非周期性脑电活动与成人言语流畅性：年龄依赖的神经生理标记物研究

本研究通过分析111名17-71岁健康受试者的静息态脑电(EEG)和认知测试数据，首次揭示非周期性活动(aperiodic activity)的offset值(反映神经放电率)与言语流畅性测试(VFT)表现的年龄依赖性关联。研究发现较小的offset值从33岁起即与较差的VFT表现相关，且这种关联随年龄增长而增强，为理解认知老化的神经机制提供了新视角。

　　

随着年龄增长，人类大脑会经历一系列神经生理变化，这些变化往往伴随着认知功能的衰退。传统上，研究者们主要关注脑电图(EEG)中的周期性振荡活动，如alpha波或theta波等。然而，EEG信号中实际上包含大量非振荡的、非周期性(aperiodic)活动，这种活动表现为1/f样的功率谱特征。过去常被视为"噪声"的这种非周期性活动，现在被发现具有重要的神经生理意义，可能反映了大脑的兴奋-抑制平衡(E:I balance)和神经放电率等基本特性。

尽管已有研究表明非周期性活动的变化与年龄相关，但大多数研究局限于特定年龄段，缺乏对成年期全年龄段的系统考察。特别值得注意的是，言语流畅性作为评估执行功能的重要指标，其与脑电活动的关系尚未在非周期性活动层面得到充分探索。这留下了一个关键科学问题：非周期性脑电活动如何影响不同年龄成年人的认知功能？

针对这一问题，来自国外研究机构的研究团队开展了一项创新性研究。他们通过对Stimulus-Selective Response Modulation(SRM)项目中111名17-71岁健康参与者的静息态闭眼EEG数据进行分析，结合包括言语流畅性测试(VFT)、色词干扰测试(CWIT)、数字广度测试(DST)等在内的神经心理学测试，系统考察了非周期性活动参数(指数exponent和偏移offset)与认知表现的关系。研究采用主成分分析(PCA)和K-Means聚类识别电极簇，并建立稳健回归模型分析年龄的调节作用。

研究团队首先对EEG数据进行了严格预处理，包括重新参考、滤波、伪迹去除等步骤。使用Specparam算法在1-40Hz范围内拟合功率谱，提取非周期性参数。通过PCA和K-Means聚类识别出前额叶、中央区、枕叶等脑区的特征性活动模式。认知测试包括执行功能、工作记忆等多个维度。统计分析采用偏相关和稳健回归，特别关注年龄与脑电参数的交互作用。

3.1 EEG数据降维
通过拓扑图和相关性矩阵发现，前额叶和顶叶电极在非周期性活动上表现出区域特异性相关。PCA显示第一主成分分别解释了exponent和offset变异的57%和69%。K-Means聚类识别出4个exponent簇(前额顶叶、额颞/中央颞叶、中线、枕叶)和3个offset簇(前额顶叶、中央区、枕叶)。

3.2 相关性分析
年龄与exponent(r=-0.38)和offset(r=-0.41)均呈负相关。控制年龄后，前额顶叶exponent与CWIT表现负相关(r=-0.23)，而多个脑区exponent与VFT正相关(最高r=0.34)。offset在多个脑区与VFT正相关(最高r=0.26)。执行功能与exponent正相关，而工作记忆仅与枕叶exponent相关。

3.3 非周期性活动与认知功能的预测模型
色词干扰测试：仅发现枕叶exponent与年龄的主效应(β=0.38)
言语流畅性测试：

• 发现显著的年龄与offset交互作用(全脑平均β=0.48)
• 前额顶叶(β=0.43)、中央区(β=0.5)和枕叶(β=0.43)簇均显示显著交互
• Johnson-Neyman分析显示这些关联从33-37岁开始显著
• 简单斜率分析显示，在+1SD年龄(51.5岁)时关联更强(全脑平均β=15.0)

认知领域模型：
仅发现额颞/中央颞叶exponent与执行功能的年龄主效应(β=-0.65)

这项研究首次系统揭示了非周期性脑电活动与成人认知功能的年龄依赖性关系。最关键的发现是，offset值(反映神经放电率)与言语流畅性的关联从成年早期(33岁)就开始显现，并随年龄增长而增强。这一发现具有多重重要意义：

首先，它扩展了我们对认知老化神经机制的理解。传统上认为认知衰退主要发生在老年期，但本研究显示相关神经生理变化可能在中年早期就已开始。前额顶叶和枕叶区offset的关联尤其值得关注，因为这些区域对执行功能和语言处理至关重要。

其次，研究为脑电生物标记物开发提供了新方向。非周期性参数可能成为评估认知功能变化的敏感指标，特别是offset值对言语流畅性的预测作用，为早期识别认知衰退风险提供了潜在工具。

再者，研究发现exponent(反映E:I平衡)与执行功能、工作记忆等广泛认知领域相关，而offset则特异性地预测言语流畅性。这种分离提示不同非周期性参数可能反映不同的神经机制，为未来研究提供了重要线索。

值得注意的是，这些发现是在静息状态下获得的，提示基础神经活动模式对认知功能的重要影响。这支持了"神经噪声"假说，即随着年龄增长，神经信号传递效率的降低可能导致认知表现下降。

该研究的创新性在于采用了全年龄段设计，并综合运用了先进的数据降维和分析方法。然而，研究也存在一些局限，如横断面设计无法确定因果关系，以及缺乏任务态脑电数据等。未来研究可结合功能影像和纵向设计，进一步阐明非周期性活动与认知功能变化的动态关系。

总之，这项研究为我们理解认知老化的神经基础提供了新视角，非周期性脑电活动特别是offset参数可能成为评估和预测认知功能变化的重要生物标记物，对早期识别和干预认知衰退具有潜在临床应用价值。