老年视觉认知功能衰退过程的神经机制

Population aging is a worldwide issue, which would cause far-reaching social and economic consequences. Aging affects almost all cognitive systems but the exact time course and mechanisms of the resulting functional degradation are still unclear. Visual cognition is of great importance in our daily lives; meanwhile it is an ideal model to study aging processes given its finely specified structures and functions. In the current proposal, by combining psychophysical, electrophysiological, morphological and neuroimaging techniques, we plan to investigate the cognitive declination in visual system during aging, test the hypothesis that higher visual areas and/or complex cognitive functions are more vulnerable to aging than lower areas and/or simple functions, and explore the contribution of the two prevailing theories about aging, i.e. the increase of internal noise and the degradation of GABA-mediated inhibition, and the relationship between them. We also seek to develop potential perceptual learning paradigms to improve the aged visual functions. The relative results will benefit to understand the processes and mechanisms of visual aging, provide theoretical basis of cognitive rehabilitation in the aged, and shed light upon analogous researches on other cognitive systems.

人类已经进入"老龄化"社会，人口老龄化带来严重的社会经济问题。老化引起的功能退化几乎涉及所有认知系统，但具体退化的过程及确切神经机制尚存很大争议。人类80%的外部信息通过视觉系统进行处理，视觉认知功能对于日常生活异常重要。本课题拟综合运用心理物理学、电生理学、形态学、磁共振成像等技术方法，分别从行为学、脑区功能和单细胞水平系统研究老年视觉认知功能衰退的进程，验证"高级脑区/高级认知功能先衰退且衰退更严重"的假说；探讨"噪音升高"和"GABA能衰退"在老化引起的视觉认知功能衰退过程中的作用；在对衰退进程和机制有较深入理解的基础上设计针对性的知觉学习任务、模式，探索用知觉学习、施加GABA等方法改善老年视觉认知功能的可能途径。本工作将加深人们对老化导致的视觉认知功能障碍及其机制的理解，为探索相关障碍的恢复途径提供一定的实验依据，还可为其它感觉系统的相关研究提供借鉴。

人类已经进入老龄化社会，正常老化过程导致的视觉功能的进行性退化是目前国际上的研究热点之一。前人的研究结果表明眼球光学性质和视网膜形态学的改变不足以解释这些功能性的退化，老化引起的视觉中枢的变化可能是这些功能性退化的重要原因，但其相关的神经机制尚缺乏系统研究。我们首先以猕猴视觉系统为模型，研究了猕猴视功能老化的动态过程，揭示了老年视觉认知功能衰退过程的神经机制，这部分的研究表明在衰老的早期阶段，初级视皮层神经元的功能已经显著退化，该结果为研究人类衰老早期的神经功能退化机制提供了重要的神经基础。同时，与青年猕猴相比，我们还发现老年猕猴MT区神经元的空间和时间频率反应特性显著下降，老年猕猴神经元的噪音相关性发生明显变化，表明老化降低了神经元群体的信息编码能力。更重要的是，我们首次在猕猴V2区记录到二阶反应细胞，提出了人类对二阶边界感知的可能神经机制，为进一步研究老化对二阶反应细胞的影响奠定了基础。在以老年猫的视觉系统为模型的研究中，根据相关实验证据，我们验证了所提出的“高级皮层受老化的影响更严重”的衰老假说。同时，我们在改善视皮层细胞功能的研究方面也取得了很好的进展，发现BDNF及其受体激动剂可以改善老年猕猴的V2区神经元的反应特性。在心理物理学研究方面，我们揭示了老年视觉空间对比敏感度衰退的心理物理学机制及其与空间频率之间的关系，并且利用知觉学习的方法开展了改善老年人的空间对比敏感度和视力的研究。同时，我们还发展了对比敏感度函数的快速测量方法和非参贝叶斯估计方法，可以帮助我们更快速准确地评估老年人的对比敏感度损伤。在磁共振研究方面，发现老化会显著改变大脑的静息态网络，降低人类的猎奇性，从而影响风险决策任务。综上所述，我们的研究加深了人们对非病理性老化导致的视觉功能障碍及其可能机制的理解，同时也在一定程度上反映了老化过程中神经系统功能变化的普遍规律，为探索相关受损功能的恢复途径提供了重要的实验依据。