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原創文章首發於唧唧堂，文章作者：唧唧堂研究人 Ayden
隨著醫學與科技的發展，人們的平均壽命 (life expectancy)與過去的幾個世紀相比， 有著長期穩步的提升。WHO的數據表明，2000至2015之間，全球平均壽命較之前甚至增長了5歲。 (http://www.who.int/gho/mortality_burden_disease/life_tables/situation_trends_text/en/)
然而，在壽命增加的同時，疾病給人類帶來極大的困擾，尤其是對老年人而言。根據IOM (Institute of Medicine；IOM Report, 2015) 的報告，如今的成年人相比較癌症或者心臟疾病，更擔心認知的健康 (cognitive health)。而在科學研究中，這種更為擔心認知健康的趨勢則是首次出現。
現如今人們通過媒體了解到更多關於阿爾茲海默症 (Alzheimer’s disease)這類神經退行性疾病 (neurodegenerative diseares)的信息, 更加劇了人們對年老之後認知功能退化的擔憂。即使研究表明87%的成年人並不會被診斷為阿爾茲海默症 (Wagster er al., 2012)。
可是，即使我們健康的老去，沒有患上失憶症，大腦的認知功能也還是會和我們的身體一樣，慢慢的老化。這些逐漸退化的功能，更多的表現在認知控制/執行功能 (congtive control/ executive function) 和記憶上。這裡提到的執行功能指的是人們能夠靈活的進行選擇和抑制信息的能力；能夠維持，更新，總結信息的能力；能夠不斷地產生新想法的能力。這些正是我們能夠在複雜多變的現實中生存的重要能力。
相比較老年群體認知和記憶退化的研究，科學家們通過一些神經影像技術，鑑別出大腦的哪些部位和功能也是隨著年老在不斷退化的。這其中，最顯著的與年齡有關的腦變化發生在大腦的前額葉和顳葉/海馬體區域 (prefrontal & temporal/hippocampal brain regions)。
額葉（黃色部分）
顳葉（紅色部分）
海馬體（藍色部分）
前額葉和它所形成的腦網絡，在之前提到的執行功能中佔據很重要的地位，而海馬體，作為顳葉的一部分，和記憶功能有著緊密的聯繫。D』Esposito & Chen (2006) 認為，正常老化的大腦可能會表現出前腦網絡和大腦執行功能系統的退化，以及記憶的消退。幸運的是，科學家發現，這些認知退化是可以改變的，在某種意義上甚至是可逆的。
今年7月份，在Frontiers in Human Neuroscience上發表的一篇文章，描述了認知訓練 (cognitive training, CT) 和物理訓練 (physical training, PT) 給老年人大腦和行為帶來的有利變化 (Chapman et al., 2016) 。研究員將36名 (56-75歲)的被試者，隨機分配到CT組和PT組，進行共12周，每周3小時的訓練。在訓練之前，中期，和訓練結束之後，研究員們對比了被試者的神經認知 (neurocognitive), 核磁 (MRI), 和生理 (physiological) 的測試結果。
首先，研究員們發現認知訓練對被試者的複雜抽象概念 (complex abstraction) 和工作記憶 (woring memory) 能力有提升作用。複雜抽象概念和工作記憶這兩項認知能力在人們的日常生活起著重要的作用，被試者通過認知訓練，能夠主動地去構建實驗材料的抽象含義，加強了大腦對理解和記憶寬泛事物含義的能力。
上述中提到的認知能力的提升，源自一個叫做Strategic Memory Advanced Reasoning Training (SMART) 的認知訓練。這個項目利用認知控制的三個核心功能——策略注意能力 (strategic attention)，綜合推理能力 (integrative reasoning)，和創新力 (innovation) 來訓練被試的元認知策略 (metacognitive strategies)，從而提升他們自上而下 (top-down) 的思考能力。在策略注意力上，SMART主要通過一些策略來讓大腦有充足的管理時間和認知資源，例如，優先每天兩個任務，每次只執行單項任務，阻止幹擾項，抑制不相關的信息，定期休息。 綜合推理能力則是培訓被試者通過提取關鍵信息，以深層面的理解為基礎，綜合信息。它能幫助被試者運用認知控制去觀察細節，然後迅速的綜合整體信息，以這種「深且廣」的方式去構建或解釋想法。而創新策略則助力於自上而下的信息加工過程，從而能夠促進靈活的思維和問題解決能力。因此，整個認知訓練項目，就是通過（1）有意識的運用大腦去深層次的思考一項任務；（2）持續的從日常生活中的數據中提取有效信息；（3）通過創造性思維對日常工作或休閒活動做出不同的解釋，產生不同看法或者想出更多的解決方案，來訓練被試者的認知能力。
與此同時，物理訓練對被試者的瞬時記憶 (immediate memory) 和延遲記憶 (delayed memory) 有著顯著提高。當然，物理運動對記憶能力有著提升作用的實驗結果早已被廣泛的接受了 (Erickson et al., 2011) 。在這項研究中，研究者根據2008年美國對成年人物理運動時間的建議——150分鐘/周，來制定運動項目。被試者需要每周進行3次每次60分鐘的運動，包括5分鐘的熱身，50分鐘的有氧運動，和最後5分鐘讓被試者平靜下來。而這個運動項目每周都會在騎自行車和跑步中進行輪換。
研究員對比被試者在兩項訓練中的核磁數據，發現靜息態的腦血流量（resting cerebral blood flow，CBF）存在於不同的腦區且模式（patterns）也會發生改變。在物理訓練組中，CBF的改變和記憶能力成正相關；瞬時邏輯記憶與雙側海馬區域（bilateral hippocampal regions）的CBF增加有相關關係。另一方面，在認知訓練組中，一些重要腦區顯示出顯著的血流增加，包括prefrontal，PCC, 和dACC。在任務正網絡（task positive networks, 即 fronto-parietal & cingula-opercular）和負網絡 (taks negative networks,即default mode network)中，都鑑定出CBF的增加。較快的moment—to—moment適應任務控制 (adaptive task control) 會激活fronto-parietal (FO) 網絡，而cingula-opercular (CO) 網絡被激活則是被試在進行長時間的任務維持 (task maintenance)。在另一方面，PCC是靜息網絡的關鍵部分且和失憶症和衰老有著密切的聯繫。
圖片顯示在認知訓練組中CBF的增加和行為測試成顯著的正相關
研究員們推測，認知訓練帶來的有利之處，可能源於大腦利用被經驗驅動的神經可塑性 (experienced-driven neural plasticity)，通過認知策略，促進神經活動，進而CBF在一些節點（nodes）上會發生改變，即在功能相關的認知控制 (functionally-related cognitive control)或自上而下的加工網絡 (top-down processing networks) 的節點 (nodes)上 ，CBF可能會有變化。另一方面，研究員對物理運動所帶來的有利之處，推測這些提升的記憶能力可能源於在特點區域 (即海馬體)的遺傳代謝活動的活躍 (Burdette et al., 2010)。
神經科學家們對靜息態的CBF能否作為幹預項目 (interventions) 對大腦改變的神經標記 (neural marker)一直有爭議。反對的人認為，我們並不了解CBF的增加究竟意味著是對大腦的積極還是消極的改變。而這項研究則發現CBF的增加和認知能力的提升相關，這意味著又一項證據表明CBF的增加意味著大腦功能的積極改變。但是，他們也同時小心謹慎的提出，長時間的訓練有可能會和靜息態的CBF降低有關。
這項實驗的優點在於，被試者的選取較為嚴格，且他們被隨機分配到兩個小組，採取認知，生理和神經影像等多種測量方式，多方面地在健康的老齡群體中，對比物理訓練和認知訓練對大腦的影響。而其缺點存在於樣本量太少，訓練周期較短，以及沒有嚴格控制被試者實驗外的社交，物理訓練，和認知訓練。這項研究不僅顯示了CT和PT會給大腦的哪些區域帶來變化，同時也提出，認知訓練有希望在不斷隨著年齡下滑的神經網絡中起到重塑神經健康的作用，物理訓練對記憶能力的提升有著重要作用，這對將來老年認知健康的幹涉項目有著指導意義。
picture from 500px by Gable Denis
文章引起筆者思考的問題：
1. CT和PT對有認知能力受損的老年人有幫助嗎？
答案是有幫助的，Sitzer, Twamley, & Jeste (2006) 對那些研究阿爾茲海默症患者的認知訓練實驗做了一個meta-analysis，發現CT對於他們的學習，記憶，執行功能等起作用的effect sizes是中等的 (0.47)。
2. 什麼類型的CT起到的作用最好？
CT訓練策略大體上可以分為兩種，restorative strategies 和compensatory strategies。 雖然沒有明確的研究表明，但是Sitzer, Twamley, & Jeste (2006) 發現 restorative strategies 相比較 compensatory strategies, 有著更好地effect sizes (0.54/0.36)。
PS：
補償性策略 (compensatory strategies) 的訓練主要是通過教會患者新的方法去組織或者理解信息，比如說，通過分類去記憶信息，通過多感覺通道去encoding 信息，每次只注意一次任務等。
恢復性策略 (restorative strategies) 主要是希望能夠通過訓練幫助患者恢復到以往認知水平。這種訓練會包含回憶較舊之前的事件；重複注意和記憶任務；reality orientation therapy，也就是不斷地將患者的個人信息，比如姓名，年齡等呈現出來。
這就很引出更多的問題：
1）這些訓練針對早期患者是不是更有用 (是)；
2）有嘗試過結合不同的CT或PT在一起的訓練嗎？會更有效嗎？
3）在沒有被診斷之前就進行訓練，會延遲病發嗎？
4）在和其他年齡段對比，CT和PT會導致相同的腦區還是不同的腦區CBF增加？
5）CT對大腦起到幫助的神經機制是什麼？
6）在老齡化不斷加重的今天，我們如何最大化的利用這些研究成果？
…………
這些問題，都是我們需要回答的
參考文獻：
Burdette, J. H., Laurienti, P. J., Espeland, M. A., Morgan, A., Telesford, Q., Vechlekar, C. D., et al. (2010). Using network science to evaluate exercise- associated brain changes in older adults. Front. Aging Neurosci. 2:23. doi: 10.3389/fnagi.2010.00023
Chapman, S. B., Aslan, S., Spence, J. S., Keebler, M. W., DeFina, L. F., Didehbani, N., ... & D'Esposito, M. (2016). Distinct Brain and Behavioral Benefits from Cognitive vs. Physical Training: A Randomized Trial in Aging Adults. Frontiers in Human Neuroscience, 10. (原文)
D』Esposito, M., and Chen, A. J. (2006). Neural mechanisms of prefrontal cortical function: implications for cognitive rehabilitation. Prog. Brain Res. 157, 123–139. doi: 10.1016/S0079-6123(06)57008-6
Erickson, K. I., Voss, M. W., Prakash, R. S., Basak, C., Szabo, A., Chaddock, L., et al. (2011). Exercise training increases size of hippocampus and improves memory. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 3017–3022. doi: 10.1073/pnas.1015950108
Greenwood, P. M., and Parasuraman, R. (2010). Neuronal and cognitive plasticity: a neurocognitive framework for ameliorating cognitive aging. Front. Aging Neurosci. 2:150. doi: 10.3389/fnagi.2010.00150
IOM Report (2015). Cognitive Aging: Progress in Understanding and Opportunities
for Action [Online]. Institute of Medicine of the National Academies. Available online at: http://iom.nationalacademies.org/Reports/2015/Cognitive- Aging.aspx (Accessed).
Sitzer, D. I., Twamley, E. W., & Jeste, D. (2006). Cognitive training in Alzheimer's disease: a meta‐analysis of the literature. Acta Psychiatrica Scandinavica, 114(2), 75-90.
Wagster, M. V., King, J. W., Resnick, S. M., and Rapp, P. R. (2012). The 87%. J. Gerontol. A Biol. Sci. Med. Sci. 67, 739–740. doi: 10.1093/gerona/gls140
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