成果简介：

近日，老年医学领域著名学术期刊Journals of Gerontology Series B: Psychological Sciences and Social Sciences(大类1区top)在线发表了陈安涛教授课题组题为Functional Connectivity Alterations of Cognitive Flexibility in Aging: Different Patterns of Global and Local Switch Costs的研究论文。该研究运用功能性磁共振成像技术揭示了认知灵活性老化的任务态连接机制，首次为两种认知灵活性指标行为层面各异的衰老模式提供了神经证据。

研究内容：

认知灵活性的下降是衰老的一个显著特征。认知灵活性指个体在多个任务之间灵活转换的能力，经典指标是任务转换代价。任务转换代价通常可分为两个水平，即整体转换代价(global switch cost,双任务vs.单任务)和局部转换代价(local switch cost,转换vs.重复)。整体转换代价代表组块水平的转换代价，反映了维持两个任务集的规则-反映匹配的过程，同时还包含动态区分两个任务集的过程。局部转换代价则反映了试次水平的转化代价，即抑制前一试次任务集和激活当前试次任务集的认知控制过程。

两种转换代价在以往的研究中表现出不同的年龄相关变化模式。具体来说，整体转换代价表现出显著的年龄相关增加，但局部转换代价无显著差异。然而，认知灵活性老化背后的神经机制尚不清楚。已有研究提出老年人额顶脑区神经招募效率低下与整体转换代价增加有关，但缺乏额顶脑区间协同机制的证据。此外，关于老年人局部转换代价的维持，尚未有研究识别出背后的神经机制。基于此，本研究首次运用多变量机器学习方法，考察两个代价相关的连接模式与年龄相关的改变，以期推进对认知灵活性老化神经机制的理解。主要结果介绍如下。

与已有研究一致，本研究行为结果显示，与年龄相关的差异在整体转换代价上显著，但在局部转换代价上不显著。可以认为老年人认知灵活性下降主要表现在同时表征和区分多个任务规则能力的下降上。脑区连接水平，采用经典的支持向量机(support vector machine)的方法，基于认知灵活性相关脑区的多变量连接模式分别建立分类和预测模型。除了连接模式多变量水平的信息，建立支持向量模型的过程中还可获得共识特征(consensusfeatures)，即每次留一交叉验证迭代中总是被选择纳入最终特征集的连接特征。共识特征是所用特征中携带与年龄相关变化信息的连接特征。

图1.分类支持向量模型的共识特征。连接矩阵中灰色部分代表建立分类模型过程中获得的共识特征。A. 54条整体水平共识特征。其中，老年人左背侧前运动皮层-左楔前叶连接明显弱于年轻人。在老年人中，左侧额下联合-左侧顶内沟连接与整体转换代价呈负相关。B. 28条局部水平共识特征。老年人和年轻人之间没有差异显著的特定连接，也没有与局部转换代价显著相关的连接。

如图1所示，在功能连接水平上，两类转换代价表现出不同的与年龄相关的连接改变模式。在局部水平仅观察到多变量连接模式水平的系统性变化，但无法识别出特定的老化相关连接；这可能是局部转换代价在行为水平不存在显著年龄组间差异对应的神经表征。

然而，在整体水平则能识别出特定的老化相关连接特征，并且与老年人行为水平整体转换代价显著增加有关。具体而言，老年人在执行整体转换时，任务调节的左背侧前运动皮层(dorsal premotor cortex, dPMC)-左楔前叶(precuneus)连接下降，左侧额下联合(inferior frontal junction,额下联合)-左侧顶内沟(inferior parietal sulcus,顶内沟)连接下降与整体转换表现下降相关。

图2.预测模型中共识特征与行为表现之间的关系。A.老年组散点图：左额下联合-左顶内沟连接与整体转换代价显著负相关。B.调节效应分析。左额下联合-左顶内沟连接与整体转换代价的关系在年轻组和老年组之间存在显著差异。

值得注意的是，左侧额下联合-左侧顶内沟连接同时被定义为分类和预测模型中的共识特征(图2)。调节效应分析结果显示，左额下联合-左顶内沟连接与老年人的整体转换代价显著负相关，但在年轻组中则不相关。基于此，本研究结果说明，老年人的左侧额下联合和左侧顶内沟间连接不仅较年轻人更弱，而且对于其完成双任务的行为表现有显著影响。左侧额下联合和左侧顶内沟通常与任务准备相关。有研究证明，左侧额下联合与任务目标更新有关，而左侧顶内沟可能与特定反应集的更新有关。因此，老年人左侧额下联合-顶内沟连接下降可能表明基于规则的反应选择失败，并导致整体水平表现较差。此外，与任务准备相关(左额下联合-左顶内沟)和自上而下的注意控制相关(左背侧前运动皮层-左楔前叶)连接的年龄变化可能导致老年人的主动控制能力受损。主动控制与整体转换代价相关，因为它涉及两个任务集的主动维持和提取。因此，与年龄相关的主动控制策略的下降可能解释了老年人整体任务转换表现的下降。

总结：本研究表明，在行为和神经水平上，与年龄相关的整体转换代价差异比局部转换代价更突显。本研究首次为整体和局部转换代价各异的年龄相关变化模式提供了神经证据：一方面，老年人局部水平的连接模式仅发生系统性多变量连接模式的改变，这可能是局部转换代价在行为水平未表现出显著差异背后的神经表征。另一方面，任务期间额顶叶区域协同作用的改变是认知灵活性老化在整体水平的重要神经影像学指标(即左侧背侧前运动皮层-左侧楔前叶连接和左侧额下联合-左侧顶内沟连接)，可能与老年人自上而下的主动控制调用失败有关。最后，本研究结果表明多元方法在检测大量特征时能获取连接模式的高维信息，有助于识别认知老化背后的复杂机制，并且显示出一定的统计优势。

本研究得到国家自然科学基金（32171040）的资助。

论文信息：Li, T^#; Xia, H^#; Li, H; He, Q & Chen, A^*. (2023) Functional Connectivity Alterations of Cognitive Flexibility in Aging: Different Patterns of Global and Local Switch Costs.Journals of Gerontology: Psychological Sciences.https://doi.org/10.1093/geronb/gbad092.