《Psychophysiology》：The Relationship Between Task-Related Aperiodic EEG Activity, Neural Inefficiency and Verbal Working Memory in Younger and Older Adults
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本文通过重新分析已发表的脑电图（EEG）数据，探讨了年轻与老年成年人在言语工作记忆（WM）任务中非周期性脑电活动（aperiodic EEG activity）的年龄差异及其与神经效率（neural inefficiency）的关系。研究发现，年轻成年人的非周期性指数（aperiodic exponent）始终高于老年人；与预期相反，两组在记忆保持期的非周期性指数均出现下降（即斜率变平），且与记忆负荷（load）关系不大。值得注意的是，任务相关的指数变化与工作记忆表现之间存在复杂关系，尤其在老年人中，这种关系受基线（注视期）指数的影响显著。此外，较平的非周期性指数与较低的神经效率相关，表现为P3b事件相关电位（ERP）振幅增加却未伴随行为表现的提升。这些结果表明，非周期性指数的平坦化与神经处理效率降低有关，而老年成年人能够在记忆保持期灵活调节其非周期性指数以支持工作记忆表现。本研究为理解认知老化的神经机制提供了新的电生理证据。
摘要
工作记忆（WM）在老化过程中的衰退可能与“神经噪声”的增加有关，这可能在脑电图（EEG）的非周期性指数中有所反映。本研究重新分析了先前发表的数据，旨在探讨年轻和老年成年人在言语工作记忆任务中非周期性指数的年龄相关差异及其与神经效率的关系。
1 引言
言语工作记忆是短暂维持和操作言语信息以指导目标导向行为的能力。尽管老化通常与工作记忆衰退相关，但并非所有老年人都会出现这种衰退。EEG研究已表明，即使在行为表现匹配的任务中，言语工作记忆期间的神经振荡活动也会随年龄发生变化。然而，EEG功率谱还包含一个非周期性的成分，其特征是频谱功率随频率增加呈1/f-like衰减。非周期性EEG活动现在被认为反映了突触兴奋/抑制（E/I）平衡和神经群体放电统计特性。非周期性指数——相当于对数-对数空间中频谱功率衰减的负线性斜率——在老年人群中据报道会降低（即变得平坦），可能反映了向更嘈杂的神经群体放电活动的转变。本研究旨在：（1）调查言语工作记忆任务保持期非周期性指数任务相关调制的年龄差异；（2）检查刺激前非周期性指数与编码和探测阶段的神经效率之间的关系。
2 方法
2.1 参与者
24名年轻成年人（平均年龄23.3岁）和30名老年成年人（平均年龄62.7岁）参与了研究。
2.2 工作记忆任务
参与者执行一项修改版的Sternberg工作记忆任务，包括1字母、3字母和5字母三种负荷条件。任务阶段包括2秒注视、1秒编码、4秒保持期和探测反应。
2.3 EEG数据采集与预处理
使用64通道脑电帽记录EEG数据。数据经过预处理，包括滤波、降采样、独立成分分析（ICA）去噪和分段。
2.4 频谱分析
使用specparam算法将功率谱参数化为非周期性和周期性成分，计算非周期性指数。分析时间窗包括注视期和保持期的三个1秒时段（R2, R3, R4）。
2.5 P3b分析与神经效率测量
计算编码和探测阶段P3b成分的峰值振幅。神经效率评分基于P3b振幅随工作记忆负荷变化的斜率与行为表现（dL或反应时间RT）斜率之间的关系。
2.6 统计分析
使用贝叶斯线性混合效应模型进行统计分析。
3 结果
3.1 非周期性指数
3.1.1 年龄、负荷和任务效应
年轻成年人的非周期性指数始终大于老年人。两组均显示出保持期指数相对于注视期下降，但工作记忆负荷的影响很小。年龄组间保持期变化的时间进程不同。
3.1.2 与工作记忆表现的关联
保持期非周期性指数的变化与敏感性（dL）呈U型关系，这种关系在老年人中更为明显。后续分析表明，注视期指数（较平坦或较陡峭）调节了指数变化与表现之间的关系，尤其在老年人中，这种关系具有负荷依赖性。
3.2 神经效率
3.2.1 行为数据
工作记忆负荷对dL有显著影响（负载5时表现下降），但年龄组间无显著差异。
3.2.2 P3b成分
在编码阶段，年轻成年人在负载5时表现出比老年人更大的P3b振幅，并且其振幅从负载1到负载5增加。在探测阶段，在负载5时P3b振幅相比负载1显著下降，这种效应在老年人中尤为明显。
3.2.3 编码
注视期较平坦的非周期性指数与基于dL的编码阶段神经效率降低（即效率更低）相关。
3.2.4 探测
最终保持期（R4）较平坦的非周期性指数也与基于dL的探测阶段神经效率降低相关。
4 讨论
4.1 相对于注视期，非周期性指数在工作记忆保持期变平，与工作记忆负荷无关
与假设相反，观察到保持期非周期性指数下降。这与此前一些研究观察到任务中指数陡峭化的结果不一致，但与视觉工作记忆和ECoG研究中的发现一致。指数平坦化可能反映了神经噪声增加或兴奋/抑制平衡向兴奋性偏移，这在功能上可能有利于维持工作记忆表征所需的持续神经活动。
4.2 任务相关非周期性指数与工作记忆表现的关系因年龄组而异
老年人表现出更平坦的非周期性指数，这与先前研究一致。然而，在任务期间调节指数的能力与老年人更好的工作记忆表现相关，表明可能存在补偿机制。这种调节模式具有负荷依赖性，可能反映了不同的神经策略。
4.3 较平坦的刺激前非周期性指数与两个年龄组的神经效率低下相关
注视期和探测前较平坦的指数与神经效率低下相关，表明在准备期神经状态欠佳，需要更多神经资源来处理任务相关信息。这一发现与将平坦指数与神经噪声和处理效率降低联系起来的最新证据一致。
4.4 局限性
研究存在一些局限性，包括任务可能不足以捕捉年龄相关的工作记忆差异，以及神经效率测量方法的局限性。
5 结论
本研究提供了关于非周期性指数与认知老化中言语工作记忆关联的新见解，表明较平坦的指数与神经处理效率较低有关，而老年人能够在保持期灵活调节其指数以支持工作记忆表现。
