2023年3月，北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室牛海晶团队与合作者宣武医院韩璎团队在《IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics》杂志（中科院JCR一区top期刊，影响因子7.02）在线发表题为 “Repeated Photobiomodulation-Induced Reduction of Bilateral Cortical Hemodynamic Activation during a Working Memory Task in Healthy Older Adults” 的研究论文，揭示了光照刺激改善老年人工作记忆的神经生理机制和持续效果。该研究工作被期刊杂志主编选为精选文章（feature article）并将在期刊网站首页6月专刊进行特别报道。
人口老龄化已经成为当今社会面临的重大公共卫生问题之一。老年人普遍存在睡眠质量下降、情绪不稳定、认知能力下降等问题，这些问题给老年人及其家庭带来了沉重负担。近红外光刺激是一种新兴的、非侵入性的大脑神经功能调节技术，具有安全可靠、操作简单、经济实惠等优点，有望成为改善老年人认知功能下降的重要手段之一。
近期研究发现，近红外光照刺激改善认知的生理机制是近红外光透过颅骨进入大脑皮层组织时，会被线粒体的细胞色素c 氧化酶(Cytochrome c oxidase, CCO)吸收。CCO 在脑代谢中起关键作用，它与光子结合释放出一氧化氮，自身活性增强，从而促进了大脑氧化和代谢效率，合成更多的三磷酸腺苷，为神经传导提供更多的代谢能量。以往光照刺激研究主要聚焦在行为层面，揭示了光照刺激具有改善成年人记忆、注意以及执行功能的作用。我们前期光刺激行为研究也揭示了光照刺激具有改善老年人记忆能力的效果。然而，在行为研究之外，光刺激改善认知的脑神经机制目前尚缺乏深入探索。例如，工作记忆改善伴随的大脑功能活动如何变化？重复刺激相比单次刺激是否会导致大脑活动变化模式的改变？光刺激导致的脑功能改善能维持多久？深入研究这些问题有助于我们理解光照刺激改善认知的机理，对推动基于光照刺激的应用研究具有重要意义。
针对上述研究问题，北师大牛海晶课题组联合首都医科大学宣武医院韩璎教授课题组开展了光照刺激改善老年人工作记忆的神经机制研究。该研究通过随机、单盲、假刺激对照的被试内研究设计，对61名健康老年人左侧背外侧前额叶进行了持续一周光照刺激（1064nm波长， 250 mw/cm2功率，12 分钟/天），并采用功能近红外光谱成像（fNIRS）记录老年人在光照刺激第一天（Day1）、第七天（Day 7）、以及接下来三周随访（1次/周）期间执行N-back工作记忆任务时的大脑活动。
研究发现，光照刺激能够显著提升健康老年人工作记忆能力（图1），并且光照刺激后老年人在执行同样的工作记忆任务时其大脑功能区激活强度显著降低（图2和3）。由此可见，光刺激对大脑功能的改变随着刺激频率增加呈现动态变化。具体来说，第一天光照刺激后老年人执行较难工作记忆任务（即3-back任务）时右侧大脑半球的激活强度显著降低（图2）；随着光照进行，在一周光刺激后，老年人执行3-back记忆任务时大脑激活下降的区域变大，从仅有的右侧大脑半球激活下降扩展到双侧大脑半球激活降低（图3）。这种光照刺激后脑激活降低可能反应了老年人在执行工作记忆任务时付出相对少的努力就可以完成相对较难的任务。此外，随访研究进一步发现一些大脑区域脑激活下降现象持续了一周（如右侧缘上回和左侧角回）甚至两周 （如左侧体感联合皮层）。该研究为光刺激改善老年人工作记忆能力的行为发现提供了重要的神经生理证据。
北京师范大学已出站博士后胡志善和在读博士生屈秀娟为论文共同第一作者，北京师范大学牛海晶副教授和宣武医院韩璎教授为共同通讯作者；北师大已毕业硕士生黎乐轩、在读硕士生周小涵及其他成员也参与了此项工作。该研究工作得到了国家自然科学基金以及北京师范大学认知神经科学与学习国家重点实验室开放课题的资助。
图1 光照刺激对老年人N-back工作记忆任务表现的正确率评价。A）第1天和第7天光照刺激后任务性能与假刺激比较。B）随访阶段任务性能与假刺激比较。* p < 0.05；* * p < 0.01。
图2 第一天光照刺激诱发了大脑右侧半球血氧浓度显著降低。A）光照刺激相比假刺激诱发的血氧浓度显著变化的区域。颜色条表示t值，较深的颜色表示与假刺激相比，单次光照刺激后任务激活显著降低。B）单次光刺激（红色曲线）与假刺激（蓝色曲线）相比，激活明显降低的血氧浓度随时间的变化曲线（单侧，FDR校正，p < 0.05）。红色倒三角代表血氧浓度在单次光刺激后显著下降。
图3 A&C) 一周重复光刺激诱发了大脑左右半球双侧脑区血氧浓度显著降低。颜色条表示t值，较深的颜色表示与假刺激相比，一周重复光照刺激后任务激活显著降低。B&D）重复光刺激（黄色曲线）与假刺激（蓝色曲线）相比，激活明显降低的血氧浓度随时间的变化曲线（单侧，FDR校正，p < 0.05）。红色倒三角代表血氧浓度在单次光刺激后显著下降。
论文及链接：
Hu, Z., Qu, X., Li, L., Zhou, X., Yang, Q., Dong, Q., Liu, H., Li, X., Han, Y., & Niu, H. (2023). Repeated Photobiomodulation Induced Reduction of Bilateral Cortical Hemodynamic Activation during a Working Memory Task in Healthy Older Adults. IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics, 1–10. https://doi.org/10.1109/JBHI.2023.3259069
