人口老龄化是当今社会面临的巨大挑战。老化过程伴随工作记忆、处理速度、情境记忆等认知功能减退,是影响老年人日常生活独立能力和生活质量的主要因素。人类大脑是各种认知功能的物质基础,厘清其功能和结构在老化过程中的改变是认知老化的重要课题。越来越多的认知神经科学研究重塑了我们对大脑老化的认识,一方面,其结构和功能的改变导致认知功能减退,另一方面,干预也会引起脑功能和结构的改变,改善老年人的认知功能。本文采用功能磁共振成像技术,以健康老年人为研究对象,探索正常老化过程和认知干预引起的大脑功能网络特征的改变。主要研究内容包括:1.老化对前扣带脑功能网络的影响。前扣带回作为额叶的重要脑区,与人类认知控制和情绪管理密切有关。我们采用静息态功能连接分析比较了老年和年轻对照被试的前扣带回脑功能网络的差异。首先,根据功能连接模式相似性,采用k均值聚类分析将前扣带分为背侧和腹侧两个亚区,接着探测了老化对两个前扣带亚区功能网络的影响。研究发现,老年被试与年轻对照被试相比有更高的背侧与腹侧前扣带的体积比,提示老化过程中前扣带内部功能发生了重组。进一步的功能连接分析发现,与年轻对照被试相比,老年被试背侧前扣带与颞顶联合以及腹侧前扣带与脑岛之间的功能连接增强,提示老化对突显网络的影响,老年人可能需要更多资源来维持对外界的注意。老年被试背侧前扣带与海马以及丘脑之间的功能连接,以及腹侧前扣带与默认模式网络脑区之间的功能连接显著降低,这些降低的功能连接可能与老年人认知功能降低有关。另外,我们也发现老年被试腹侧前扣带与额下回及颞上回的连接增强,可能与老年人保持的情绪管理有关。2.老化对小脑功能网络的影响。基于静息态功能数据研究发现,与年轻对照被试相比,老年被试小脑与前额叶、海马及纹状体之间的功能连接显著降低,表明老化过程中小脑与大脑皮层及皮层下结构之间的功能连接异常是老年人工作记忆等认知功能减退的脑功能特征。研究也发现老年被试的小脑运动亚区与脑岛之间的功能连接增强,与辅助运动皮层之间的功能连接降低,表明老化过程中重组的感知运动网络维持了老年人的感知运动功能。3.老化对工作记忆相关脑功能网络的影响。我们采用任务激活和功能连接分析方法,比较了老年和年轻对照被试的工作记忆相关的突显、中央执行以及默认模式网络的任务激活和功能连接差异。行为学结果表明老年被试与年轻对照被试相比较对高负荷工作记忆任务响应时间更长,正确率更低。任务激活研究发现,与年轻对照被试相比,老年被试左侧后顶叶和默认模式网络对高负荷工作记忆任务处理时显著降低,提示老年人在高负荷任务时可能无更多资源可以调配,行为表现差。功能连接分析研究发现,老年被试在高负荷任务时的中央执行和突显网络的皮层脑区与小脑之间的功能连接、默认模式网络的后扣带与前额叶之间的功能连接显著降低,以及中央执行网络的后顶叶与默认模式网络的后扣带以及腹内侧前额叶之间的功能连接显著降低。这些结果表明,老化影响了工作记忆相关的功能网络整合和网络间耦合性,可能反映了老年人的工作记忆功能减退。4.认知干预对老年人工作记忆相关脑功能网络的影响。采用静息态功能连接分析,本研究探测了认知干预前后老年人的工作记忆相关的三个功能网络的特征改变,以及与认知表现之间的关系。研究结果表明,与老年对照组相比,在一年后,老年干预组的默认模式和突显网络的整合性被维持,中央执行网络的整合性增强,以及默认模式和中央执行以及突显网络间的耦合性也被维持。而且,老年干预组增强的中央执行网络功能连接与提高的认知评分之间具有正相关关系。这些结果提示认知干预延缓了老化对工作记忆相关功能网络整合性和网络间耦合性的影响,可能与老年人认知干预后认知功能得到改善有关。5.认知干预对海马脑功能网络的影响。采用静息态功能连接分析,本研究全面探测了正常老化和认知干预对海马脑功能网络的影响。对于前海马功能网络,研究发现,老年被试与年轻对照被试相比前海马与颞极之间的功能连接降低而与腹侧前额叶之间的功能连接增强,提示老化过程中前海马功能网络发生了重组。进一步的认知干预研究发现,相比与老年对照组,老年干预组的左侧前海马与右侧颞极之间的功能连接在一年仍被维持。对于后海马功能网络,研究发现老年组相比年轻对照组的后海马与皮层间的功能连接显著降低,而且认知干预没有阻止或延缓老化对后海马功能网络的影响。本研究的结果表明,海马功能网络在老化过程中的改变可能反映了老年人的记忆功能损害。然而,认知干预可以延缓老化对前海马功能网络的影响。综上所述,本文发现与工作记忆等认知相关的多个脑功能网络特征在老化过程中的改变,而认知干预可以阻止或延缓老化对脑功能网络的影响。这些结果为进一步理解脑认知老化的神经机制,为延缓老化进程及预防老年痴呆等疾病的认知干预措施制定提供了重要影像学参考。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:R445.2;R338

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