认知年老化与执行衰退假说，本文主要内容关键词为：假说论文,认知论文,化与论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
成人随着年龄的增长，认知能力会发生一系列的变化。认知年老化研究的主要任务就是为了阐明这些变化的规律，以及这些变化规律更深层的原因。对于认知年老化的一般规律，研究者们已基本形成如下共识：对于晶态智力（如词汇、知识经验等）在成年后，仍会随龄增长，直到70岁以后才出现显著的衰退；而对于液态智力（如记忆、注意、推理能力等），则在成年早期达到最高峰后即开始缓慢地下降，进入老年阶段后衰退进程加快。
然而，对于液态智力的年老化却一直存在不同的观点。一方面，传统的观点认为，认知年老化的现象是普遍存在的，可以用一般性的因素（如加工速度的降低）解释大部分与年龄相关的变异[1]。另一方面，近年来，从认知神经科学的角度，一些研究者开始关注不同认知功能在年老化过程中的差异性，认为执行控制能力更容易随龄老化；并且，执行功能(executive function)的年老化是其它认知功能随龄减退的主要原因[2,3]。
1 执行功能与认知年老化
目前，执行功能是神经心理学、认知心理学以及认知神经科学研究的一个热点[4]。但对于执行功能的概念，至今还没有一个准确的定义。从字面上看，执行功能的概念可与企业中的执行管理人员作一简单类比，即他们不是任何特定部门的专家，但却负责对不同部门进行监督和管理。由于人们在各种认知任务中的行为表现，往往与控制其它认知操作的效能有很大的关系；因而，执行功能有可能是人们在认知功能上表现出的个体差异，特别是与年龄相关个体差异的重要因子。由此可见，执行功能应该是认知心理学以及认知年老化研究中一个关键性的概念。
然而，在传统的认知心理学中对执行功能的研究长期地被忽略了[5]。究其原因，主要是因为认知心理学家虽然对于执行功能已有一些概念化的陈述[6,7]，但缺乏相关的实证研究。在认知年老化研究领域，由于更多地注意到认知年老化的普遍性，研究者更倾向于用尽可能少的一般性因子（general factor，如加工速度）来解释这种普遍性；从而忽略了从认知结构的角度，探讨特异性因子(specific factor)，即某一认知结构（如执行功能）对认知年老化的特殊影响[8,9]。
大量神经心理学和脑成像的研究表明，额叶（特别是前额叶）是执行功能重要的物质基础。同时，神经解剖学、神经化学和新陈代谢的相关指标均显示，在正常的年老化过程中，前额叶和皮层下的单胺能核受年龄变化的影响最为明显。具体来说，前额叶在如下方面的变化比其它脑区更为明显：皮层萎缩和神经元的丧失、树突分枝减少和轴突髓鞘结构的破坏（白质退行性变化），以及一些神经递质浓度的降低和受体数量的减少（如多巴胺系统的退化）等[3]。正是在这些研究结果强有力的支持下，一些研究者提出认知年老化的额叶假说(frontal lobe hypothesis of cognitive aging)，认为许多与年龄相关的认知减退都与额叶功能的衰退有关[2,10]。由于额叶与执行功能的密切关系，因此认知年老化的额叶假说也称为执行衰退假说(executive decline hypothesis of cognitive aging)。
2 执行衰退假说及其面临的主要问题
认知年老化的执行衰退假说有两层含义：第一，相对于其他一般认知能力，执行（额叶）功能随龄的衰退更快；第二，执行（额叶）功能的随龄衰退是引起人们日常认知功能（记忆、推理、视觉空间能力）衰退的主要原因。执行衰退假说在理论上非常具有吸引力，但在实证研究中却存在很多的困难和问题。
2.1 执行功能的可分离性
在传统的认知心理学界，以往的研究把执行功能看作是单一的认知结构，如监控注意系统[6](supervisory attentional system)和中央执行[7](central executive)等。由于缺乏实证性的研究，在很长一段时间里，执行功能被心理学家们戏称为居于人脑中无所不能的“小矮人”(homunculus)，肩负着很多说不清的高级认知功能，因而在传统认知心理学中一直不受重视。伴随工作记忆理论进一步发展的需要，对执行功能进一步分离的愿望也日渐强烈。正是在这一背景下，Baddeley[11]认为，是到了该对执行系统进行分离的时候了，并提出了双任务协调、提取策略转换、注意选择、对长时记忆中信息的保持和操纵等4种不同的执行功能。
关于执行功能可分离性的证据主要来自于个体差异性的研究。首先，关于脑损伤病人的个案研究表明，不同的执行功能之间存在双分离的现象。如Shallice等[12]发现，一部分额叶损伤病人在评定抑制功能的一项测验上表现正常，但在另一项评定规则觉察的测验上却表现出功能损伤；然而，另一部分额叶损伤病人却正好与此相反。这一现象有力地支持执行系统不是单一系统的观点。关于执行功能可分离性的证据更多地来自于对群体的研究，包括正常青年或老年人群，以及脑损伤病人群体。所有这些研究都使用了一系列大家普遍认可的执行功能测验，并利用相关分析技术分析不同执行任务成绩之间的关系。结果一致发现，不同执行任务之间的相关很低，甚至往往没有达到显著的水平。由此，研究者们更为肯定地提出，执行系统不是一个单一的系统，需要对其进行进一步的分离。Miyake等[13]使用潜变量分析的方法，结果表明：3种执行功能（注意转换、记忆刷新和抑制优势反应）之间虽然存在一定程度的相关，但它们之间是相对独立的。
正是由于对执行加工过程具体化的分解，以往认为执行功能随年老而出现一般性衰退的观点已站不住脚；并且，不同执行功能对认知年老化的影响也需要进一步的研究。例如，老年人虽然在注意保持的效率上有所下降，但对错误的监控能力却基本没有变化。我们的一项研究也表明，与青年人相比，老年人在记忆刷新和随机生成，而不是空间视觉搜索能力上出现了显著的衰退[14]。
2.2 执行功能测量的信度和效度
长期以来，对执行功能的测量普遍存在信度（多次使用无效）和效度（含有非执行成份）较低的问题，这一问题在执行功能的年老化研究中同样存在。另外，对于测量效度的评价，除了内容效度（是否含有非执行成份），还有结构效度的问题。结构效度可分为汇聚性效度和鉴别性效度两方面。汇聚性效度是指，测量同一认知结构的不同任务之间表现出很高的一致性；鉴别性效度是指，测量不同认知结构的任务之间表现出很差的一致性。
近年来，一些研究者除了对各种执行任务进行更严谨的设计（如考虑Baseline）之外，还尝试采用潜变量提取和结构方程建模的方法，以便更好地解决上述问题。Miyake等[13]首次运用这种方法对三种执行功能的结构效度进行了分析。然而，Salthouse等[15]指出，Miyake等在鉴别性效度上做得还不够，需要证明这些新近提出的执行功能与以往已经存在的认知结构（加工速度、记忆、液态智力、言语能力）都不相同，才能够确认一种特异性的认知结构。Salthouse提出的这一标准近乎苛刻；并且，目前执行功能研究主要属于认知神经科学的取向，而Salthouse的标准似乎是心理测量学传统（因子分析方法）的延续，因而其实用价值还需进一步的商榷。
总的来说，将执行过程在认知层面上分解为一些具体的、可量化研究的认知结构，利用结构方程建模的方法实现对潜变量的分析，并渗透到认知年老化研究领域还只是近几年的事。在实际操作上，运用潜变量提取和结构方程建模的方法，对多项执行功能，及其与加工速度和多种认知结构的关系进行研究，需要成倍地增加测验的数量和被试量。因此，新方法的运用存在相当的难度[16]。
2.3 执行功能与加工速度的关系
加工速度理论是认知年老化研究领域内影响最大的理论之一。该理论认为，加工速度的降低能够解释大部分与年龄相关的认知减退[1]；并且，执行功能或其他认知结构对认知年老化的中介作用，也主要源于加工速度的变异。加工速度理论集中体现在如下两个方面：限时机制(limited time mechanism)和同时机制(simultaneity mechanism)。其中，同时机制认为，在完成一项复杂认知任务的过程中，相关认知操作的慢速加工，将使认知加工中需要的有用信息在质和量上均受到影响；也就是说，如果加工速度较慢，前面加工的结果可能会在后续加工需要时已经丢失或畸变。
已有的研究也一致表明，执行衰退假说虽然在理论上很具有吸引力，但即使解决了前两个问题，执行衰退假说往往在与加工速度理论的对比中仍相形见绌[17～20]。然而，Verhaeghen[21]研究发现，采用心理物理的速度任务后，降低了由加工速度中介的认知年老化效应。该结果提示，在采用了更纯的加工速度任务之后，执行功能和加工速度在认知年老化过程中的关系将有可能发生某些变化。目前，对执行功能的研究越来越受到普遍的重视，国外老年认知心理学家，包括加工速度理论的主要代表Salthouse[15,19,20]也开始重视执行功能在认知老化中作用的研究。
3 执行功能年老化的脑机制
3.1 脑成像的研究
认知年老化不仅体现在行为水平，同时也反映在大脑结构和功能的变化上。如前所述，额叶是大脑中受年老化影响最为敏感的脑区。至上世纪90年代以来，随着功能性脑成像技术的迅速发展，人们对老年人大脑功能上的变化有了更深刻的认识。目前，研究者主要关注，执行（额叶）功能随龄的变化情况，以及在认知年老化过程中，额叶在大脑功能重组中扮演的角色。相关的实证研究主要体现在工作记忆、长时记忆的编码和提取，以及一些复杂认知活动的研究中。
Smith和Jonides[22]认为，腹侧前额叶(VLPFC)主要负责工作记忆信息的储存，而背侧前额叶(DLPFC）则与工作记忆的执行成分关系更为密切。Rypma等[23]的研究发现，老年人在VLPFC上的激活与青年人相当，而在DLPFC上的激活较弱；另外，老年人在额极(BA10)却有更强的激活。Reuter-Lorenz等[24]发现，在青年人前额叶出现的单侧化现象（言语工作记忆左侧激活更大，空间工作记忆右侧激活更大），老年人的前额叶在整体上却是双侧激活。进一步的结果显示，老年人在与复述机制相关的脑区双侧激活，而在DLPFC甚至出现了与青年人相反的单侧化激活。Park等[25]发现，即使在行为水平上对青年和老年被试的成绩进行了匹配，老年人在海马激活降低的同时，额叶的激活增强。Park等认为，这种额叶激活的增强，是对海马激活减弱的代偿。
Tulving等[26]于1994年就报道了大脑两半球在记忆编码和提取过程中不对称的现象(hemisphericencoding/retrieval asymmetry,HERA)，即编码阶段主要是左侧前额叶激活，而提取阶段主要是右侧前额叶激活。后来的研究发现，老年人在提取阶段前额叶的激活更趋向于双侧化，甚至是左侧前额叶的激活[27,28]。对于这种双侧化现象，研究者通常用去分化(Dedifferentiation)或策略使用的不同来解释。
Esposito等[29]对完成复杂认知活动（威斯康星卡片和瑞文推理测验）过程中，与年龄相关的脑激活差异进行了研究，发现完成不同任务激活的脑区也不一样，老年人在各任务关键性的脑区激活显著下降；同时，抑制一些不该激活脑区的能力也明显衰退。
3.2 事件相关电位的研究
事件相关电位(event-related potentials,ERPs)技术具有时间分辨率高的特点，为研究与认知加工相关联的神经活动模式提供了一种卓有成效的方法；随着新的ERP溯源分析技术的出现，以及越来越多来自PET和fMRI等神经成像数据的支持，使得ERP技术的皮层定位能力也有了很大的提高。目前，相关的ERP研究还很少，目前工作的重点应该是：开发适合ERP研究的实验范式，并寻找与执行功能相关的ERP成分；在此基础上，研究与执行功能相关的ERP成分随龄变化的情况。
抑制优势反应与额叶负成分抑制的种类很多，与负启动或返回抑制等不同，这里讲的抑制强调对优势反应积极的、有意的抑制，是一种内源性的行为控制。抑制优势反应比较典型的实验范式有Stroop,Go/No-go,Stop-signal等。
关于Stroop的脑成像研究，较一致地发现前额叶和前扣带回参与了抑制过程。MarkelaLerenc等[30]利用ERP高时间精度的优势，以及偶极子定位的方法，对Stroop任务中的抑制过程进行了研究，发现与一致和中性条件相比，不一致条件在左侧前额叶出现了一个更大的负波(350～450ms)；另外，在右侧前扣带回出现了一个更大的正波(450～550ms)，两者有一定的重叠，后者似乎是由前者引起的。这一结果支持这样的观点，即当需要抑制过程时，先由前额叶给出一个信号，然后由前扣带回加以执行，从而实现对认知冲突的解决。
关于Go/No-go或Stop-signal的ERP研究，还会涉及到另外一个重要的ERP成分：运动皮层的偏侧化准备电位(lateralized readiness potential,LRP)。它的机理与Stroop范式中反映出的类似，即当需要抑制过程时（No-go或Stop条件），先是在额叶发现一个N200；随后，成功的抑制反应将伴随运动皮层LRP的波幅降低至某一阈限下。
记忆刷新与P300 Donchin[31]提出背景刷新假说(context updating hypothesis)，认为P300的潜伏期反映对刺激物的评价或分类所需要的时间，P300的波幅反映工作记忆内容的刷新，由此提供了一条利用ERP研究记忆刷新功能的新途径。记忆刷新比较典型的实验范式是动态记忆任务(running memory task)。
动态记忆任务类似于N-back范式，Kiss等[32]利用这一范式对记忆刷新过程进行了ERP的研究。结果发现在刷新条件下，广泛存在一个正走向(positive-going)的波形；并且，随着刷新次数的增加，刷新条件与控制条件差异波的波幅在不断地增大。Kusak等[33]认为，Kiss等发现的在CZ和PZ最大的这个晚正复合波(late positive complex,LPC)，不仅反映了刷新过程，也是记忆负荷的反映，因此并没有把刷新过程真正分离出来。他们通过对刷新条件中需要和不需要刷新项目的波形相减，发现了更有意义的结果，即一个在FZ和CZ最大的正波。由此，通过ERP研究也发现了额叶参与记忆刷新过程的证据。
执行功能年老化的ERP研究 关于执行功能年老化的ERP研究较少。以往的研究大都采用oddball实验范式，发现成人随着年龄的增长，P300的波幅降低、潜伏期延长，以及P300的头皮分布也会发生显著的变化。近年来，一些ERP研究开始采用新的实验范式，并有了一些新的进展。如Chao和Knight[34]在一项抑制干扰的研究中发现，与青年人相比，老年人的N1波幅增大，而P300和持续性额叶负成分(sustained frontal negativity,SFN)的波幅减小，并且P300的潜伏期延长。该结果提示，随着年龄的增长，前额叶的功能开始衰退，注意变得涣散而不易保持，前额叶对皮层初级感觉区信息的抑制筛选能力也逐渐减弱。
McEvoy等[35]运用一种空间工作记忆的范式，发现正常的年龄变化不但体现在P300波幅的降低和潜伏期的延长，还反映在额叶P200成分的增强上。由此，他们认为青年人能够更有效地利用顶叶进行空间工作记忆加工，而老年人则需要额叶皮层更多的参与。
4 研究评述与展望
执行功能无疑是人类认知结构中最高级，但又最复杂的组成部分。由于认知神经科学的迅猛发展，使我们更清楚地认识到执行功能与大脑额叶的密切关系；同时，认知功能的年老化也是大脑（特别是额叶）随龄衰退的结果。这种从功能与结构的关系出发的认知神经模型，显然比抽象的认知行为模型更有助于深刻地认识认知年老化的现象。因此有理由相信，在不远的将来，执行衰退理论也会得到更多行为学研究的关注和支持。然而近年来，认知年老化的执行衰退假说在行为学的实证研究中还存在诸多困难，今后的研究必须重点突破如前所述的三个主要问题：执行功能的可分离性，执行功能测量的信度和效度，以及执行功能与加工速度的关系。在脑机制方面，应加强ERP方面的研究。
首先，应进一步加强对执行功能可分离性的研究，使我们对这种认知结构有更深刻和更实质性的理解。单一结构观点带来的最大危害，是概念上的笼而统之和实证研究实施上的困难。只有在区分出一些具体的执行功能后，才能开发出相应的实验范式，进行深入的实证研究。另一方面，执行功能概念涉及诸如抑制（如抑制优势反应）、注意（如注意转换）和工作记忆（如记忆刷新）等概念，而这些概念在认知年老化理论中占有非常重要的地位。以往研究一般将这些功能视为相互独立的认知结构，而忽视了它们可能是一个整体（执行功能）的不同方面。因此，通过对执行功能年老化的研究，将有可能实现对几种认知年老化理论的整合。
其次，更加重视执行功能测量的信度和效度问题。潜变量分析和结构方程的应用只是在统计方法上，为解决执行功能测量的信度和效度问题提供了一定的帮助，既从几个任务的成绩中提取共同的变异形成潜变量，从而尽可能地排除任务特异性变异的干扰。因此，潜变量分析方法并不能代替对实验范式本身进一步改进的努力；如果所选的实验范式不能有效地测量出相应的执行功能，再好的统计方法也是无济于事的。例如，对Miyake等[13]研究结果的一个批评就是，所选的9项执行功能任务与潜变量之间的因子负荷普遍较低，只有10%～40%的共同变异被提取出来，而剩下的60%～90%的变异被视为无关的特异性变异，不能参与进一步的分析。
第三，正确认识执行功能与加工速度之间的相互关系。在认知年老化研究中，两者分别对应于执行衰退理论和加工速度理论。执行衰退理论强调特异性因素对认知年老化的影响，而加工速度理论强调一般性因素对认知年老化的影响，类似的分歧在心理学的发展历史上非常普遍。应该看到，年老化现象虽然无处不在，但对于不同的认知系统也存在选择性的变化；另一方面，虽然不同的认知系统在年老化过程中存在明显的差异，但也不能忽视广泛存在的、共同的基本机制[9]。今后的研究应注意两个理论的融合，而不是要相互否定。
在脑机制研究方面，大量脑成像的研究表明[36]，多种执行任务激活一些相似的前额叶脑区，表明功能与结构不是一种简单的对应关系，任何一种执行功能的实现，都是由几个脑区组成的神经网络共同活动的结果。这一研究结果提示，不同执行功能不能依靠空间激活模式的不同加以区分，但仍有可能根据时间激活模式的不同予以辨别。目前，相关的ERP研究很少，但ERP技术具有高时间分辨率的优势，可能为不同执行功能的脑机制提供强有力的证据。
总而言之，最终实现对认知年老化的理解，必然需要将认知功能与大脑的结构联系起来。既要看到广泛存在的共同的基本机制（普遍的减慢），又不能忽略不同认知结构的选择性变化（执行控制能力的特异性衰退）。