撰文︱樊东琼
记忆能力帮助我们人类构建了认识自身过去、当下与未来的纽带。然而，增龄性的记忆下降被认为与轻度认知障碍等风险增加有密切关系，这给老年正常生活质量带来了很大困扰。在全球老龄化日益严重的当今背景下，找到有效缓解老年人记忆能力丢失的干预策略已成为全球热点话题。无创脑刺激技术已被正式可以有效缓解增龄性工作记忆下降。目前，无创脑刺激主要以背外侧前额叶为主要刺激靶点，背外侧前额叶同时参与到工作记忆加工中的内隐与外显信息处理过程。然而，无创脑刺激对工作记忆中的内隐与外显加工的干预脑机制尚不明确，这对理解神经刺激老年工作记忆康复效果及其潜在的认知神经机制，具有重要的理论与临床应用价值。
近日，西南大学心理学部、认知与人格教育部重点实验室赵海潮副教授与喻婧教授教授在Cerebral Cortex上发表了题为“Noninvasive brain stimulations modulated brain modular interactions to ameliorate working memory in community-dwelling older adults”的研究论文。研究者运用延迟匹配任务（Delayed Match-to-Sample Task）的工作记忆范式,结合高精度经颅直流电刺激HD-tDCS/电针刺EA技术与功能磁共振技术，考察了无创脑刺激干预社区认知正常老年人工作记忆能力的认知神经机制。研究运用传统单变量分析与任务态脑网络分析，揭示了无创脑刺激均可以有效调节工作记忆任务中再认目标靶刺激的外显记忆与忽视干扰刺激的内隐记忆，并发现无创脑刺激增强了两种记忆的共同神经基础（海马、背外侧前额叶与舌回等）；此外，研究揭示了三种较稳定的认知网络参与到工作记忆的动态加工，而无创脑刺激可以调节社区老年人三种网络模块内/间的动态交互及其模块内节点拓扑属性，从而改善其工作记忆等相关认知表现。以上研究发现对促进理解工作记忆在大尺度网络模块的动态加工，无创脑刺激干预工作记忆的认知神经机制具有重要意义。一．无创脑刺激调节工作记忆及相关脑活动
作者招募了60名认知正常老年个体，随机分到HD-tDCS/EA/CN组。HD-tDCS/EA组在两周内完成10次刺激干预，以及干预前后的延迟匹配任务的fMRI扫描和神经心理学测试（图1A）。脑刺激范式、刺激靶点以及延迟匹配任务范式如图1B-D。行为结果发现，HD-tDCS/EA有效改善了老年总体认知水平（MoCA分数）。（图源：Fan D, et al., Cereb Cortex, 2024）作者首先使用传统单变量分析方法对老年工作记忆的大脑活动反应进行了干预效果与组别的方差分析，干预作用效应定义为[HD-tDCS/EA(后测)]—[HD-tDCS/EA(前测)] vs. [CN(后测)-CN(前测)]。结果发现，HD-tDCS调节了右侧额中回（MFG）、海马和舌回(Hipp/Ling)在工作记忆外显信息加工过程中的大脑反应活动（图2A），以及背外侧前额叶皮质（dlPFC）和背内侧前额皮质(dmPFC)在内隐信息加工过程中的脑活动（图2B）。电针刺显示了相似的神经调节作用：右测舌回-丘脑在工作记忆的外显与内隐信息加工过程中的神经反应（图2C）。以上结果部分证实了工作记忆的外显和内隐信息加工可能涉及共同的神经基础（如前额叶皮层、海马和舌回），无创脑刺激可以调节这些关键区域来改善工作记忆等相关认知表现。图2 无创脑刺激对再认目标刺激与忽视干扰刺激的激活反应的干预。（图源：Fan D, et al., Cereb Cortex, 2024）二．HD-tDCS/EA对脑模块间相互作用的干预作用
研究者基于单变量分析中工作记忆相关脑活动反应（图3A），结合网络模块分析，识别提取了工作记忆的模块化结构，进一步调查无创脑刺激对工作记忆网络模块动态交互的调节作用。研究使用Louvain算法识别了13个网络模块参与到工作记忆的动态交互，并提取了最主要的三个稳定网络模块用于进一步分析（图3B）。结果发现，三个主要的稳定网络模块在不同组之间高度相似（图3C）；组内模块划分高度相似，组间模块划分差异显著（图3D），证实了模块提取的稳健性与可靠性。（图源：Fan D, et al., Cereb Cortex, 2024）结果显示，HD-tDCS调节了工作记忆过程中M2的模块内连接，而EA调节了M2/M3的模块内连接，以及M1-M3的模块间连接。此外，HD-tDCS对M1模块内的dlPFC和dmPFC、M2模块内的颞下回腹外侧以及M3模块内的颞上回内侧、梭状腹内侧回和顶上小叶节点度/介数中心性有显著的干预作用；电针刺对M1模块内dlPFC、M2模块内喙部中央下顶叶以及M3模块内的颞上内侧回、海马旁后回中节点度/介数中心性有显著的干预作用。以上结果证实了无创脑刺激可以有效调节涉及到工作记忆相关脑网络模块的动态交互，这可能是其干预效果的潜在来源之一。三．工作记忆的网络度量预测
最后，作者利用线性核函数LIBSVM的epsilon-SVR构建工作记忆相关模块连通性预测工作记忆等认知表现的支持向量机模型，并利用10折交叉验证框架评估模型训练特征的有效性。结果发现，工作记忆相关模块连通性与延迟匹配任务ACC、RT及DST分数存在显著强相关，显示出基于网络模块连通性的机器学习模型对老年工作记忆等认知表现的良好预测特异性（图4）。图4 工作记忆相关网络模块连通性预测行为与认知表现（图源：Fan D, et al., Cereb Cortex, 2024）该研究探讨了无创脑刺激对老年工作记忆的外显与内隐信息加工的认知干预作用。HD-tDCS和电针可改善老年工作记忆，增强工作记忆的外显与内隐信息加工相关的共同神经基础（即海马、dlPFC、dmPFC和舌回）的功能活性，调节脑网络的节点拓扑性质以及模块间和模块内连接；脑网络预测模型识别了与工作记忆的神经行为关联。该研究证实了无创脑刺激对工作记忆关键节点功能活性增强及相关网络的重新组织可能是老年人工作记忆及认知改善的关键。原文链接：https://doi.org/10.1093/cercor/bhae140西南大学心理学部硕士毕业生（现为北京航空航天大学博士研究生）樊东琼为该论文第一作者，西南大学心理学部赵海潮副教授与喻婧教授为论文共同通讯作者。杭州师范大学车先伟副教授，美国肯塔基大学医学院Jiang Yang教授，西南大学心理学部何清华教授对该研究做出了重要贡献。本研究得到了国家自然科学基金（32300859,31971007）、教育部人文社科基金（23YJC190039）、重庆市自然科学基金（2023NSCQ-MSX0899）与认知神经科学与学习国家重点实验开放课题（CNLYB2303）等多个项目资助。转载须知：“逻辑神经科学”特邀稿件，且作者授权发布；本内容著作权归作者和“逻辑神经科学”共同所有；欢迎个人转发分享，未经授权禁止转载，违者必究。
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参考文献 1. von Hertzen LS, Giese KP. Memory reconsolidation engages only a subset of immediate-early genes induced during consolidation. J Neurosci. 2005;25(8):1935-42.2. Bridi MS, Abel T. The NR4A orphan nuclear receptors mediate transcription-dependent hippocampal synaptic plasticity. Neurobiol Learn Mem. 2013;105:151-8.3. Kwapis JL, Alaghband Y, Lopez AJ, Long JM, Li X, Shu G, et al. HDAC3-Mediated Repression of the Nr4a Family Contributes to Age-Related Impairments in Long-Term Memory. J Neurosci. 2019;39(25):4999-5009.4. Minichiello L. TrkB signalling pathways in LTP and learning. Nat Rev Neurosci. 2009;10(12):850-60
编辑︱王思珍
本文完