本文旨在研究不同 N-back 認知任務下正常腦老化的全腦事件相關電位 P300 的變化趨勢。通過對 15 個正常年輕人和 10 個正常老年人進行 N-back 認知任務下全腦的事件相關電位 P300 的測定，將所得結果進行分析。結果表明，在執行相同負荷的認知任務時，老年人的 P300 潛伏期較年輕人在全腦范圍內增長；峰值較年輕人在前額-中央區增加，其中在前額區增加的差異具有統計學意義；在認知任務負荷增加時，老年人峰值在全腦范圍內增大，以額-中央區為主，但老年人在兩種負荷認知任務下的峰值差異不具有統計學意義；而潛伏期在右腦額-中央區縮短，在兩種負荷認知任務下的潛伏期差異具有統計學意義。因此，全腦事件相關電位 P300 顯示正常腦老化主要影響著前額區，且相比于低負荷認知任務，執行高負荷認知任務時更能反映老化對腦功能特征的影響。通過本文以上研究結果，期望可對早期老年癡呆患者的檢出具有啟示意義。
引用本文： 劉聰, 徐曉東, 戴好運, 侯鳳貞. 基于 N-back 認知任務的正常腦老化事件相關電位分析. 生物醫學工程學雜志, 2017, 34(6): 824-830. doi: 10.7507/1001-5515.201704031 復制
版權信息： ?四川大學華西醫院華西期刊社《生物醫學工程學雜志》版權所有，未經授權不得轉載、改編
引言
阿爾茲海默癥（Alzheimer’s disease，AD）是一種以進行性認知障礙為特征的神經系統退行性疾病，易發于 65 歲以上的人群；并且隨著年齡的增長，發病率翻倍增長。2015 年全世界約有 3 600 萬 AD 患者，隨著世界人口進入老齡化時期，預計到 2050 年患者將超達 1.15 億[1]。研究表明，與年齡不相符的記憶力減退是 AD 早期最為常見的癥狀，因此，研究健康老年人在不同狀態下，尤其是執行記憶任務下腦功能的變化特征，有助于全面揭示正常老化的過程，可為 AD 的早期診斷提供有利線索[2]。
工作記憶（working memory，WM）是指進行復雜認知活動時，對信息進行暫時加工和存儲的記憶系統，其中 N-back 認知任務是測量 WM 的典型范式[3]。N-back（N = 0，1，2，
）范式最早由 Kiechner 于 1958 年提出，是腦神經科學研究中常用的范式，可用于設計連續加工的認知任務[3]。它要求受試者將剛剛出現過的刺激與前面第 N 個刺激相比較，通過控制當前刺激與目標刺激間隔的刺激個數 N 來改變認知負荷。大量研究表明，年齡相關的腦特征變化可以通過執行 N-back 認知任務很好地體現出來，并可以通過功能性神經成像技術揭示其潛在的機制，例如功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）[4-6]或腦電圖（electroencephalogram，EEG）分析[7-9]。而 EEG 信號是在頭皮上通過電極記錄下來的腦細胞群自發性、節律性電活動軌跡[10]，具有易采取和高時間分辨率的特點，因此成為了當前處理 WM 的熱門手段。目前大量研究使用事件相關電位（event-related potential，EPR）的方法來分析在 WM 中高齡對腦部的影響[7-9]。而 ERP 是通過目標刺激的 EEG 信號進行疊加得到的，能讓研究者在受試者執行某一行為時觀察到與此活動相關的神經活動的空間和時間特征[11]。P300 是潛伏期為 300～500 ms，電壓為正的 ERP 成分[12]，其作為 ERP 不受物理刺激影響的內源性成分，與受試者的精神狀態和注意力有關[13]。研究表明，P300 的潛伏期反映認知的加工速度以及執行功能，峰值反映參與輸入信息處理相關的中樞神經系統活動數[14]。雖然 ERP 研究已經較為成熟，但是目前 ERP 研究大多局限于某一部分腦區，例如中央腦區或前額腦區，不能夠全面地體現出整個腦部的變化；并且大多使用 ERP 非內源性成分，例如 P200 等。
綜上所述，本研究設計了兩種中國老年人較容易理解并難度足夠的 N-back 認知任務，并且測得在認知任務下健康老年人和健康年輕人的全腦 ERP 的內源性成分 P300；通過比較老年人和年輕人 P300 的峰值和潛伏期，來探討正常腦老化全腦 P300 的變化趨勢，最終期望本文研究結果對于早期 AD 患者的檢出具有啟示意義。
1 對象及方法
1.1 研究對象
本試驗共有 25 名志愿者參加，按年齡劃分成年輕人組和老年人組。年輕人組共 15 人（7 男、8 女），年齡為 19～29（23.13 ± 1.96）歲；老年人組共 10 人（5 男、5 女），年齡為 58～70（64 ± 3.30）歲。所有受試者均無腦部疾病史，無藥物、酒精濫用史，視力或矯正視力正常且為右利手；最近兩周內未服用神經類藥物，參加試驗前一晚睡眠正常。對每位受試者進行簡明精神狀態檢查量表（mini-mental state examination，MMSE）[15]測定以評估他們的認知水平。t 檢驗結果表明，本試驗的兩組受試者的 MMSE 值差異不具有統計學意義（P=0.83 > 0.05），因此可認為兩組受試者的認知水平是相當的。
在試驗前，所有受試者都填寫了試驗知情同意書；在試驗后，所有受試者都得到了一定的經濟補償。試驗協議由中國藥科大學制度倫理委員會批準，并且遵守赫爾辛基宣言。
1.2 N-back 認知任務的設計
本試驗要求受試者觀察并響應出現在計算機屏幕上的連續符號“*”或漢字（字體為標準宋體，字體大小為 58 號）刺激。漢字刺激是根據《漢字頻度統計表》和《現代漢語常用字表》選出的 4～8 劃的高頻漢字；并且為了避免漢字詞性引入的心理干擾，入選的漢字均為名詞。當目標刺激出現時，就用左手手指按下電腦控制按鈕（鍵盤 A 鍵）；如果非目標刺激出現，就用右手手指按下電腦控制按鈕（鍵盤 L 鍵）。為了避免其他按鍵的影響，鍵盤上的其他按鍵已事先拆除。
本試驗設計了兩種不同負荷的認知任務，在不同負荷的認知任務中，目標刺激的定義是不同的。一種是基于 0-back 范式設計的低負荷任務，漢字為目標刺激，“*”為非目標刺激；另一種是基于 2-back 范式設計的高負荷任務，若當前漢字與前面第二個出現的漢字相同則為目標刺激，不同則是非目標刺激。如圖 1 所示，任務設計定義了本試驗中低負荷任務和高負荷任務的目標刺激與非目標刺激。每一種任務由三組序列組成，每組包含 40 個符號“*”或漢字圖片，其中 13 個為目標刺激。如圖 1 所示，任務流程定義了一組序列的呈現過程；首先會出現 0.5 s 的一個“+”，以便受試者保持注意力，然后出現 0.5 s 的符號“*”或者漢字刺激，最后出現 4 s 的空屏；如此循環 40 次，構成一組序列。
圖1
N-back 任務的設計與流程
Figure1.
Design and process of N-back cognitive tasks
通過心理學試驗軟件 E-prime2.0（Psychology Software Tools Inc.，美國）編程實現每組序列的符號“*”或漢字圖片隨機出現，并且目標刺激的位置和漢字內容也是隨機出現的。第一個低負荷任務結束后，進行一個高負荷任務，然后將兩種負荷任務的兩組序列，打亂，隨機進行。記錄反應時間和正確率，但其表現不反饋給受試者；并且受試者被要求在每次任務前睜眼休息 5 min。
1.3 ERP 數據采集及處理
采用腦電視圖記錄軟件 Brain Vision Recorder（Brain Products Inc.，德國）記錄系統，按國際 10/20 記錄系統擴展放置 64 導電極，如圖 2 所示。TP9 和 TP10 為耳電極，鼻尖為放大器記錄時的參考電極（由于電極帽電極有限，將 O1 腦電極取出來充當參考電極），頭頂黑色電極接地，電極與皮膚間的阻抗小于 10 KΩ。EEG 信號經放大器放大，采樣頻率為 500 Hz，放大器帶通頻率范圍是 0.5～70 Hz。
圖2
64 導電極位置圖
Figure2.
The location of 64 electrodes
利用腦電視圖分析軟件 Brain Vision Analyzer2.0（Brain Products Inc.，德國）對采集的 EEG 信號數據進行預處理和 ERP 分析。首先進行轉換參考電極處理，將采集時的鼻尖參考電極轉換成耳后參考電極；其次對轉換后的 EEG 信號數據進行去眼電和除偽跡處理；最后將兩種負荷任務下每個受試者所有反應正確的目標刺激的 EEG 信號進行疊加分析及比較。ERP 分析總時長為 1 000 ms，其中刺激前 200 ms 作為基線，刺激后 800 ms 作為分析波。P300 是潛伏期為 300～500 ms，電壓為正的 ERP 成分。如圖 3 所示，峰值是信號在 300～500 ms 范圍內正電壓的最大值，潛伏期則是 0 時刻到峰值對應時刻的范圍值。其中 P300 的潛伏期反映認知的加工速度以及執行功能，峰值反映參與輸入信息處理相關的中樞神經系統活動數[14]。
圖3
P300 波形示例
Figure3.
The example of P300 waveform
1.4 統計學方法
本研究數據采用均值 ± 標準差表示，對年輕人或老年人的低負荷任務狀態和高負荷任務狀態的 P300 參數（潛伏期和峰值）和行為學參數（正確率和反應時間）做配對樣本學生 t 檢驗；對低負荷任務狀態或高負荷任務狀態的年輕人和老年人的 P300 參數（潛伏期和峰值）和行為學參數（正確率和反應時間）做獨立樣本學生 t 檢驗；P < 0.05 表示差異具有統計學意義。
2 結果
2.1 N-back 行為學統計結果
如表 1 所示，對比低負荷或高負荷任務下，老年人組和年輕人組之間的正確率和反應時間差異均具有統計學意義（P < 0.05），表現為正確率下降，反應時間增長。年輕人組在兩種不同負荷認知任務下，正確率差異無統計學意義，但是反應時間增長，差異具有統計學意義；老年人組的差異均具有統計學意義，表現為正確率下降，反應時間增長（ P < 0.05）。
表1
兩組人群在兩種不同負荷認知任務下的正確率和反應時間
Table1.
Accuracy and reaction time of two cognitive tasks with different loads in two groups
2.2 P300 的峰值與潛伏期統計結果
對兩組受試者在兩種不同負荷認知任務狀態下的 P300 潛伏期和幅值做出地形圖，如圖 4 所示。在相同負荷認知任務狀態下，老年人的 P300 潛伏期在全腦范圍內要長于年輕人，但對于峰值，老年人在額-中央區較年輕人大，頂-枕區較年輕人小；隨著認知任務的負荷增加，兩組受試者在全腦范圍內 P300 潛伏期縮短，峰值增加。
圖4
兩組人兩種不同負荷認知任務狀態下 P300 峰值和潛伏期的腦地形圖
Figure4.
Brain topographic maps of amplitude and latency of P300 in two groups on two cognitive tasks with different loads
對其相同負荷認知任務狀態下的兩組人的 P300 潛伏期和峰值做老年人與年輕人的差值地形圖，并進行獨立樣本學生 t 檢驗，P < 0.05，表示差異具有統計學意義，如 圖 5 所示。兩種負荷認知任務狀態下，老年人的潛伏期在全腦大范圍較年輕人長；低負荷認知任務狀態下，差異具有統計學意義的電極為 FP2、CP2、P2 和 P8，但前額區較年輕人小；高負荷認知任務狀態下，差異具有統計學意義的電極為 CP2、CP4、CP6、P4、P6 和 Pz，但前額右腦區較年輕人小。峰值則是老年人在前額-中央區較大，而頂-枕區較小；低負荷認知任務狀態下，差異具有統計學意義的電極為 PO7、Oz、POz、FP2、O2 和 PO4；高負荷認知任務狀態下，差異具有統計學意義的電極為 AF7、F7、PO7、Oz、POz、FP2、AF4、AF8、P4、P6、Pz、PO4 和 PO8。
圖5
相同負荷認知任務狀態下的兩組人 P300 峰值和潛伏期的差值腦地形圖
Figure5.
Differential brain topographic maps of amplitude and latency of P300 in two different groups on cognitive task with the same load
對其同一組人的兩種不同負荷認知任務狀態下的 P300 潛伏期和峰值做高負荷認知任務狀態與低負荷認知任務狀態的差值地形圖，并進行配對樣本學生 t 檢驗，P < 0.05，表示差異具有統計學意義，如 圖 6 所示。對于兩組受試者，高負荷認知任務狀態的潛伏期在全腦大部分區域較低負荷認知任務狀態縮短；老年人差異具有統計學意義的電極為 CP5、F4、F6、F8、FC4、FC6、C4、T8、CP2 和 CP4，主要分布在右腦額-中央-頂區域；年輕人差異具有統計學意義的電極為 F7、C5、FP2、FC2、C2、C4、CP4 和 Pz，分布比較散亂，主要分布在中央-頂區域。腦部絕大部分區域峰值都有所增大，但僅有年輕人的 CP3、P1 和 P7 三個電極差異具有統計學意義。
圖6
同一組人群的兩種負荷認知任務狀態 P300 峰值和潛伏期的差值腦地形圖
Figure6.
Differential brain topographic maps of amplitude and latency of P300 in the same group on two cognitive tasks with different loads
3 討論
本研究的行為學結果顯示，高負荷認知任務反應時比低負荷認知任務更長，正確率更低，表明在任務難度逐步增加的情況下其整體功能輸出效率逐漸下降，這與以往研究相符合[16]；老年人組的反應時比年輕人組更長，正確率更低，表明隨著年齡的增加WM功能逐漸衰退，與以往研究相符[16]。
本研究 P300 幅值與潛伏期的結果顯示，老年人組的 P300 峰值隨著任務負荷的增加而增加，但是差異并不具有統計學意義；年輕人組峰值變化與年老組相似，在左腦頂區差異具有統計學意義。表明無論是老年人還是年輕人當任務負荷增加時，參與信息處理的神經中樞活動數有所提高，這與以往研究中任務難度越大刺激越復雜時 P300 峰值越大相符[17]。老年人的潛伏期隨著任務負荷的增加，前額區和枕區出現增長，但差異并不具有統計學意義；而其他區域出現縮短，其中右腦差異具有統計學意義；年輕人潛伏期僅有枕區增長，但差異并不具有統計學意義；其他區域下降，在右腦中央-頂區及前額區差異具有統計學意義；表明無論是老年人還是年輕人當任務負荷增加時，腦中央-頂區域對刺激認知的加工處理過程會縮短；此結果與以往的研究不符[18]，并且與行為學結果相反，可能由于正常人在高負荷認知任務下注意力不自覺地高度集中，腦神經處于高速運轉狀態，神經中樞活動數目大量增加，造成對刺激的加工處理過程縮短。
在相同負荷認知任務狀態下，老年人的潛伏期全腦大范圍地比年輕人長，并且在右腦中央-頂區差異具有統計學意義，這與以往的研究相符合[19]，隨著年齡的增長，潛伏期隨之增長。在低負荷認知任務狀態下，老年人的峰值在前額-中央區較年輕人大，而頂-枕區較年輕人小；在負荷增加時，老年人的峰值與年輕人峰值比較和低負荷認知任務狀態相似，但前額區差異具有統計學意義的部分更多；表明前額區參與信息處理的神經中樞活動數老年人要多于年輕人，高負荷下老年人多的更多，因此前額區可能是體現腦老化的區域所在。最近的大量的神經影像學研究認為額葉是大腦受年齡增長影響最顯著的區域[20]，隨著年齡的增加整個額葉皮質體積顯著減小[21]、額葉代謝下降[22]等，這些研究與本研究結果相符。
4 結論
本研究利用常見漢字作為刺激設計了中國老年人較容易理解并難度足夠的 N-back 認知任務，基于此研究了不同負荷認知任務下健康老年人相對于健康人年輕人全腦 ERP 的 P300 成分變化情況。由本研究結果可知，由于正常老化的影響，在執行相同負荷的認知任務時，老年人的 P300 潛伏期較年輕人在全腦范圍內增加，峰值在前額-中央區增加，其中在前額區增加的差異具有統計學意義；在認知任務負荷增加時，老年人峰值在全腦范圍內增大，以額-中央區為主，但差異不具有統計學意義；潛伏期在右腦額-中央區縮短，并且差異具有統計學意義。綜上所述，我們認為正常老化主要影響著前額區，且相比于低負荷認知任務，執行高負荷認知任務時更能反映老化對腦功能特征的影響。我們推測，給受試者施加一定的認知負荷，將有助于早期 AD 患者的檢出。
引言
阿爾茲海默癥（Alzheimer’s disease，AD）是一種以進行性認知障礙為特征的神經系統退行性疾病，易發于 65 歲以上的人群；并且隨著年齡的增長，發病率翻倍增長。2015 年全世界約有 3 600 萬 AD 患者，隨著世界人口進入老齡化時期，預計到 2050 年患者將超達 1.15 億[1]。研究表明，與年齡不相符的記憶力減退是 AD 早期最為常見的癥狀，因此，研究健康老年人在不同狀態下，尤其是執行記憶任務下腦功能的變化特征，有助于全面揭示正常老化的過程，可為 AD 的早期診斷提供有利線索[2]。
工作記憶（working memory，WM）是指進行復雜認知活動時，對信息進行暫時加工和存儲的記憶系統，其中 N-back 認知任務是測量 WM 的典型范式[3]。N-back（N = 0，1，2，
）范式最早由 Kiechner 于 1958 年提出，是腦神經科學研究中常用的范式，可用于設計連續加工的認知任務[3]。它要求受試者將剛剛出現過的刺激與前面第 N 個刺激相比較，通過控制當前刺激與目標刺激間隔的刺激個數 N 來改變認知負荷。大量研究表明，年齡相關的腦特征變化可以通過執行 N-back 認知任務很好地體現出來，并可以通過功能性神經成像技術揭示其潛在的機制，例如功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）[4-6]或腦電圖（electroencephalogram，EEG）分析[7-9]。而 EEG 信號是在頭皮上通過電極記錄下來的腦細胞群自發性、節律性電活動軌跡[10]，具有易采取和高時間分辨率的特點，因此成為了當前處理 WM 的熱門手段。目前大量研究使用事件相關電位（event-related potential，EPR）的方法來分析在 WM 中高齡對腦部的影響[7-9]。而 ERP 是通過目標刺激的 EEG 信號進行疊加得到的，能讓研究者在受試者執行某一行為時觀察到與此活動相關的神經活動的空間和時間特征[11]。P300 是潛伏期為 300～500 ms，電壓為正的 ERP 成分[12]，其作為 ERP 不受物理刺激影響的內源性成分，與受試者的精神狀態和注意力有關[13]。研究表明，P300 的潛伏期反映認知的加工速度以及執行功能，峰值反映參與輸入信息處理相關的中樞神經系統活動數[14]。雖然 ERP 研究已經較為成熟，但是目前 ERP 研究大多局限于某一部分腦區，例如中央腦區或前額腦區，不能夠全面地體現出整個腦部的變化；并且大多使用 ERP 非內源性成分，例如 P200 等。
綜上所述，本研究設計了兩種中國老年人較容易理解并難度足夠的 N-back 認知任務，并且測得在認知任務下健康老年人和健康年輕人的全腦 ERP 的內源性成分 P300；通過比較老年人和年輕人 P300 的峰值和潛伏期，來探討正常腦老化全腦 P300 的變化趨勢，最終期望本文研究結果對于早期 AD 患者的檢出具有啟示意義。
1 對象及方法
1.1 研究對象
本試驗共有 25 名志愿者參加，按年齡劃分成年輕人組和老年人組。年輕人組共 15 人（7 男、8 女），年齡為 19～29（23.13 ± 1.96）歲；老年人組共 10 人（5 男、5 女），年齡為 58～70（64 ± 3.30）歲。所有受試者均無腦部疾病史，無藥物、酒精濫用史，視力或矯正視力正常且為右利手；最近兩周內未服用神經類藥物，參加試驗前一晚睡眠正常。對每位受試者進行簡明精神狀態檢查量表（mini-mental state examination，MMSE）[15]測定以評估他們的認知水平。t 檢驗結果表明，本試驗的兩組受試者的 MMSE 值差異不具有統計學意義（P=0.83 > 0.05），因此可認為兩組受試者的認知水平是相當的。
在試驗前，所有受試者都填寫了試驗知情同意書；在試驗后，所有受試者都得到了一定的經濟補償。試驗協議由中國藥科大學制度倫理委員會批準，并且遵守赫爾辛基宣言。
1.2 N-back 認知任務的設計
本試驗要求受試者觀察并響應出現在計算機屏幕上的連續符號“*”或漢字（字體為標準宋體，字體大小為 58 號）刺激。漢字刺激是根據《漢字頻度統計表》和《現代漢語常用字表》選出的 4～8 劃的高頻漢字；并且為了避免漢字詞性引入的心理干擾，入選的漢字均為名詞。當目標刺激出現時，就用左手手指按下電腦控制按鈕（鍵盤 A 鍵）；如果非目標刺激出現，就用右手手指按下電腦控制按鈕（鍵盤 L 鍵）。為了避免其他按鍵的影響，鍵盤上的其他按鍵已事先拆除。
本試驗設計了兩種不同負荷的認知任務，在不同負荷的認知任務中，目標刺激的定義是不同的。一種是基于 0-back 范式設計的低負荷任務，漢字為目標刺激，“*”為非目標刺激；另一種是基于 2-back 范式設計的高負荷任務，若當前漢字與前面第二個出現的漢字相同則為目標刺激，不同則是非目標刺激。如圖 1 所示，任務設計定義了本試驗中低負荷任務和高負荷任務的目標刺激與非目標刺激。每一種任務由三組序列組成，每組包含 40 個符號“*”或漢字圖片，其中 13 個為目標刺激。如圖 1 所示，任務流程定義了一組序列的呈現過程；首先會出現 0.5 s 的一個“+”，以便受試者保持注意力，然后出現 0.5 s 的符號“*”或者漢字刺激，最后出現 4 s 的空屏；如此循環 40 次，構成一組序列。
圖1
N-back 任務的設計與流程
Figure1.
Design and process of N-back cognitive tasks
通過心理學試驗軟件 E-prime2.0（Psychology Software Tools Inc.，美國）編程實現每組序列的符號“*”或漢字圖片隨機出現，并且目標刺激的位置和漢字內容也是隨機出現的。第一個低負荷任務結束后，進行一個高負荷任務，然后將兩種負荷任務的兩組序列，打亂，隨機進行。記錄反應時間和正確率，但其表現不反饋給受試者；并且受試者被要求在每次任務前睜眼休息 5 min。
1.3 ERP 數據采集及處理
采用腦電視圖記錄軟件 Brain Vision Recorder（Brain Products Inc.，德國）記錄系統，按國際 10/20 記錄系統擴展放置 64 導電極，如圖 2 所示。TP9 和 TP10 為耳電極，鼻尖為放大器記錄時的參考電極（由于電極帽電極有限，將 O1 腦電極取出來充當參考電極），頭頂黑色電極接地，電極與皮膚間的阻抗小于 10 KΩ。EEG 信號經放大器放大，采樣頻率為 500 Hz，放大器帶通頻率范圍是 0.5～70 Hz。
圖2
64 導電極位置圖
Figure2.
The location of 64 electrodes
利用腦電視圖分析軟件 Brain Vision Analyzer2.0（Brain Products Inc.，德國）對采集的 EEG 信號數據進行預處理和 ERP 分析。首先進行轉換參考電極處理，將采集時的鼻尖參考電極轉換成耳后參考電極；其次對轉換后的 EEG 信號數據進行去眼電和除偽跡處理；最后將兩種負荷任務下每個受試者所有反應正確的目標刺激的 EEG 信號進行疊加分析及比較。ERP 分析總時長為 1 000 ms，其中刺激前 200 ms 作為基線，刺激后 800 ms 作為分析波。P300 是潛伏期為 300～500 ms，電壓為正的 ERP 成分。如圖 3 所示，峰值是信號在 300～500 ms 范圍內正電壓的最大值，潛伏期則是 0 時刻到峰值對應時刻的范圍值。其中 P300 的潛伏期反映認知的加工速度以及執行功能，峰值反映參與輸入信息處理相關的中樞神經系統活動數[14]。
圖3
P300 波形示例
Figure3.
The example of P300 waveform
1.4 統計學方法
本研究數據采用均值 ± 標準差表示，對年輕人或老年人的低負荷任務狀態和高負荷任務狀態的 P300 參數（潛伏期和峰值）和行為學參數（正確率和反應時間）做配對樣本學生 t 檢驗；對低負荷任務狀態或高負荷任務狀態的年輕人和老年人的 P300 參數（潛伏期和峰值）和行為學參數（正確率和反應時間）做獨立樣本學生 t 檢驗；P < 0.05 表示差異具有統計學意義。
2 結果
2.1 N-back 行為學統計結果
如表 1 所示，對比低負荷或高負荷任務下，老年人組和年輕人組之間的正確率和反應時間差異均具有統計學意義（P < 0.05），表現為正確率下降，反應時間增長。年輕人組在兩種不同負荷認知任務下，正確率差異無統計學意義，但是反應時間增長，差異具有統計學意義；老年人組的差異均具有統計學意義，表現為正確率下降，反應時間增長（ P < 0.05）。
表1
兩組人群在兩種不同負荷認知任務下的正確率和反應時間
Table1.
Accuracy and reaction time of two cognitive tasks with different loads in two groups
2.2 P300 的峰值與潛伏期統計結果
對兩組受試者在兩種不同負荷認知任務狀態下的 P300 潛伏期和幅值做出地形圖，如圖 4 所示。在相同負荷認知任務狀態下，老年人的 P300 潛伏期在全腦范圍內要長于年輕人，但對于峰值，老年人在額-中央區較年輕人大，頂-枕區較年輕人小；隨著認知任務的負荷增加，兩組受試者在全腦范圍內 P300 潛伏期縮短，峰值增加。
圖4
兩組人兩種不同負荷認知任務狀態下 P300 峰值和潛伏期的腦地形圖
Figure4.
Brain topographic maps of amplitude and latency of P300 in two groups on two cognitive tasks with different loads
對其相同負荷認知任務狀態下的兩組人的 P300 潛伏期和峰值做老年人與年輕人的差值地形圖，并進行獨立樣本學生 t 檢驗，P < 0.05，表示差異具有統計學意義，如 圖 5 所示。兩種負荷認知任務狀態下，老年人的潛伏期在全腦大范圍較年輕人長；低負荷認知任務狀態下，差異具有統計學意義的電極為 FP2、CP2、P2 和 P8，但前額區較年輕人小；高負荷認知任務狀態下，差異具有統計學意義的電極為 CP2、CP4、CP6、P4、P6 和 Pz，但前額右腦區較年輕人小。峰值則是老年人在前額-中央區較大，而頂-枕區較小；低負荷認知任務狀態下，差異具有統計學意義的電極為 PO7、Oz、POz、FP2、O2 和 PO4；高負荷認知任務狀態下，差異具有統計學意義的電極為 AF7、F7、PO7、Oz、POz、FP2、AF4、AF8、P4、P6、Pz、PO4 和 PO8。
圖5
相同負荷認知任務狀態下的兩組人 P300 峰值和潛伏期的差值腦地形圖
Figure5.
Differential brain topographic maps of amplitude and latency of P300 in two different groups on cognitive task with the same load
對其同一組人的兩種不同負荷認知任務狀態下的 P300 潛伏期和峰值做高負荷認知任務狀態與低負荷認知任務狀態的差值地形圖，并進行配對樣本學生 t 檢驗，P < 0.05，表示差異具有統計學意義，如 圖 6 所示。對于兩組受試者，高負荷認知任務狀態的潛伏期在全腦大部分區域較低負荷認知任務狀態縮短；老年人差異具有統計學意義的電極為 CP5、F4、F6、F8、FC4、FC6、C4、T8、CP2 和 CP4，主要分布在右腦額-中央-頂區域；年輕人差異具有統計學意義的電極為 F7、C5、FP2、FC2、C2、C4、CP4 和 Pz，分布比較散亂，主要分布在中央-頂區域。腦部絕大部分區域峰值都有所增大，但僅有年輕人的 CP3、P1 和 P7 三個電極差異具有統計學意義。
圖6
同一組人群的兩種負荷認知任務狀態 P300 峰值和潛伏期的差值腦地形圖
Figure6.
Differential brain topographic maps of amplitude and latency of P300 in the same group on two cognitive tasks with different loads
3 討論
本研究的行為學結果顯示，高負荷認知任務反應時比低負荷認知任務更長，正確率更低，表明在任務難度逐步增加的情況下其整體功能輸出效率逐漸下降，這與以往研究相符合[16]；老年人組的反應時比年輕人組更長，正確率更低，表明隨著年齡的增加WM功能逐漸衰退，與以往研究相符[16]。
本研究 P300 幅值與潛伏期的結果顯示，老年人組的 P300 峰值隨著任務負荷的增加而增加，但是差異并不具有統計學意義；年輕人組峰值變化與年老組相似，在左腦頂區差異具有統計學意義。表明無論是老年人還是年輕人當任務負荷增加時，參與信息處理的神經中樞活動數有所提高，這與以往研究中任務難度越大刺激越復雜時 P300 峰值越大相符[17]。老年人的潛伏期隨著任務負荷的增加，前額區和枕區出現增長，但差異并不具有統計學意義；而其他區域出現縮短，其中右腦差異具有統計學意義；年輕人潛伏期僅有枕區增長，但差異并不具有統計學意義；其他區域下降，在右腦中央-頂區及前額區差異具有統計學意義；表明無論是老年人還是年輕人當任務負荷增加時，腦中央-頂區域對刺激認知的加工處理過程會縮短；此結果與以往的研究不符[18]，并且與行為學結果相反，可能由于正常人在高負荷認知任務下注意力不自覺地高度集中，腦神經處于高速運轉狀態，神經中樞活動數目大量增加，造成對刺激的加工處理過程縮短。
在相同負荷認知任務狀態下，老年人的潛伏期全腦大范圍地比年輕人長，并且在右腦中央-頂區差異具有統計學意義，這與以往的研究相符合[19]，隨著年齡的增長，潛伏期隨之增長。在低負荷認知任務狀態下，老年人的峰值在前額-中央區較年輕人大，而頂-枕區較年輕人小；在負荷增加時，老年人的峰值與年輕人峰值比較和低負荷認知任務狀態相似，但前額區差異具有統計學意義的部分更多；表明前額區參與信息處理的神經中樞活動數老年人要多于年輕人，高負荷下老年人多的更多，因此前額區可能是體現腦老化的區域所在。最近的大量的神經影像學研究認為額葉是大腦受年齡增長影響最顯著的區域[20]，隨著年齡的增加整個額葉皮質體積顯著減小[21]、額葉代謝下降[22]等，這些研究與本研究結果相符。
4 結論
本研究利用常見漢字作為刺激設計了中國老年人較容易理解并難度足夠的 N-back 認知任務，基于此研究了不同負荷認知任務下健康老年人相對于健康人年輕人全腦 ERP 的 P300 成分變化情況。由本研究結果可知，由于正常老化的影響，在執行相同負荷的認知任務時，老年人的 P300 潛伏期較年輕人在全腦范圍內增加，峰值在前額-中央區增加，其中在前額區增加的差異具有統計學意義；在認知任務負荷增加時，老年人峰值在全腦范圍內增大，以額-中央區為主，但差異不具有統計學意義；潛伏期在右腦額-中央區縮短，并且差異具有統計學意義。綜上所述，我們認為正常老化主要影響著前額區，且相比于低負荷認知任務，執行高負荷認知任務時更能反映老化對腦功能特征的影響。我們推測，給受試者施加一定的認知負荷，將有助于早期 AD 患者的檢出。
