衰老过程中语言工作记忆的左背外侧前额叶皮层参与机制：一项cTBS–ERP研究

《Neuropsychologia》：Left DLPFC Involvement in Verbal Working Memory in Ageing: A cTBS–ERP Study

　　

摘要

衰老会导致认知功能下降，尤其是工作记忆能力，而工作记忆与背外侧前额叶皮层的功能密切相关。本研究通过连续Theta Burst刺激来引发短暂的功能干扰，结合行为测试和脑电图分析，探讨了健康老年人语言和视觉空间工作记忆表现中左背外侧前额叶皮层的潜在作用。共有20名参与者在基线状态、顶点刺激以及左背外侧前额叶皮层刺激条件下完成语言和视觉空间N-back任务，同时记录脑电图数据。行为分析显示，在顶点刺激后，语言工作记忆能力有所提升，而背外侧前额叶皮层刺激后的效果则不显著，这可能意味着学习相关的改善效应有所减弱。在视觉空间任务中，顶点刺激后的行为改善证据也不明确，而背外侧前额叶皮层刺激则带来了与学习效应相符的准确性提升。脑电反应幅值并未受到刺激的明显影响，但在两项任务中都出现了一些潜伏期变化。在语言任务中，背外侧前额叶皮层刺激会导致P200和P300潜伏期延长，而较短的P200潜伏期则与更高的准确性提升相关，这表明早期注意力处理与学习相关的行为变化之间存在潜在联系。在视觉空间任务中也能观察到与刺激相关的潜伏期变化，不过行为结果的一致性较差，初步分析仅表明在特定认知负荷下，N200和P300潜伏期的变化可能与行为改善存在关联。总体而言，这些研究结果为左背外侧前额叶皮层在老年人语言工作记忆处理中的持续作用提供了初步支持，尤其是在注意力与认知控制过程的时间协调方面。

章节节选

引言

衰老伴随着诸多挑战，包括神经退行性变以及多种认知功能的下降（Funahashi, 2017; Grady, 2012; Salthouse, 2011; Wyss-Coray, 2016; Ziaei et al., 2017）。其中受影响最严重的领域之一就是工作记忆，它指的是为了实现目标而暂时编码、存储和操作信息的能力（Baddeley, 1998, 2003）。背外侧前额叶皮层在工作记忆中起着关键作用，尤其

参与者

通过G*Power 3.1软件进行的预先功效分析表明，至少20名参与者才能有80%的概率检测出效应大小为f=0.30的被试内效应（α=0.05）。

研究通过公开广告从当地社区招募了29名健康老年人（16名女性，平均年龄71.61岁，标准差4.62岁，年龄范围64至80岁）。排除标准包括：左撇子；头部或颅骨内有金属植入物；体内有电子设备等

经颅磁刺激方案

经颅磁刺激是使用MagStim Rapid 2刺激器进行的（MagStim Company Limited；英国惠特兰）。刺激强度是根据每位参与者的运动阈值来确定的，该阈值是通过以≤0.5赫兹的频率向左侧初级运动皮层C3发送单次脉冲来测定的。运动阈值是指在至少10次试验中有5次能在右手拇短展肌中引发运动诱发电位所需的最低刺激强度

语言N-back——准确性

贝叶斯分析显示，与基线状态相比，经颅磁刺激作用于顶点位置时，准确性有所提升（B=0.41，标准误0.16，95%置信区间[0.10, 0.72]），这可能与学习效应有关。而经颅磁刺激作用于背外侧前额叶皮层时，置信区间包含0值（B=0.26，标准误0.15，95%置信区间[-0.04, 0.55]），说明其是否具有学习效应尚无定论（见图7A）。

语言N-back——反应时间

贝叶斯分析表明，与基线状态相比，两种刺激条件下的反应时间均有所缩短

不同刺激条件之间的差异

在所有情况下，置信区间都包含0值（语言N-back准确性：B=0.15，标准误0.17，95%置信区间[-0.18, 0.48]；语言N-back反应时间：B=0.02，标准误0.05，95%置信区间[-0.07, 0.12]；视觉空间N-back准确性：B=-0.14，标准误0.13，95%置信区间[-0.04, 0.11]；视觉空间N-back反应时间：B=-0.01，标准误0.04，95%置信区间[-0.01, 0.07]），这说明不同刺激条件之间并无明显差异。在各项任务或行为指标中均未发现交互作用效应。

表1总结了研究结果

脑电反应幅值

在语言和视觉空间N-back任务中，没有任何脑电反应成分显示出与刺激条件相关的显著主效应或交互效应，这说明不同刺激组之间的幅值没有明显差异。仅在视觉空间P200指标上存在微弱趋势（F(1,2033)=2.95，p=0.05，η2=0.003），但这一趋势在后续检验中并未得到证实。

幅值分布情况见图8和图9，完整的统计数据则位于补充材料的表S1和表S2中。

语言N-back

与基线状态以及经颅磁刺激作用于顶点位置的情况相比，经颅磁刺激作用于背外侧前额叶皮层时，无论在何种认知负荷下，目标任务中的P200潜伏期都会更长（所有p值均小于0.001，d值在0.57到2.64之间），而经颅磁刺激作用于顶点位置时，则会使P200潜伏期缩短（所有p值均小于0.001，d值在-2.13到-0.78之间）。

P300指标也呈现出类似规律，经颅磁刺激作用于背外侧前额叶皮层时，其潜伏期会更长，尤其是在3-back目标任务中，这一现象在与基线状态比较时尤为明显（t(2033)=4.32，p值小于0.001，d值=0.43）

讨论

我们假设，经颅磁刺激作用于背外侧前额叶皮层会削弱语言N-back任务中的学习相关改善效应，尤其是在2-back任务中，而顶点位置的刺激则不会影响这种改善效应。对于视觉空间N-back任务，我们认为无论认知负荷如何，两种刺激条件都应能带来性能提升。

贝叶斯分析在一定程度上支持了这些预测。在语言任务中，与基线状态相比，准确性确实有所提升，这可能与学习效应有关

局限性、优势及未来研究方向

本研究存在一些局限性。首先，尽管预先功效分析表明20名参与者就足以具备足够的统计功效来检测较小的被试内效应，但由于贝叶斯混合效应模型和脑电反应分析的复杂性，最终样本量仍然相对较小。其次，虽然进行了基线测试作为对比，但并未在不同的刺激条件下重复进行，这限制了我们对实验结果的深入分析能力

结论

本研究为左背外侧前额叶皮层在老年人语言工作记忆处理中的持续作用提供了初步证据。尽管经颅磁刺激并未导致明显的功能损害，但在顶点位置施加刺激后，语言工作记忆能力仍出现了与学习相关的提升，而背外侧前额叶皮层刺激后的效果则不显著，这可能意味着学习相关的改善效应有所减弱。脑电反应分析结果有助于解释这一现象，显示出潜伏期存在一定程度的变化

作者贡献声明

亚历克斯·巴拉尼：验证、监督、资源提供、项目管理。亚当·库雷希：验证、监督、资源提供、项目管理。埃斯特班·莱昂-科雷亚：原文撰写、可视化处理、软件应用、方法设计、实验实施、正式分析、数据整理、概念构建。斯特吉奥斯·马克里斯：文章润色、验证、监督、资源提供、项目管理、资金筹集、概念构建。多萝西·蔡：监督工作

伦理审批

本研究已获得埃奇希尔大学伦理研究委员会的批准（批准编号：ETH2122-0155）。

参与同意书

本研究的所有参与者都签署了知情同意书。

发表同意书

所有参与者都同意将其匿名化后的数据用于学术期刊发表及学术会议展示。

数据与材料获取途径

本研究使用的数据和材料已公开发布在开放科学框架平台上，地址如下：https://osf.io/pfyj2/?view_only=b1f7f3adc2d546cb870e174d944d61e2

代码获取途径

用于数据收集和分析的代码同样存储在开放科学框架平台上的相应仓库中，地址如下：https://osf.io/pfyj2/?view_only=b1f7f3adc2d546cb870e174d944d61e2

资金支持

本研究是由埃奇希尔大学为其对青年研究人员发展的内部支持计划所资助的，未获得任何外部资金支持。

利益冲突声明

所有作者均声明不存在任何利益冲突或竞争性利益关系。

埃斯特班·莱昂-科雷亚|亚历克斯·巴拉尼|亚当·库雷希|多萝西·蔡|斯特吉奥斯·马克里斯

英国奥姆斯柯克，埃奇希尔大学心理学系