认知年老化与执行衰退假说

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1、心理科学进展 2004，12（5） ：729736 Advances in Psychological Science 认知年老化与执行衰退假说* 陈天勇 韩布新 罗跃嘉 李德明（中国科学院心理研究所心理健康重点实验室，北京 100101） 摘 要 在认知年老化领域，执行衰退假说是近年来新兴的一种理论。执行衰退假说在理论上具有很强的吸引力，但在实证研究中却存在很多困难，如执行功能的可分离性问题，执行功能测量的信度和效度问题，以及执行功能与加工速度的关系问题。目前，该领域研究的焦点是：在行为学水平上，控制一般性因素（加工速度）后，执行功能是否仍对认知年老化起重要的中介作用；在神经水平上，执行（额

2、叶）功能随龄的变化情况，以及在认知年老化过程中，额叶在大脑功能重组中扮演的角色。最终实现对认知年老化的理解，需要将认知功能与大脑结构联系起来；既看到广泛存在的共同的基本机制，又不能忽略不同认知结构的选择性变化。 关键词 认知，年龄，加工速度，执行功能，执行衰退假说。 分类号 B844 成人随着年龄的增长， 认知能力会发生一系列的变化。 认知年老化研究的主要任务就是为了阐明这些变化的规律，以及这些变化规律更深层的原因。对于认知年老化的一般规律，研究者们已基本形成如下共识：对于晶态智力（如词汇、知识经验等）在成年后，仍会随龄增长，直到 70 岁以后才出现显著的衰退；而对于液态智力（如记忆、注意、推

3、理能力等） ，则在成年早期达到最高峰后即开始缓慢地下降，进入老年阶段后衰退进程加快。 然而，对于液态智力的年老化却一直存在不同的观点。一方面，传统的观点认为，认知年老化的现象是普遍存在的，可以用一般性的因素（如加工速度的降低）解释大部分与年龄相关的变异1。另一方面，近年来，从认知神经科学的角度，一些研究者开始关注不同认知功能在年老化过程中的差异性，认为执行控制能力更容易随龄老化；并且，执行功能（executive function）的年老化是其它认知功能随龄减退的主要原因2, 3。 1 执行功能与认知年老化 目前，执行功能是神经心理学、认知心理学以及认知神经科学研究的一个热点4。但对于执行功能

4、的概念，至今还没有一个准确的定义。从字面上看，执行功能的概念可与企业中的执行管理人员作一简单类比， 即他们不是任何特定部门的专家， 但却负责对不同部门进行监督和管理。 由于人们在各种认知任务中的行为表现， 往往与控制其它认知操作的效能有很大的关系；因而，执行功能有可能是人们在认知功能上表现出的个体差异，特别是与年龄相收稿日期：2004-08-30 * 中国科学院心理研究所创新基金项目（MS2003001） 。 通讯作者：李德明，E-mail: 729 -730- 心理科学进展 2004 年 关个体差异的重要因子。 由此可见， 执行功能应该是认知心理学以及认知年老化研究中一个关键性的概念。 然

5、而，在传统的认知心理学中对执行功能的研究长期地被忽略了5。究其原因，主要是因为认知心理学家虽然对于执行功能已有一些概念化的陈述6, 7，但缺乏相关的实证研究。在认知年老化研究领域， 由于更多地注意到认知年老化的普遍性， 研究者更倾向于用尽可能少的一般性因子（general factor，如加工速度）来解释这种普遍性；从而忽略了从认知结构的角度，探讨特异性因子（specific factor） ，即某一认知结构（如执行功能）对认知年老化的特殊影响8, 9。 大量神经心理学和脑成像的研究表明，额叶（特别是前额叶）是执行功能重要的物质基础。同时，神经解剖学、神经化学和新陈代谢的相关指标均显示，在正常

6、的年老化过程中，前额叶和皮层下的单胺能核受年龄变化的影响最为明显。 具体来说， 前额叶在如下方面的变化比其它脑区更为明显： 皮层萎缩和神经元的丧失、 树突分枝减少和轴突髓鞘结构的破坏 （白质退行性变化） ，以及一些神经递质浓度的降低和受体数量的减少（如多巴胺系统的退化）等3。 正是在这些研究结果强有力的支持下， 一些研究者提出认知年老化的额叶假说 （frontal lobe hypothesis of cognitive aging） ，认为许多与年龄相关的认知减退都与额叶功能的衰退有关2, 10。由于额叶与执行功能的密切关系，因此认知年老化的额叶假说也称为执行衰退假说（executive d

7、ecline hypothesis of cognitive aging） 。2 执行衰退假说及其面临的主要问题 认知年老化的执行衰退假说有两层含义： 第一， 相对于其它一般认知能力， 执行 （额叶）功能随龄的衰退更快；第二，执行（额叶）功能的随龄衰退是引起人们日常认知功能（记忆、推理、视觉空间能力）衰退的主要原因。执行衰退假说在理论上非常具有吸引力，但在实证研究中却存在很多的困难和问题。 2.1 执行功能的可分离性 在传统的认知心理学界， 以往的研究把执行功能看作是单一的认知结构， 如监控注意系统6（supervisory attentional system）和中央执行7（central

8、executive）等。由于缺乏实证性的研究， 在很长一段时间里， 执行功能被心理学家们戏称为居于人脑中无所不能的 “小矮人”（homunculus） ，肩负着很多说不清的高级认知功能，因而在传统认知心理学中一直不受重视。伴随工作记忆理论进一步发展的需要，对执行功能进一步分离的愿望也日渐强烈。正是在这一背景下，Baddeley11认为，是到了该对执行系统进行分离的时候了，并提出了双任务协调、提取策略转换、注意选择、对长时记忆中信息的保持和操纵等 4 种不同的执行功能。 关于执行功能可分离性的证据主要来自于个体差异性的研究。 首先， 关于脑损伤病人的个案研究表明，不同的执行功能之间存在双分离的现

9、象。如 Shallice 等12发现，一部分额叶损伤病人在评定抑制功能的一项测验上表现正常， 但在另一项评定规则觉察的测验上却表现出功能损伤；然而，另一部分额叶损伤病人却正好与此相反。这一现象有力地支持执行系统不是单一系统的观点。 关于执行功能可分离性的证据更多地来自于对群体的研究， 包括正常青年或老年人群， 以及脑损伤病人群体。 所有这些研究都使用了一系列大家普遍认可的执行第 12 卷第 5 期 认知年老化与执行衰退假说 -731- 功能测验，并利用相关分析技术分析不同执行任务成绩之间的关系。结果一致发现，不同执行任务之间的相关很低，甚至往往没有达到显著的水平。由此，研究者们更为肯定地提出，

10、执行系统不是一个单一的系统，需要对其进行进一步的分离。Miyake 等13使用潜变量分析的方法，结果表明：3 种执行功能（注意转换、记忆刷新和抑制优势反应）之间虽然存在一定程度的相关，但它们之间是相对独立的。 正是由于对执行加工过程具体化的分解， 以往认为执行功能随年老而出现一般性衰退的观点已站不住脚；并且，不同执行功能对认知年老化的影响也需要进一步的研究。例如，老年人虽然在注意保持的效率上有所下降， 但对错误的监控能力却基本没有变化。 我们的一项研究也表明，与青年人相比，老年人在记忆刷新和随机生成，而不是空间视觉搜索能力上出现了显著的衰退14 。 2.2 执行功能测量的信度和效度 长期以来，

11、 对执行功能的测量普遍存在信度 （多次使用无效） 和效度 （含有非执行成份）较低的问题，这一问题在执行功能的年老化研究中同样存在。另外，对于测量效度的评价，除了内容效度（是否含有非执行成份） ，还有结构效度的问题。结构效度可分为汇聚性效度和鉴别性效度两方面。 汇聚性效度是指， 测量同一认知结构的不同任务之间表现出很高的一致性；鉴别性效度是指，测量不同认知结构的任务之间表现出很差的一致性。 近年来，一些研究者除了对各种执行任务进行更严谨的设计（如考虑 Baseline）之外，还尝试采用潜变量提取和结构方程建模的方法，以便更好地解决上述问题。Miyake 等13首次运用这种方法对三种执行功能的结构

12、效度进行了分析。 然而， Salthouse 等15指出， Miyake等在鉴别性效度上做得还不够， 需要证明这些新近提出的执行功能与以往已经存在的认知结构（加工速度、记忆、液态智力、言语能力）都不相同，才能够确认一种特异性的认知结构。Salthouse 提出的这一标准近乎苛刻；并且，目前执行功能研究主要属于认知神经科学的取向，而 Salthouse 的标准似乎是心理测量学传统（因子分析方法）的延续，因而其实用价值还需进一步的商榷。 总的来说，将执行过程在认知层面上分解为一些具体的、可量化研究的认知结构，利用结构方程建模的方法实现对潜变量的分析，并渗透到认知年老化研究领域还只是近几年的事。在实

13、际操作上，运用潜变量提取和结构方程建模的方法，对多项执行功能，及其与加工速度和多种认知结构的关系进行研究，需要成倍地增加测验的数量和被试量。因此，新方法的运用存在相当的难度16。 2.3 执行功能与加工速度的关系 加工速度理论是认知年老化研究领域内影响最大的理论之一。 该理论认为， 加工速度的降低能够解释大部分与年龄相关的认知减退1；并且，执行功能或其他认知结构对认知年老化的中介作用，也主要源于加工速度的变异。加工速度理论集中体现在如下两个方面：限时机制（limited time mechanism）和同时机制（simultaneity mechanism） 。其中，同时机制认为，在完成一项复

14、杂认知任务的过程中， 相关认知操作的慢速加工， 将使认知加工中需要的有用信息在质和量上均受到影响；也就是说，如果加工速度较慢，前面加工的结果可能会在后续-732- 心理科学进展 2004 年 加工需要时已经丢失或畸变。 已有的研究也一致表明， 执行衰退假说虽然在理论上很具有吸引力， 但即使解决了前两个问题， 执行衰退假说往往在与加工速度理论的对比中仍相形见绌1720。 然而， Verhaeghen21研究发现，采用心理物理的速度任务后，降低了由加工速度中介的认知年老化效应。该结果提示， 在采用了更纯的加工速度任务之后， 执行功能和加工速度在认知年老化过程中的关系将有可能发生某些变化。目前，对执

15、行功能的研究越来越受到普遍的重视，国外老年认知心理学家，包括加工速度理论的主要代表 Salthouse15, 19, 20也开始重视执行功能在认知老化中作用的研究。 3 执行功能年老化的脑机制 3.1 脑成像的研究 认知年老化不仅体现在行为水平，同时也反映在大脑结构和功能的变化上。如前所述，额叶是大脑中受年老化影响最为敏感的脑区。至上世纪 90 年代以来，随着功能性脑成像技术的迅速发展， 人们对老年人大脑功能上的变化有了更深刻的认识。 目前， 研究者主要关注，执行（额叶）功能随龄的变化情况，以及在认知年老化过程中，额叶在大脑功能重组中扮演的角色。相关的实证研究主要体现在工作记忆、长时记忆的编码和提取，以及一些复杂认知活动的研究中。 Smith 和 Jonides22认为，腹侧前额叶（VLPFC）主要负责工作记忆信息的储存，而背侧前额叶（DLPFC）则与工作记忆的执行成分关系更为密切。Rypma 等23的研究发现，老年人在 VLPFC 上的激活与青年人相当，而在 DLPFC 上的激活较弱；另外，老年人在额极（BA10） 却有更强的激活。 Reuter-Lorenz 等24