認知障礙導致的腦功能熵差異：雙任務條件功能性近紅外光譜測量的應用

背景介紹
在醫學與神經科學的交叉領域中，認知障礙的研究一直是焦點話題。隨著全球老齡化進程的加速，癡呆癥的患病率急劇攀升。據估計，到 2022 年，僅美國就約有 650 萬癡呆癥患者。而輕度認知障礙（MCI）作為癡呆癥的前驅階段，準確診斷并及時干預對患者意義重大。然而，MCI 臨床表現的異質性，給臨床診斷帶來了極大的挑戰。

阿爾茨海默病（AD）和輕度認知障礙（MCI）的病理特征包括神經元死亡、突觸減少和腦網絡連接減弱（如前額葉皮層），會導致腦功能復雜性降低。腦功能熵（如多尺度熵 MSE）可量化這種腦功能復雜性：低熵值反映信號規律性增強、適應性下降，與病理狀態直接相關。而健康大腦則表現出高熵值，以信號多樣性和適應性強為代表。
 

圖1. 文章信息

近期，一項題為“Differences in brain function entropy due to cognitive impairment: Application of functional near infrared spectroscopy measures during dual-tasking”的文章，報告了通過使用功能性近紅外光譜技術（fNIRS），分析不同認知狀態人群（健康年輕人、認知正常老年人、輕度認知障礙 / 早期阿爾茨海默病患者）在雙任務執行過程中腦功能熵的差異，探討了腦活動復雜性作為認知障礙篩查生物標志物的潛力。

研究方法
本研究招募了83名被試，其中30歲以下為健康年輕組（HY），大于65歲被試基于蒙特利爾認知評估（MoCA）得分被分為兩組，得分≥24分者視為正常組（CN），得分<24分者視為MCI/AD組。數據測量使用功能近紅外設備采集，光極分布如圖2。

所有被試需要完成三種任務。其一是計數任務（Counting Task），要求被試從一個三位數開始，進行連續減3運算，且要求無肢體運動；其二是屈臂任務（Flexion Task），讓被試以自行選擇的恒定速度反復屈伸右臂，研究者會記錄整個任務期間的手臂屈伸次數，用于評估運動表現一致性；最后是雙任務（Dual Task），被試需同時執行計數任務和屈臂任務，即一邊從三位數開始連續減 3 運算，一邊以恒定速度屈伸右臂。研究者同樣記錄手臂屈伸次數，考察多任務處理時的認知 - 運動整合能力。每項任務前后各有 3 分鐘休息時間（rest）。

研究者對預處理后的氧合血紅蛋白（HBO）信號時間序列作多尺度熵（MSE）計算，并計算MSE曲線下面積（AUC），作為綜合復雜性指標。
 

圖2. 近紅外光極排布以及對應腦區

研究結果
腦功能熵在哪種任務下最能反映認知狀態的差異
研究者假設腦活動信號復雜性與認知狀態有關，主要回答了腦功能熵在哪種任務下最能反映認知狀態的差異。 圖3展示了在雙任務條件下，三組（HY vs. CN vs. MCI/AD）不同認知狀態被試的所有通道的平均 AUC 值存在差異，靜息條件則不存在這種差異。并且，雙任務條件通過AUC結果傳遞了最多用于區分組間差異的顯著結果（見原文表2）。基于當前結果，與其他任務類型相比，雙任務可能是使用功能近紅外光譜（fNIRS）篩查認知障礙的最佳機制。
 

圖3. 靜息（rest）和雙任務（Dual-Task）條件下各組所有通道的平均 AUC 值。三組間（HY vs. CN vs. MCI/AD）的顯著差異以星號（* 表示p<0.05）標注，兩組間（CN vs. MCI/AD）的顯著差異以雙十字號（‡）標注

哪些腦區受認知障礙影響
當比較三組（健康青年 HY、認知正常 CN、MCI/AD）時，雙任務的 AUC 結果在所有通道的平均值以及初級感覺區、視覺運動區、前額葉前部（aPFC）和背外側前額葉皮層（dlPFC）附近的通道中存在顯著差異（見原文表 2）。當僅比較 CN 組和 MCI/AD 組時，雙任務的 AUC 結果顯示，所有通道的平均值以及初級感覺皮層（感覺皮層區域）、aPFC 和 dlPFC 附近的通道存在顯著差異（見原文表 2）。

討論與展望
本研究表明雙任務范式是利用 fNIRS 篩查認知障礙的有效工具，其優勢在于通過疊加運動與認知需求，放大了不同認知狀態人群的腦功能差異。未來研究可進一步優化任務設計，結合縱向追蹤，探索這些腦區在疾病進展中的動態變化，為 AD 早期診斷提供更精準的生物標志物。

原文鏈接
Kelsi Petrillo, Hossein Ehsani, Kubra Akbas, Meenakshi Dagar, Nima Toosizadeh, Differences in brain function entropy due to cognitive impairment: Application of functional near infrared spectroscopy measures during dual-tasking, International Journal of Psychophysiology, 211, 2025, 112558, 0167-8760.

https://doi.org/10.1016/j.ijpsycho.2025.112558

研究團隊介紹
本研究是由美國羅格斯大學健康職業學院康復與運動科學系，健康神經學系以及腦健康研究所，與亞利桑那大學醫學院醫學系合作完成。

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