个体在执行简单任务时，通常能够迅速且准确地记忆信息，表现出极高的正确率和反应速度。然而，面临复杂和困难任务时，行为表现下降，如正确率降低、反应速度变慢。那么，在处理不同难度工作记忆任务时，大脑是如何参与并调控这一过程？
2024年4月15日，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室，IDG/McGovern脑科学研究院牛海晶课题组在国际知名神经影像期刊《Neuroimage》发表研究成果 “Greater up-modulation of intra-individual brain signal variability makes a high-load cognitive task more arduous for older adults”。该研究通过记录健康老年人大脑功能血氧信号，从脑信号变化的崭新视角揭示了老年人在执行不同难度工作记忆任务下的潜在脑机制，该研究成果为了解大脑如何适应和处理不同复杂程度的信息提供了新的见解，对探索大脑信号变异性的本质具有重要意义。
大脑是一个不断变化的动态系统。大脑信号变异性(Brain signal variability)，即大脑动态调整神经活动的能力，是个体适应不断变化的内外需求并作出恰当行为反应的基础。以往研究通常将大脑信号的这种固有波动视作噪音。然而，最近研究表明，大脑信号变异性在阐述人类发育、衰老以及疾病进程中都扮演着重要角色。例如，我们早期研究发现大脑信号变异性能够有效揭示健康儿童青少年大脑网络发育规律以及半球网络发展差异(Jia et al., 2023)。此外，课题组研究也发现大脑信号变异性在儿童注意缺陷多动障碍(ADHD)患者以及阿尔茨海默病患者中表现异常降低(Hu et al., 2021，Li et al., 2029)。但是，对于个体受试者，不同难度工作记忆任务下大脑信号变异性如何变化仍不清楚。
为了探究上述问题，我们利用功能近红外光谱成像技术(fNIRS)收集了61名55~79岁健康老年人静息态和n-back工作记忆任务下的大脑活动数据，采用标准差量度大脑信号变异性，并采用多变量最小二乘法(PLS)分析了老年人在不同状态（静息和任务）和不同工作记忆难度（1-/2-/3-back）下大脑信号变异性的差异，同时从个体间和个体内的角度刻画了这种差异与n-back行为表现之间的关系。
研究发现：
1）任务态下的大脑信号变异性显著高于静息态，并且随工作记忆难度增加大脑信号变异性增大（图1）；
2）在一定难度的工作记忆任务下（例如2-back和3-back），脑信号变异性越大，该难度下的反应速度越快且越稳定（图2）；
3）从1-back到2-back，脑信号变异性增加的越多，预示着老年人完成较难任务时越吃力，表现为正确率下降的越多，反应速度变慢的更多（图3）。
这些结果综合表明，大脑信号变异性反映了大脑在应对外界不同复杂程度需求时的神经资源分配和处理效率情况，个体间和个体内的脑信号变异性可能反映了不同的神经理论构建，为探索大脑信号变异性的本质提供了新的见解。
论文第一作者为牛海晶课题组在读博士生李洪，牛海晶和宣武医院韩璎为本论文通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金(81571755, 81761148026, 82020108013, 82327809)、国家科技创新2030 -“脑科学与类脑研究”重大项目(2022ZD0211800)和中德合作基金(M-0759)的支持。
图1：认知状态（静息和n-back任务，图A）以及n-back任务中的认知负荷(图B)对fNIRS信号变异性的影响及其相关的空间模式。
图2：行为PLS模型揭示不同认知负荷下fNIRS信号变异性与n-back行为表现之间的关系（A），以及其相关的空间模式（B）。
图3：行为PLS模型揭示认知负荷调控下的fNIRS信号变异性与n-back行为表现之间的关系（A），以及其相关的空间模式（B）。
论文链接：Li, H., Han, Y., & Niu, H. (2024). Greater up-modulation of intra-individual brain signal variability makes a high-load cognitive task more arduous for older adults. NeuroImage, 290, 120577.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1053811924000727
课题组链接：
https://niuhjing.bnu.edu.cn/tzcy/
课题组前期相关论文：
1) Jia, G., Hubbard, C. S., Hu, Z., Xu, J., Dong, Q., Niu, H*., & Liu, H. (2023). Intrinsic brain activity is increasingly complex and develops asymmetrically during childhood and early adolescence. NeuroImage, 277, 120225.
2) Hu, Z., Liu, L., Wang, M., Jia, G., Li, H., Si, F., ... & Niu, H*. (2021). Disrupted signal variability of spontaneous neural activity in children with attention-deficit/hyperactivity disorder. Biomedical optics express, 12(5), 3037-3049.
3) Li, X., Zhu, Z., Zhao, W., Sun, Y., Wen, D., Xie, Y., Liu, X., Niu, H*., & Han, Y*. (2018). Decreased resting-state brain signal complexity in patients with mild cognitive impairment and Alzheimer’s disease: a multi-scale entropy analysis. Biomedical optics express, 9(4), 1916-1929.
