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心理所研究发现无创性脑刺激能提升老年人认知及躯体健康水平
作者: 中国科学院心理健康重点实验室 李娟研究组 ║ 日期: 2021/03/16 

  记忆能力,尤其是记住最近发生事件具体细节的情节记忆能力会随着年龄增长快速下降。老化还会带来更大罹患心血管疾病的风险,而心血管疾病又是痴呆的重要危险因素之一。无创性脑刺激(non-invasive brain stimulation, NIBS)包括重复经颅磁刺激(rTMS)与经颅直流电刺激(tDCS),已被用于一些疾病的治疗,例如脑卒中、抑郁症、睡眠障碍等。但关于无创性脑刺激对正常老年人脑认知功能和心血管健康影响的研究还比较有限。 

  为此,中国科学院心理研究所李娟研究组的科研人员进行了一系列的研究,探究无创性脑刺激对老年人认知能力及心血管健康的影响及其作用机制。包括一项tDCS元分析研究、一项tDCS干预研究和一项rTMS干预研究。 

  鉴于当前tDCS是否能提升老年人情节记忆的研究结果并不一致,研究者首先开展一项元分析研究,旨在为tDCS对老年人情节记忆功能的影响功效提供定量评估。最终包含56660岁以上参与者的24篇文章符合纳入标准,结果发现与假刺激组相比,tDCS组在即刻刺激后(Hedges' g=0.625p=0.001)和长期随访(Hedges' g =0.404p =0.002)时均显示出显著的记忆改善,并且这个改善效果在认知正常和认知受损老年人之间没有差异。 

  在元分析表明tDCS能够改善老年人记忆衰退的基础上,研究进一步通过功能性核磁共振(fMRI)探索其背后的作用机制。49名健康的老年人接受了作用于左侧背外侧前额叶的10tDCS或假刺激。刺激前后,研究者对老年人进行一系列的神经心理测验,并请他们在核磁共振扫描过程中执行了一项来源记忆任务。结果发现,与假刺激相比,tDCS并没有提高健康老年人的执行功能成绩,但是在记忆提取阶段tDCS刺激区域(即前额叶皮层区域)的大脑激活水平在刺激后升高,并延伸到双侧前扣带皮层(如图1),同时老年人的记忆(项目记忆)成绩提升,更为重要的是,前额叶皮层的神经变化与记忆增益显著相关。这提示tDCS可以通过提升提取阶段神经激活水平来改善老年人的记忆。 

 

1 项目记忆提取期间tDCS相关活动改变示意图

 

  大脑区域在(a)双侧前扣带回(BA32)(b)左额中回(BA 10)(c)左额中回2 (BA 9/46)的激活中显示出显著的组间(tDCSvs假刺激组测试时间(前测vs后测)交互作用,柱状图为大脑激活beta  

  以往研究发现,老年人即使能够做到记忆成绩和年轻人相当,但是在神经活动层面往往还是可以观察到年龄差异,即老年人动用了补偿机制。比如事件相关电位研究发现,在记忆提取阶段存在典型的“新旧效应”(能够正确提取的旧项目比新项目诱发更大的正走向的波幅),老年人除了和青年人有共同的顶叶新旧效应,还通常存在仅在老年人出现的晚期后部翻转的新旧效应。 

  tDCS研究发现脑刺激能够通过提升提取阶段神经活动水平来改善老年人的记忆成绩,但是尚不能回答这种神经的可塑性是进一步增强了老年人特有的补偿机制,还是使得老年人和年轻人共同的神经活动得到了增强,换言之,脑刺激可以诱发老年人定量还是定性的神经可塑性变化? 

  为了回答这个问题,李娟研究组开展了一项rTMS干预研究。基于随机控制设计,对实验组健康老年人的右半球背外侧前额叶(rDLPFC)施加10 Hz的为期两周总共10次的rTMS干预,对照组的健康老年人则接受假刺激。干预前后,研究者让老年人进行来源记忆任务,同时记录EEG。结果发现,rTMS改善了健康老年人的来源记忆成绩。更为有趣的是,老年人特有的回想成分——晚期后部翻转的新旧效应并没有出现rTMS组与对照组的差异,但年轻人依赖的回想成分——左侧顶叶新旧效应在rTMS组表现出选择性提高(见图2-3),这说明rTMS使得老年人的记忆提取过程更加“年轻化”,也就提示脑刺激是可以诱发老年人定性的神经可塑性变化。 

 

2 rTMS组干预前、后来源记忆提取时ERPs 

500-700ms顶叶新旧效应;700-1500ms 翻转新旧效应) 

 

  

3 对照组干预前、后来源记忆提取时ERPs 

500-700ms顶叶新旧效应;700-1500ms 翻转新旧效应) 

 

  此外,在躯体健康水平,尤其是心血管相关的健康指标上发现,相比于对照组,rTMS干预组的老年人表现出血脂水平的显著降低,包括总胆固醇(CHO)和甘油三酯(TG);同时,rTMS还增加了促甲状腺激素和甲状腺素(T4)水平,这表明rTMS可以通过改变下丘脑-垂体-甲状腺(HPT)轴的活动来调节血脂代谢,减少健康老年人罹患心血管病的风险。 

  综上,李娟研究组的一系列研究表明,无创性脑刺激能够使得健康老年人大脑“年轻化”,可作为一种有效手段改善老年人记忆能力及血脂代谢,提升老年人大脑认知及躯体健康水平。该系列研究为无创性脑刺激技术在健康老年人中的应用提供了重要依据。 

  该系列研究受到国家重点研发项目(2020YFC20030002018YFC2000300,2018YFC2001701,2017YFB14012032016YFC1305900),国家自然科学基金(32071079318611330113167115731711530157),北京市科学技术委员会(Z171100008217006Z171100000117006)资助。

 

相关论文信息: 

  Huo, L., Zheng, Z., Huang, J., Li, R., Li, J., & Li, J*. (2020). Transcranial Direct Current Stimulation Enhances Episodic Memory in Healthy Older Adults by Modulating Retrieval-Specific Activation. Neural plasticity, 2020. 

  Cui, X., Ren, W., Zheng, Z., & Li, J.* (2020). rTMS Improved Source Memory and Modulated Recollection-based Retrieval in Healthy Older Adults. Frontiers in Psychology, 11, 1137.  

  Huo LJ, Zhu XY, Zheng ZW, Ma J, Ma Z, Gui W, Li, J.* (2019). Effects of transcranial direct current stimulation on episodic memory in the elderly: a meta-analysis. The Journals of Gerontology: Series B,  

  Huo, L., Zheng, Z., Li, J., Wan, W., Cui, X., Chen, S., ... & Li, J. (2018). Long-term transcranial direct current stimulation does not improve executive function in healthy older adults. Frontiers in aging neuroscience, 10, 298.  

  Ren, W., Ma, J., Li, J., Zhang, Z.*, & Wang, M.* (2017). Repetitive Transcranial Magnetic Stimulation (rTMS) Modulates Lipid Metabolism in Aging Adults. Frontiers in Aging Neuroscience, 9:334.  

    

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