计算机化与纸笔版Stroop色词测验对脑激活和功能连接影响的差异：一项基于fNIRS的研究

《IBRO Neuroscience Reports》：Differences in the Effects of Computerized and Paper-based Versions of the Stroop Color-Word Test on Brain Activation and Functional Connectivity: A Study Based on fNIRS

　　

目的：本研究利用功能近红外光谱（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS），系统比较计算机化和纸笔版Stroop色词测验（Stroop Color-Word Test，SCWT）期间的皮层血流动力学激活模式和功能连接（functional connectivity，FC），以阐明不同评估模态介导认知加工的神经机制，并为失语症、构音障碍和上肢运动功能障碍等神经损伤患者的个性化认知评估工具选择提供神经影像学依据。方法：招募85名健康成人（平均年龄44.90±16.39岁）。研究人员使用fNIRS记录两种SCWT版本的一致任务和不一致任务期间双侧前额叶皮层（prefrontal cortex，PFC）、前运动皮层（premotor cortex，PMC）、感觉运动皮层（sensorimotor cortex，SMC）和布罗卡区（Broca's area）的氧合血红蛋白（oxyhemoglobin，HbO）浓度变化。采用一般线性模型（general linear model，GLM）量化区域激活水平，并通过皮尔逊相关分析构建区域间FC矩阵。多重比较采用Benjamini-Hochberg错误发现率方法进行校正（P_FDR<0.05视为统计学显著）。结果：行为数据方面，两种版本在所有行为指标间均观察到中到高度的正相关（r=0.611–0.826，均P<0.05），证实计算机化SCWT具有良好的效标效度。在任务完成效率上，计算机版在一致和不一致任务条件下单位时间内完成的试次总数和正确反应数均显著低于纸笔版（均P<0.05）。在错误率方面，计算机版在一致条件下错误数显著更少（P<0.001），而在不一致条件下两种版本间无显著差异（P=0.178）。皮层激活方面，在一致条件下，纸笔版在左侧前额叶皮层（LPFC）的激活显著强于计算机版（P_FDR<0.05）；在不一致条件下，纸笔版在右侧布罗卡区（R-Broca）的激活显著更强（P_FDR<0.05）。计算机版在两种任务条件下左侧感觉运动皮层（LSMC）的激活均显著高于纸笔版（均P_FDR<0.05）。功能连接方面，在一致条件下，计算机版在RSMC-RPFC、RSMC-RPMC、RSMC-LSMC、RPFC-LPFC和RPFC-RPMC这些配对上的FC显著强于纸笔版（均P_FDR<0.05）；在不一致条件下，计算机版在RPFC-LPFC和RPFC-RSMC配对上的FC增强，而纸笔版在LPMC–L-Broca's area配对上的FC显著更强（均P_FDR<0.05）。结论：计算机版和纸笔版Stroop任务在行为上等效，但表现出可分离的神经机制：纸笔版更依赖前额叶和布罗卡区的语言通路，而计算机版增强了感觉运动-前额叶协调处理。Stroop任务的计算机化并未损害干扰控制的核心测量，而是重塑了神经资源分配策略，为临床评估工具的个性化选择提供了神经影像学证据。

**论文解读：计算机化与纸笔版Stroop色词测验对脑激活和功能连接影响的差异：一项基于fNIRS的研究**

**研究背景、存在问题与研究目的**

执行功能是高级认知过程的基石，涵盖抑制控制、认知灵活性和工作记忆三个基本维度。研究表明，执行功能的神经基础依赖于前额叶皮层与其他功能特化脑区之间的动态网络连接。在正常衰老过程中，执行功能下降是认知衰退的显著标志，并且与阿尔茨海默病、精神分裂症、帕金森病和血管性痴呆等多种神经退行性和神经精神疾病的发病及进展密切相关。对于60岁及以上的老年人，执行功能特定子域（尤其是抑制控制和注意转换）的损伤会影响日常生活能力、增加跌倒和意外伤害风险、降低复杂任务处理效率并减少社会参与。因此，早期识别、准确评估和及时干预至关重要。

Stroop色词测验（SCWT）是评估执行功能的金标准范式，通过一致和不一致任务条件来测量个体的抑制控制能力和冲突解决策略。随着数字评估工具的普及，电子版SCWT逐渐取代传统纸笔格式，响应模态从纸笔操作和口头输出转变为通过手指敲击进行交互。尽管电子认知评估基于传统纸笔版本的概念框架，但在响应模态、指示提示和刺激数字呈现等关键方面进行了创新和调整。然而，大多数相关研究仅聚焦于行为层面分析，对潜在神经机制差异的研究仍然匮乏。

功能近红外光谱（fNIRS）作为一种非侵入性、无电离辐射的光学成像技术，通过测量近红外光在头皮上的入射与反射光之间的组织光学特性差异，间接量化脑氧合血红蛋白浓度变化，具有便携、抗运动伪影、低成本且适合自然任务环境等优势，特别适用于老年人和运动障碍患者的研究。基于上述背景，本研究提出核心假设：不同响应模态（计算机化SCWT vs. 纸笔SCWT）可能通过不同的神经机制来介导认知评估。具体而言，纸笔版涉及手动书写和潜在的口头表达，可能更依赖语言相关脑区（如布罗卡区）和与精细运动控制相关的运动皮层；而计算机版以触屏响应为特征，可能更大程度地招募与手部灵巧性和视觉-运动整合相关的感觉运动区域。本研究旨在：第一，建立计算机版与纸笔版SCWT的行为等效性并量化两者任务表现的相关性；第二，比较两种管理格式下任务诱发的脑激活模式，特别关注额叶半球偏侧化；第三，比较两种版本在预定义感兴趣区内功能连接的差异，包括半球间和半球内连接。通过上述目标，本研究旨在填补数字与传统认知评估神经机制的知识空白，并为未来临床转化研究提供基础神经影像学证据。该论文发表在《IBRO Neuroscience Reports》。

**主要关键技术方法**

本研究从常州市德安医院康复医学科招募85名健康成人志愿者（男性35名，女性50名；年龄范围19–71岁，平均年龄44.90±16.39岁），所有参与者均通过简明精神状态检查（MMSE≥27）、蒙特利尔认知评估（MoCA≥26）和临床痴呆评定量表（CDR=0）筛查，并排除神经退行性疾病、精神疾病、色盲/色弱、严重视听障碍、失语症、双侧上肢痉挛等可能影响认知完整性或测试完成的状况。实验采用组块设计，包含纸笔版一致任务（P-CT）、纸笔版不一致任务（P-IT）、计算机版一致任务（C-CT）和计算机版不一致任务（C-IT）四种任务模式，每个组块由10秒准备期、30秒静息期和60秒任务期交替组成，重复两次。使用多通道fNIRS脑成像系统（NirSmart-2000A）以11Hz采样率采集730nm和850nm双波长血流动力学数据，42个有效测量通道覆盖双侧前额叶皮层（PFC）、前运动皮层（PMC）、感觉运动皮层（SMC）和布罗卡区共8个感兴趣区（ROI）。数据分析采用NirSpark V1.8.1软件，经光密度转换、运动伪影校正（样条插值）、全局信号回归（GSR）去除全局噪声、带通滤波（0.01–0.1Hz）后，通过修正比尔-朗伯定律计算HbO浓度变化。以一般线性模型（GLM）计算β值量化激活水平，以皮尔逊相关分析构建8×8功能连接矩阵，并经Fisher r-to-z变换标准化。多重比较采用Benjamini-Hochberg错误发现率（FDR）校正，P_FDR<0.05视为显著。

**研究结果**

**3.1 计算机化与纸笔版SCWT行为数据的比较**
在一致任务中，计算机版完成的试次总数、正确反应数和错误数均显著低于纸笔版（均P<0.05），其中错误数差异高度显著（P<0.001），表明计算机版在一致条件下实现了更高的响应准确性。在不一致任务中，计算机版的试次总数和正确反应数显著低于纸笔版（均P<0.05），而错误数在两种版本间无显著差异（P=0.178），提示在高认知冲突负荷下，两种响应模态在测量核心抑制控制方面等效。相关性分析显示，一致任务中两种版本的对应行为指标相关系数为0.637–0.826（均P<0.001），不一致任务中相关系数为0.611–0.729（均P<0.001），证实计算机版SCWT具有良好的效标效度。

**3.2 计算机化与纸笔版SCWT期间各ROI区域激活水平的比较**
在一致任务中，纸笔版在左侧前额叶皮层（LPFC）的激活显著强于计算机版（P_FDR<0.05），而计算机版在左侧感觉运动皮层（LSMC）的激活显著高于纸笔版（P_FDR<0.05）。其他ROI无显著差异。在不一致任务中，纸笔版在右侧布罗卡区（R-Broca）的激活显著强于计算机版（P_FDR<0.05），计算机版在LSMC的激活仍显著高于纸笔版（P_FDR<0.05）。这表明纸笔版在一致条件下表现出左侧额叶优势，在不一致条件下呈现右侧语言区激活增强；计算机版在两种任务条件下均持续显示左侧感觉运动皮层激活优势。

**3.3 计算机化与纸笔版SCWT期间各ROI间FC的比较**
在一致任务中，计算机版在RSMC-RPFC、RSMC-RPMC、RSMC-LSMC、RPFC-LPFC和RPFC-RPMC配对上的FC强度显著强于纸笔版（均P_FDR<0.05）。在不一致任务中，计算机版在RPFC-LPFC和RPFC-RSMC配对上的FC显著更强（均P_FDR<0.05），而纸笔版在LPMC–L-Broca's area配对上的FC显著强于计算机版（P_FDR<0.05）。这些功能连接结果揭示了每种评估模态特有的神经网络重组特征：计算机版建立了以右侧PFC为中心、整合双侧感觉运动和前运动皮层的高负荷感觉运动-认知协作网络，并在两种任务条件下均表现出增强的半球间前额叶连接；纸笔版在不一致条件下则表现出左侧布罗卡区与左侧前运动皮层之间突出的语言-运动协作连接优势。

**讨论与结论总结**

讨论部分指出，约40%的脑卒中患者存在执行功能损害，20%伴有语言功能障碍；帕金森病患者中认知障碍患病率为20%–50%至进展期高达80%。纸笔认知测试虽在基层医疗中广泛应用，但其结果易受言语能力、文化背景和教育程度混杂，且不利于标准化数据录入和跨中心比较。数字化智能评估系统在数据采集标准化、记录精确性、结果可追溯性和跨中心数据共享方面具有优势。本研究通过fNIRS技术系统比较了健康成人中纸笔版和计算机版Stroop任务的皮层激活模式和FC特征，旨在阐明不同评估模态介导认知加工的神经机制，为临床个性化评估工具选择提供依据。行为分析显示两种版本在所有指标间呈中高度正相关，证实计算机版具有良好的效标效度。然而，计算机版每单位时间完成的试次数显著低于纸笔版，反映了响应模态对认知处理效率的影响：计算机版以触屏指敲替代口头应答，将任务从语言主导的认知范式转变为视觉-运动整合范式，增加了视觉目标搜索、空间信息辨别和手眼协调的认知需求。在错误率方面，一致条件下计算机版错误更少，表明触屏手动响应模式增强了视觉空间注意控制；不一致条件下错误率无差异，表明高认知冲突负荷下任务表现主要由个体的内在抑制控制能力决定。在皮层神经激活层面，纸笔版在一致条件下LPFC激活更强，不一致条件下R-Broca激活更强，反映了任务类型依赖的皮层激活偏侧化模式。计算机版在两种条件下均显示LSMC持续激活，与精细手指运动的感觉运动整合需求一致。在功能连接层面，计算机版在一致条件下多个感觉运动-前额叶配对FC增强，不一致条件下增强RPFC-LPFC和RPFC-RSMC连接；纸笔版在不一致条件下LPMC-L-Broca连接增强，体现了口头响应模态的语言-运动协作网络优势。研究结论部分翻译如下：利用fNIRS，本研究系统证实了计算机版和纸笔版SCWT具有强的行为等效性。两种版本在关键行为指标间显示高相关性，且在不一致条件下任务准确率无显著差异，表明计算机化范式可在执行功能的行为评估中有效替代传统纸笔测试。然而，两种测试模态展现了根本不同的神经调控机制，反映了行为等效但神经分离的模式。纸笔版SCWT依赖于任务相关的语言相关半球偏侧化，任务调控主要通过LPFC、布罗卡区和语言-运动通路介导。相比之下，计算机版SCWT产生了LSMC的持续激活，同时建立了以右侧前额叶皮层为中心、整合双侧感觉运动和前运动皮层的协调网络，并伴随前额叶皮层内半球间功能连接的增强。任务模态变化引起的响应输出通道和感觉运动需求差异显著重塑了神经资源分配和功能连接架构，而未损害核心认知评估的行为有效性。本研究填补了不同SCWT模态神经等效性方面的文献空白，并建立了健康成人脑激活和功能连接的基线数据。基于两种范式观察到的差异神经反应特征，临床实践中可实现评估工具的个性化选择：计算机版SCWT可能更适合语言障碍患者（如失语症或构音障碍），以最小化语言缺陷对执行功能评估的干扰；而纸笔版SCWT可能更适合上肢运动功能障碍患者，以减少与精细运动操作相关的评估偏差。本研究建立的循证临床选择框架克服了以往仅依赖行为测量的局限性，为将认知评估范式从健康人群向神经系统疾病临床应用转化提供了重要的神经影像学证据和实践指导。