α波活动介导了年龄对工作记忆动态三个不同方面的影响

《Neurobiology of Aging》：Alpha band activity mediates age-related effects on three distinct aspects of working memory dynamics

本研究通过EEG束成型分析132名健康成年人的数据，探讨年龄对工作记忆门控机制（开放、关闭和更新）的影响。结果显示，alpha波活动中介了年龄与所有三个WM过程的关系，而theta波未显著中介。结论指出alpha波活动在年龄相关的WM功能下降中起关键作用，尤其是状态切换效率降低。

　　

夏洛特·普舍勒（Charlotte Pscherer）|莫里茨·穆克斯切尔（Moritz Mückschel）|克里斯蒂安·贝斯特（Christian Beste）

认知神经生理学，德累斯顿工业大学（TU Dresden）医学学院儿童与青少年精神病学系，舒伯特街42号（Schubertstrasse 42），01309德累斯顿，德国

摘要

工作记忆（WM）的功能会随着年龄的增长而下降。根据最新的研究观点，需要区分通过门控机制调节的动态变化的“WM状态”。我们研究了哪些神经振荡过程会影响WM的门控和更新功能，并重点关注了α波段和θ波段的活动。通过使用EEG波束成形技术，我们分析了132名年龄在18至76岁之间的健康受试者的数据，这些受试者完成了参考-返回范式（reference-back paradigm）任务。通过中介分析，我们探讨了α波段和θ波段的活动是否能够解释年龄对WM门控开启、门控关闭以及更新过程的行为层面影响。数据显示，α波段的活动介导了年龄与这三个核心WM过程之间的关系，主要表现为随着年龄增长，WM状态之间的切换速度变慢且效率降低。而θ波段的活动并未介导年龄对WM动态的影响。α波段活动在年龄相关WM功能变化中起重要作用的原因可能在于其协调抑制干扰和保持相关信息的关键作用。因此，α波段活动在机制上可能对延缓衰老过程中的WM功能衰退具有重要的意义。

引言

工作记忆（WM）是一种认知系统，负责暂时存储和处理完成不同任务所需的信息（Diamond, 2013; Nir-Cohen et al., 2020）。它是研究最为广泛的认知功能之一。大量研究表明，老年人的WM功能会下降（Borella et al., 2010; Esfahan et al., 2024; Gazzaley et al., 2007; Luo and Craik, 2008; Nyberg et al., 2012; Passow et al., 2017; Stavroulaki et al., 2021），这表明“年龄”是影响WM功能的重要因素。WM表现的下降在成年早期和中期就已经存在（Forsberg et al., 2025; Park et al., 2002），因此研究整个生命周期中年龄对WM的影响至关重要。

然而，要理解WM的功能，有必要区分特定的“WM状态”（Hazy et al., 2006; O’Reilly and Frank, 2006），这些状态是通过门控机制来调节的（Rac-Lubashevsky and Kessler, 2018, 2016a, 2016b）。当门关闭时，记忆内容得以保持，并且内容不会受到可能进入WM的新信息或无关信息的干扰。相反，当门打开时，新信息可以进入并更新或替换WM的内容。因此，WM动态至少可以通过三个不同的动态原理来描述：门控开启、门控关闭和更新。因此，在研究年龄对WM过程的影响时，必须考察构成WM功能的这三个方面。据我们所知，目前尚未有研究专门探讨哪些神经生理动态对于解释年龄对各种WM过程的影响是重要的。

从神经生理学的角度来看，WM的门控开启和关闭过程与θ波段和α波段的活动有关（Elmers et al., 2024; Konjusha et al., 2023; Rempel et al., 2021; Yu et al., 2024, 2022a, 2022b）。这一发现与其他研究结果一致，这些研究表明在额叶和顶叶皮层中，这些频率带在WM过程中起着作用（Bonnefond and Jensen, 2012; Günseli et al., 2024; Hsieh and Ranganath, 2014; Jensen et al., 2002; Sauseng et al., 2010; Shi and Yu, 2024; Wianda and Ross, 2019）。在衰老背景下，研究表明老年人表现出θ波段（Tóth et al., 2014）和α波段活动（Mishra et al., 2013）的变化，以及WM维持能力的变化（即门控关闭）。中年人也显示出与WM表现相关的α波段变化（McEvoy et al., 2001）。从这个角度来看，额叶-顶叶皮层结构中的θ波段和α波段活动可能在解释年龄对WM门控动态的影响方面具有机制上的重要性。然而，也有可能α波段活动对WM动态的三个方面都至关重要，因为α波段活动可以调节与WM动态相关的θ波段过程（Beste et al., 2023）。正如抑制时序假说（Klimesch, 2012, 2011）所提出的，α波段活动的节律性波动会导致抑制作用的增强或减弱，从而可能在信息处理过程中选择性地抑制某些方面。因此，这些α波段波动的调节可能对于屏蔽干扰（即门控关闭）或允许新信息进入WM系统（即门控开启）以及更新其内容具有重要意义。因此，单一的神经生理特征（即α波段活动）可能对构成WM动态的三个不同方面都具有重要意义。我们研究了α波段或θ波段动态在解释年龄对WM门控开启、关闭和更新动态影响方面哪个更为关键。我们使用EEG波束成形技术来研究θ波段和α波段活动的变化，并考虑了这些频率带内最大激活源的个体差异。此外，我们还进行了中介分析，以探讨θ波段和/或α波段活动是否能够解释年龄对WM三个过程（门控开启、关闭和更新）行为表现的影响。

部分内容摘录

参与者

研究对象包括160名视力正常或矫正至正常的健康成年人。其中一部分参与者（33名）与我们团队之前的一项研究（Yu et al., 2022c）的参与者相同。其余参与者在最近的一次数据收集中接受了相同的任务评估。在简短的筛查问卷中，所有参与者均表示没有神经系统或心理疾病，并且没有服用任何精神药物。

描述性统计

样本在切换参考任务中的平均错误率为0.16 ± 0.11，在不切换参考任务中的平均错误率为0.09 ± 0.08，在切换比较任务中的平均错误率为0.09 ± 0.06，在不切换比较任务中的平均错误率为0.09 ± 0.08。随着年龄的增长，切换参考任务（r = 0.35, p < 0.001）、不切换参考任务（r = 0.33, p < 0.001）和切换比较任务（r = 0.35, p < 0.001）的错误率显著增加，而不切换比较任务（r = 0.09, p = 0.309）的错误率没有显著变化。

讨论

本研究考察了三个不同的WM过程——门控开启、门控关闭和更新（Konjusha et al., 2023; Rac-Lubashevsky and Kessler, 2018; Yu et al., 2024, 2022c）——在成年期（18至76岁）的变化，并研究了θ波段和α波段活动在这些过程中的作用。这是基于参与者个体θ波段和α波段活动估计值通过中介分析来完成的。

结论

总之，本研究表明，α波段活动的发展变化会导致健康老龄化过程中所有三个重要WM过程（门控开启、门控关闭和更新）的衰退。这种衰退主要表现为WM状态之间的切换速度变慢且效率降低。另一方面，θ波段活动并未介导年龄对WM动态的影响。α波段活动在年龄相关WM功能变化中起重要作用的原因可能在于……

作者贡献声明

克里斯蒂安·贝斯特（Christian Beste）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、监督、资金筹集、概念构思。 夏洛特·普舍勒（Charlotte Pscherer）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、项目管理、研究实施、资金筹集、数据分析、概念构思。 莫里茨·穆克斯切尔（Moritz Mückschel）：撰写——审稿与编辑、软件开发、方法论设计、数据分析、数据管理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了德国联邦教育和研究部（Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF）的资助，该资助属于德国儿童与青少年健康中心（DZKJ）的项目，项目编号为01GL2405B。