认知障碍导致的脑功能熵差异：双任务条件功能性近红外光谱测量的应用

背景介绍
在医学与神经科学的交叉领域中，认知障碍的研究一直是焦点话题。随着全球老龄化进程的加速，痴呆症的患病率急剧攀升。据估计，到 2022 年，仅美国就约有 650 万痴呆症患者。而轻度认知障碍（MCI）作为痴呆症的前驱阶段，准确诊断并及时干预对患者意义重大。然而，MCI 临床表现的异质性，给临床诊断带来了极大的挑战。

阿尔茨海默病（AD）和轻度认知障碍（MCI）的病理特征包括神经元死亡、突触减少和脑网络连接减弱（如前额叶皮层），会导致脑功能复杂性降低。脑功能熵（如多尺度熵 MSE）可量化这种脑功能复杂性：低熵值反映信号规律性增强、适应性下降，与病理状态直接相关。而健康大脑则表现出高熵值，以信号多样性和适应性强为代表。
 

近期，一项题为“Differences in brAIn function entropy due to cognitive impairment: Application of functional near infrared spectroscopy measures during dual-tasking”的文章，报告了通过使用功能性近红外光谱技术（fNIRS），分析不同认知状态人群（健康年轻人、认知正常老年人、轻度认知障碍 / 早期阿尔茨海默病患者）在双任务执行过程中脑功能熵的差异，探讨了脑活动复杂性作为认知障碍筛查生物标志物的潜力。

研究方法
本研究招募了83名被试，其中30岁以下为健康年轻组（HY），大于65岁被试基于蒙特利尔认知评估（MoCA）得分被分为两组，得分≥24分者视为正常组（CN），得分<24分者视为MCI/AD组。数据测量使用功能近红外设备采集，光极分布如图2。

所有被试需要完成三种任务。其一是计数任务（Counting Task），要求被试从一个三位数开始，进行连续减3运算，且要求无肢体运动；其二是屈臂任务（Flexion Task），让被试以自行选择的恒定速度反复屈伸右臂，研究者会记录整个任务期间的手臂屈伸次数，用于评估运动表现一致性；最后是双任务（Dual Task），被试需同时执行计数任务和屈臂任务，即一边从三位数开始连续减 3 运算，一边以恒定速度屈伸右臂。研究者同样记录手臂屈伸次数，考察多任务处理时的认知 - 运动整合能力。每项任务前后各有 3 分钟休息时间（rest）。

研究者对预处理后的氧合血红蛋白（HBO）信号时间序列作多尺度熵（MSE）计算，并计算MSE曲线下面积（AUC），作为综合复杂性指标。
 

图2. 近红外光极排布以及对应脑区

研究结果
脑功能熵在哪种任务下最能反映认知状态的差异
研究者假设脑活动信号复杂性与认知状态有关，主要回答了脑功能熵在哪种任务下最能反映认知状态的差异。 图3展示了在双任务条件下，三组（HY vs. CN vs. MCI/AD）不同认知状态被试的所有通道的平均 AUC 值存在差异，静息条件则不存在这种差异。并且，双任务条件通过AUC结果传递了最多用于区分组间差异的显著结果（见原文表2）。基于当前结果，与其他任务类型相比，双任务可能是使用功能近红外光谱（fNIRS）筛查认知障碍的最佳机制。
 

图3. 静息（rest）和双任务（Dual-Task）条件下各组所有通道的平均 AUC 值。三组间（HY vs. CN vs. MCI/AD）的显著差异以星号（* 表示p<0.05）标注，两组间（CN vs. MCI/AD）的显著差异以双十字号（‡）标注

哪些脑区受认知障碍影响
当比较三组（健康青年 HY、认知正常 CN、MCI/AD）时，双任务的 AUC 结果在所有通道的平均值以及初级感觉区、视觉运动区、前额叶前部（aPFC）和背外侧前额叶皮层（dlPFC）附近的通道中存在显著差异（见原文表 2）。当仅比较 CN 组和 MCI/AD 组时，双任务的 AUC 结果显示，所有通道的平均值以及初级感觉皮层（感觉皮层区域）、aPFC 和 dlPFC 附近的通道存在显著差异（见原文表 2）。

讨论与展望
本研究表明双任务范式是利用 fNIRS 筛查认知障碍的有效工具，其优势在于通过叠加运动与认知需求，放大了不同认知状态人群的脑功能差异。未来研究可进一步优化任务设计，结合纵向追踪，探索这些脑区在疾病进展中的动态变化，为 AD 早期诊断提供更精准的生物标志物。

原文链接
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

研究团队介绍
本研究是由美国罗格斯大学健康职业学院康复与运动科学系，健康神经学系以及脑健康研究所，与亚利桑那大学医学院医学系合作完成。

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