科研进展
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  • 大脑神经表征精确性的降低导致老年人情景记忆下降 

    2017年6月7日,北京师范大学心理学部认知神经科学与学习国家重点实验室薛贵课题组在国际著名神经科学类杂志《Cerebral Cortex》在线发表了题为“Reduced fidelity of neural representation underlies episodic memory decline in normal aging”的论文,探索了老化引起的大脑神经表征精确性的变化及其对情景记忆下降的影响。

    有效的记忆需要对学习材料的有效编码和多次重复,近几年来,采用多变量模式分析技术,越来越多的研究揭示了同一项目多次重复之间的神经激活模式一致性(也就是大脑皮层信息表征质量)是有效学习记忆的重要的神经基础,并据此提出了有效学习的“神经激活模式再现”假说。进一步的研究发现,大脑前额叶和顶叶的注意控制机制也可以对皮层表征产生自上而下的调控作用,从而影响记忆痕迹的重现。

    那这些研究能否解释老年人的记忆衰退问题呢?首先,随着老化到来,大脑感知觉皮层信息加工能力也会发生相应的变化,例如大量研究发现老年人的感知觉皮层对类别层面信息表征的质量下降。已有研究集中于考察老年人在类别水平的信息表征的差异,对于老年人的项目水平大脑感知觉皮层表征的质量是否会发生改变以及这种改变是否是老年人情景记忆能力下降的内在神经机制,还缺乏研究对此做出探讨。其次,大脑前额叶在认知老化人群中对记忆编码的影响尚不清楚。以往研究发现,和年轻人相比,在编码阶段老年人前额叶往往表现为过度激活,这可能反应了前额叶对后部感知觉皮层的功能降低的一种补偿,但是并没有研究结合皮层信息表征质量对老年人前额叶的补偿机制进行分析。

    为了回答上述问题,本研究采用fMRI直接比较了20个年轻被试(平均年龄:18.45岁)和20个老年被试(平均年龄:73.5岁)在加工三类不同视觉材料(人脸,物体和场景)时大脑项目内的神经表征质量及其与记忆成绩的关系。首先行为成绩显示,老年人的随后记忆成绩显著低于年轻人。表征相似性分析发现,老年人表征记忆的脑区主要是前额叶(左侧额极和左侧顶下小叶),而年轻人负责表征记忆的脑区则主要位于右侧前额叶和右腹侧视觉皮层。进一步的在这些负责随后记忆的脑区中对两组人的项目内的表征精确性进行对比,结果发现,在控制了两组被试各自大脑激活水平及神经血管偶联的影响下,同年轻人相比,老年人在负责表征记忆的视觉皮层(VVC)对视觉刺激的表征精确度显著下降(图一)。


    图一,A:随后记忆脑区(VVC和FPC)中,比较两组被试在记住项目上的神经表征精确性。B:随后记忆脑区(VVC和FPC)中,比较两组被试在所有项目上的神经表征精确性。* p < 0.05, ** p <0 .01。

    进一步的,该研究发现老年人的前额叶有很强的补偿机制。一方面老年人前额叶可以表征更多的信息(图一A),另一方面,和年轻人相比,老年人的前额叶通过更强的自上而下调节影响视觉皮层的信息表征精确性,并且视觉皮层的神经激活模式一致性可以显著的预测老年人的记忆成绩的个体差异(击中率),从而实现对记忆功能衰退的代偿(图二)。

    图二,A:两组被试都表现出随后记忆效应的前额叶区,B:在控制掉皮层激活水平的影响后,和年轻人相比,老年人的前额叶区和皮层的神经激活模式一致性表现出更加相关的脑区:LvLOC and RvLOC;C:RvLOC 的神经激活模式一致性和老年人被试的击中率呈显著正相关。

    本研究结果强调了成功记忆编码中信息表征的重要作用,进一步推动了神经激活模式一致性理论的发展。不仅为理解老年人记忆功能提供了新的机制性解释,同时也为诊断相关老化相关记忆损伤疾病提供新的生理标记及对未来老化相关的记忆下降问题的临床干预治疗提供了理论支持。

    这项研究主要由薛贵教授课题组的博士生郑丽完成,受到了国家自然科学基金,科技部973项目以及111计划的资助。

    参考文献:
    Zheng, L., Gao, Z., Xiao, X., Ye, Z., Chen, C., & Xue, G. (2017). Reduced Fidelity of Neural Representation Underlies Episodic Memory Decline in Normal Aging. Cerebral Cortex, 1-14.
    Xue, G., Dong, Q., Chen, C., Lu, Z., Mumford, J. A., & Poldrack, R. A. (2010). Greater neural pattern similarity across repetitions is associated with better memory. Science330(6000), 97-101.
    Xue, G., Dong, Q., Chen, C., Lu, Z. L., Mumford, J. A., & Poldrack, R. A. (2012). Complementary role of frontoparietal activity and cortical pattern similarity in successful episodic memory encoding. Cerebral Cortex23(7), 1562-1571.