运动-认知老化：初级运动皮层及其通路的角色与机制研究

本研究针对运动与认知功能随年龄衰退的机制，利用多模态MRI技术分析339名健康成人的HCP-Aging数据，揭示了初级运动皮层（M1）及其连接的皮质脊髓束（CST）和皮质纹状体束（CStrT）在老化过程中的结构与功能退化。研究发现CStrT的完整性介导了M1萎缩与运动及认知功能下降的关联，为理解运动-认知老化的神经基础提供了重要依据，对神经退行性疾病的早期检测具有参考价值。

　　

随着年龄增长，运动功能和认知能力逐渐下降已成为老年人群生活质量和独立性的重要挑战。这种运动与认知的双重衰退往往并存，但其背后的神经机制尚未明确。以往研究多聚焦于大脑记忆相关区域的老化，而对运动系统，特别是初级运动皮层（primary motor cortex, M1）及其连接的白质通路在衰老过程中的变化关注较少。M1作为执行自主运动的关键脑区，不仅通过皮质脊髓束（corticospinal tract, CST）直接控制脊髓运动神经元，还通过发出侧支投射至同侧纹状体形成皮质纹状体束（corticostriatal tract, CStrT），这一通路可能在与基底节互动的运动计划和认知控制中发挥重要作用。然而，CStrT在老化过程中的结构变化及其与运动、认知功能的关系仍不清楚。

为了系统揭示M1及其通路在老化过程中的改变，研究人员利用“人类连接组计划—老龄化（Human Connectome Project–Aging, HCP-Aging）”项目中339名右利手健康成年人（36–90岁）的多模态磁共振成像（MRI）数据，结合行为学测量，开展了一项综合性研究。该研究论文已发表在《NeuroImage》上。

研究采用的关键技术方法包括：高分辨率T1和T2加权成像用于评估M1结构（体积、曲率、T1/T2比值）；多延迟伪连续动脉自旋标记（pCASL）用于测量脑血流量（CBF）和动脉通过时间（ATT）；多壳扩散MRI（dMRI）结合基于MRtrix3的纤维追踪重建CST和CStrT，并进行沿束分析（along-tract analysis）以检测局部微观结构变化（如各向异性分数FA和平均扩散系数MD）；统计分析包括相关分析、组间比较以及中介分析，以探讨M1、白质完整性与行为表现之间的关系。

3.1. 参与者的 demographic 和临床特征

研究纳入的参与者按年龄分为两组：年轻组（36–65岁）和老年组（66–90岁）。结果显示，随着年龄增长，参与者在运动功能（如步行耐力、握力、行走速度）和运动认知（如认知灵活性、抑制控制、任务切换）方面均出现显著下降。

3.2. M1与年龄相关的结构和血流动力学改变

M1的体积随年龄减少，而皮层曲率增加，提示结构萎缩和沟回形态改变。血流动力学方面，ATT延长、CBF降低，表明灌注效率下降。T1/T2比值呈现先上升后下降的非线性轨迹，可能反映了铁沉积与髓鞘完整性之间复杂的动态交互。

3.3. CST和CStrT整体FA和MD的年龄相关改变

CStrT的FA随年龄线性下降，而CST的FA保持稳定；两者的MD均呈二次曲线上升，表明白质微观结构完整性随老化普遍受损。

3.4. CST和CStrT沿束FA和MD的改变

沿束分析进一步揭示了局部退化模式：CST在靠近M1的段落（如 segments 1–10）FA显著降低，MD升高，表明白质退化在皮层附近更为明显；而CStrT则在整个路径上表现出广泛的FA下降和MD升高，提示其更容易受到老化影响。

3.5. 白质通路指标与M1的关系

CST和CStrT的微观结构指标（FA和MD）与M1的体积、曲率、ATT及CBF显著相关，表明白质与皮层退化存在耦合关系。

3.6. 白质通路介导M1与运动及认知功能的关系

中介分析显示，左侧（运动优势侧）CST的完整性介导了M1萎缩与运动功能（如耐力、力量）下降的关系。更为重要的是，CStrT的完整性不仅介导了M1与运动功能的关系，还显著介导了M1与运动认知（如认知灵活性、抑制、任务切换）的关联，突出了CStrT在运动-认知老化中的核心作用。

研究结论与讨论部分强调，M1及其输出通路CST和CStrT在正常老化过程中经历显著的结构和功能退化。CST主要与运动功能相关，而CStrT则作为连接运动皮层与纹状体的关键通路，同时参与运动和执行功能的调节。其广泛退化可能解释了老化中常见的运动减慢与认知下降共现的现象。此外，T1/T2比值的非线性变化提示铁与髓鞘的动态平衡在老化中可能被打破，进而加速神经退化。该研究为理解健康老化的运动系统退化提供了多模态影像标记，未来或有助于神经退行性疾病（如痴呆）的早期识别与干预。研究局限性包括横断面设计无法推断因果关系，以及部分体积效应可能影响ASL指标精度等，未来需纵向研究结合更精细技术进一步验证。