平衡负荷、记忆与动作：认知储备对老年人双任务表现的影响

《Behavioural Brain Research》：Balancing Load, Memory, and Movement: Effects of Cognitive Reserve on Dual-Task Performance in Older Adults

　　里亚·普拉萨纳|塔莉亚·萨尔茨曼|莎拉·弗雷泽
渥太华大学健康科学学院跨学科健康科学系，加拿大安大略省渥太华市利斯大道200号，邮编K1S 5S9

摘要
认知储备被认为可以通过在认知负荷较高的情况下更高效或灵活地分配神经资源，从而缓解与年龄相关的认知衰退。然而，在复杂的双任务情境下，其神经和行为特征仍不明确。本研究通过不同认知负荷的工作记忆任务，探讨了认知储备在健康老年人执行认知-运动双任务时的前额叶皮层激活及运动表现中的作用。42名参与者完成了单一任务和双任务测试，双任务中需将手指敲击动作与双重数字序列任务或n-back任务相结合。功能性近红外光谱技术用于检测前额叶氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白的变化（ΔHbO2、ΔHbR），而行为指标包括敲击速度、准确性、稳定性以及认知任务准确率。研究通过教育程度、职业、双语能力及身体活动情况计算出多维综合认知储备评分，并以中位数将参与者分为高认知储备组和低认知储备组。在高认知负荷的n-back双任务中，前额叶的激活程度高于低负荷的双重数字序列任务。三重交互作用分析显示，低认知储备者在执行n-back双任务时，ΔHbO2和ΔHbR的值显著升高（p值分别为0.009和0.011），表明其神经效率较低。在运动表现方面，仅有低认知储备组在n-back双任务中的敲击速度明显减慢（p=0.016），这一结果与神经学发现一致；而各组的认知任务准确率则随认知负荷增加而下降。这些结果表明，认知储备能够在高认知-运动需求下调节神经和行为反应，提示那些需要持续更新工作记忆的任务可能更能反映出健康衰老过程中与认知储备相关的细微差异。

引言
随着年龄增长，大脑会经历结构和功能上的变化，这些变化可能损害认知功能，尤其是执行功能和处理速度方面[1][2]。尽管大脑存在显著的结构和功能变化，一些老年人仍能保持良好的认知表现。这种现象被称为认知储备[3]，它反映了大脑通过更高效或灵活的神经通路来补偿神经退行性变的能力，而这些神经通路可能得益于丰富的生命经历，如长期的教育、职业成就、双语能力以及参与身体和智力活动等[3][4]。目前有两种主要方法通过替代指标来量化认知储备：一种是像认知储备指数这样的标准化综合工具，该工具通过汇总个体在教育、工作和休闲方面的终身表现来得出评分[5]；另一种方法是霍尔策等人及卡莱拉等人所采用的，他们利用客观的测量指标（如教育年限、职业、认知活动等）来构建多个认知储备因素的综合评分[6][7]。认知储备通过神经储备和神经补偿机制发挥作用，即通过更高效的网络动员或采用替代神经回路来抵御与年龄相关的认知衰退[3][4][8]。诸如“衰老与认知的支架理论再探”（STAC-r）之类的补充模型进一步强调，老年人依靠补偿性的神经支架来应对与年龄相关的神经功能衰退。高认知储备者往往能够构建并维持更高效的神经支架，从而更好地应对日益增加的任务需求，而低认知储备者则可能更早达到补偿极限，因此在复杂的双任务条件下表现更为不佳[10]。

在神经层面，较高的认知储备评分与认知控制网络的韧性相关，尤其是外侧前额叶皮层，它负责支持注意力转换和工作记忆等执行功能[11]。执行功能对维持晚年生活独立性至关重要，因为它们在日常生活的各种功能性活动中起着关键作用，比如管理财务、按时服药、购物和交通出行等[12]。执行功能缺陷始终与老年人功能能力和日常决策能力的下降相关[12]。鉴于执行功能在维持独立生活中的核心作用，识别能够增强执行控制网络韧性的因素已成为衰老和神经心理学研究的重要目标。功能性神经成像研究，包括使用功能性近红外光谱技术的研究，已经探讨了认知储备如何影响这些网络的神经效率，结果表明，高认知储备的老年人在较高认知负荷下维持表现所需的前额叶激活程度低于低认知储备者[6][11]。不过，当任务认知难度不高时，执行控制网络的衰退可能并不明显[13][14][15]。例如，简单的反应时间任务（如听到蜂鸣声后按下按钮），或者仅需专注单一任务的情境（如行走、敲击或对认知刺激作出反应），可能无法对执行控制网络施加足够大的压力，从而无法显示出与认知储备相关的神经效率差异。因此，需要更复杂、认知要求更高的实验范式，才能有效揭示认知储备在复杂条件下的补偿作用。

双任务范式要求同时执行认知任务和运动任务，这类任务对注意力控制和资源分配的要求很高，因此特别能够反映认知储备能力的差异[16]。阿赫曼等人的一项研究探讨了双任务成本，发现轻度认知障碍和早期阿尔茨海默病患者 的双任务成本明显更高[17]。重要的是，认知储备能够在高负荷条件下通过更高效或适应性更强的神经动员来降低这些成本[3][6][18][19]。功能性近红外光谱等技术使得在类似双任务这样的真实情境中实时评估大脑皮层的氧合状况和连接性成为可能[20][21]。由于具备便携性、抗运动干扰能力以及适合自然环境使用的特点，功能性近红外光谱也非常适合用于研究认知老化现象[21]。多项研究表明，与单一任务相比，双任务会引发前额叶氧合血红蛋白的更大变化，尤其是在认知储备较低的老年人中[6][11]。这种脑氧合水平的变化表明，较低的认知储备意味着在较高负荷下需要调动更多的神经资源来维持任务表现。此外，功能性近红外光谱测量的双任务行走过程中的前额叶活动也受到认知储备的调节，高认知储备者在维持任务表现的同时，其前额叶激活程度更低，即更高效[6]。

除了双任务之外，认知储备与神经效率之间的关系可能只有在任务需求增加时才会显现。通过调整认知负荷，研究人员可以观察不同认知储备水平的个体如何适应日益增加的认知需求，进而揭示支持补偿和韧性的神经机制[14]。正如斯特恩等人所证明的，与单一水平任务相比，基于负荷变化的激活模式能更准确地反映认知储备相关的神经网络活动[22]。在他们的研究中，随着认知负荷的增加，高认知储备者表现出不同的激活模式——通过调整工作记忆的容量，给参与者呈现包含1个、3个或6个字母的序列（字母任务）或1个、2个或3个形状的序列（形状任务），较大的序列容量会带来更高的认知需求——这表明认知储备能够调节神经网络在复杂条件下的动员效率[22]。因此，增加认知负荷，而非仅比较单一任务与双任务条件，有助于更深入地理解认知储备如何支持适应性神经处理，并在任务复杂性增加时维持表现。

尽管许多探讨认知储备作用的功能性近红外光谱双任务研究都集中在步态或平衡相关任务上[6]，但像手指敲击这样的精确运动任务却鲜有研究，尽管这类任务能提供更好的运动控制和大脑皮层测量精度[23]。精细运动技能对日常生活活动非常重要[24]，同时也是认知衰退的标志之一[25]。利用功能性近红外光谱研究结合精细运动任务和复杂认知任务的双任务范式，有望为认知储备在衰老过程及临床前认知衰退中如何调节神经效率提供新的见解。此外，以往关于上肢双任务的研究大多旨在识别认知障碍，如轻度认知障碍和早期阿尔茨海默病，或研究双任务对上肢运动功能和本体感觉的影响[26][27][28]。然而，认知储备在多大程度上影响上肢双任务背后的神经机制仍不清楚。此外，很少有研究将上肢双任务范式与功能性近红外光谱技术结合，以研究前额叶皮层激活随负荷变化的规律[26][27][28]。因此，在精细运动双任务范式中研究认知储备、神经效率及认知负荷，或许能为探索支持成功认知老化的补偿机制提供新的视角。本研究旨在填补这些空白，通过探讨认知储备在包含两种不同认知负荷的精细运动敲击双任务中的作用，即高负荷的n-back工作记忆任务和低负荷的双重数字序列任务，来研究认知储备如何调节神经效率及行为表现。我们假设，与低认知储备者相比，高认知储备者的前额叶激活程度更低（神经效率更高），且具有更有效的补偿能力，同时表现下降幅度较小。另外，由于n-back任务需要持续操作工作记忆并对每个刺激立即作出反应[14]，我们认为它会给参与者带来的认知负荷会高于双重数字序列任务——后者虽然也需要在工作记忆中保留信息，但每轮结束后只需作出一次反应，无需持续响应[13]。我们预计，与双重数字序列任务相比，n-back任务会引发更大的前额叶激活变化，尤其是在认知储备较低的参与者中。

参与者
本研究从加拿大渥太华的社区中招募了42名60岁以上的老年人（平均年龄为70岁，女性占比57.1%）。通过G*Power软件进行的预先功效分析显示，要检测到显著的交互作用效应，至少需要34名参与者。最终纳入研究的42名参与者数量超过了这一要求，因此被认为足以进行计划中的分析。只有符合以下条件的参与者才被纳入研究：

前额叶皮层氧合状况
对比单一认知任务与双任务条件下的前额叶ΔHbO2数值，发现负荷和任务类型均存在显著的主效应。负荷效应显著，F(1, 38) = 4.79，p = 0.035，解释方差率为0.11，其中n-back任务的ΔHbO2均值高于双重数字序列任务，分别为0.045和0.007，标准误差分别为0.017和0.020。任务类型也具有显著效应，F(1, 38) = 7.55，p = 0.009，解释方差率为0.16，双任务条件下的ΔHbO2均值高于单一认知任务，分别为0.056和-0.005，标准误差分别为0.022和0.016。

单一运动任务与双任务对比

讨论
本项功能性近红外光谱研究探讨了认知储备能力如何在结合精细运动敲击任务与两种不同认知负荷的双任务条件下，影响神经效率及行为表现。

结论
本研究结果表明，在健康老年人的精细运动双任务中，高认知储备者与低认知储备者在神经激活程度及行为表现上存在差异。通过功能性近红外光谱分析，我们发现，在要求更高的n-back双任务中，低认知储备者的前额叶激活程度更高，运动表现也更差。这些发现支持了这样一种观点，即认知储备通过实现更灵活、更有效的认知资源分配，提升了大脑的韧性。

验证声明
本文的通讯作者莎拉·弗雷泽确认，里亚·普拉萨纳、塔莉亚·萨尔茨曼和莎拉·弗雷泽共同撰写的题为《平衡负荷、记忆与动作：认知储备对老年人双任务表现的影响》的论文尚未在其他期刊发表，也不存在被其他期刊正在审稿的情况。所有作者均已同意发表这篇论文。

资金来源
本研究未获得任何公共部门、商业机构或非营利组织提供的资助。

未引用参考文献
[58]、[59]、[60]、[61]、[62]、[63]、[64]、[65]、[66]

CRediT作者贡献说明
里亚·普拉萨纳：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，验证，方法学，研究设计，正式分析，概念构建。莎拉·弗雷泽：写作——审阅与编辑，验证，监督，软件使用，资源协调，项目管理，方法学，研究设计，正式分析，数据整理，概念构建。塔莉亚·萨尔茨曼：写作——审阅与编辑，验证，监督，软件使用，资源协调，项目管理，方法学，研究设计，正式分析。

致谢
特别感谢塔莉亚·萨尔茨曼、卡雅·卡皮兰以及实验室的其他学生研究人员，他们负责开展了本研究所分析的数据收集工作。同时，我们也感谢莎拉·弗雷泽博士在整个项目期间给予的指导、支持和悉心培养。非常感谢参与这项研究的各位，没有他们，这项研究就无法得以完成。