【老年心理】高龄老人的执行功能

摘要：执行功能的随年龄变化，解释了在多种方面观察到的老年人的行为和思维特点。以往通过动物实验和前额叶损伤患者的类比研究来理解老人执行功能的下降，近年来的研究成果则表明，老年人行为和思维的变化不仅仅是前额叶功能下降，还包括前额叶在内的脑网络工作方式随年龄变化。这为研究老年人执行功能和理解高级认知功能提供了新的视角。

关键词：执行功能、抑制功能、认知灵活性、额叶

一、执行功能(Executive function)

Executive在汉语世界多半翻译成"行为"或"行动"等，也就常说的"言行一致"中的"行"的意思。而在心理学领域更多地翻译为"执行"。虽然多种译法都无法完全传达executive的含义，但在本章中将使用"执行"一词和组词"执行功能"。并且定义执行功能是"为实现某个行为目标、维持思维(思路)或进行准确的决策，通过自上而下的努力控制认知处理过程的功能"。

在心理学中执行功能的概念，最初是为了解释前额叶受损的实验动物（如猴子）难以执行需要保持目标的任务，或前额叶受损患者在日常行为中表现出重复行为、难以灵活切换行为等机制而建立起来的。一般认为，前额叶受损后观察到的障碍不仅限于特定的行为或任务，而是在各个方面都能观察到，因此被认为是由于任务之间共同的高级控制功能受损导致的。原因是控制感官信息处理、记忆检索和保持、行为选择和执行等各过程的指挥塔(中枢)功能受损了。针对健康个体的大脑活动测量研究结果表明，前额叶与执行功能的密切关系。此外，随着年龄的增长前额叶功能下降，并且已经被研究确认了老年人的执行功能下降，主要是由于前额叶功能下降是导致的。具体过程是随着年龄的增长，行为执行过程中目标导向行为变得困难，或难以抑制习惯化的行为。这些在日常生活中经常出现的问题，更有必要深入研究老年人的执行功能机制。

Miyake等人对137名大学生进行了9项执行功能研究中常用的任务，并对其成绩数据的个体差异进行了潜在结构分析。结果显示，执行功能由①任务或心态转换（shifting），②工作记忆表象的更新（updating）和监控，③抑制优势反应（inhibition）这三个要素构成。其中①任务或心态转换和③抑制优势反应两个要素与执行功能关系密切，也在心理学中对认知功能的研究与实验任务的发展密不可分。

二、抑制优势反应

随着年龄的增长，执行功能的变化之一是抑制优势反应功能的下降。例如，老年人更容易突然开始脱离语境的对话或做出不合适的社会性发言。年轻人即使脑中浮现出这样的言语，也不会随意说出口，而老年人由于抑制优势反应功能下降，无法抑制无关的思维（mind wandering），最终会脱口而出。此外，还有一些老年人日常生活中的行为倾向，也可以用抑制优势反应功能下降来解释，心理学已经通过各种典型任务的效应研究了抑制功能的特性。

2.1 斯特鲁普效应（Stroop Effect）

斯特鲁普效应是一种心理学现象，反映了自动化处理与控制处理之间的冲突。它由美国心理学家John Ridley Stroop在1935年首次描述。斯特鲁普效应通常通过一个实验来展示。在实验中，参与者会看到一系列彩色的单词，这些单词的内容是颜色名称（如"红"、"蓝"、"绿"等），但单词的颜色可能与其含义不符（例如，"红"这个词以蓝色字体显示）。参与者的任务是尽可能快地说出单词显示的颜色，而不是阅读单词本身的内容。实验结果通常显示，当单词的颜色与其含义不匹配时，参与者反应速度会变慢，并且更容易出错。这种现象说明了阅读单词（自动化过程）与识别颜色（控制处理）之间的干扰作用(图-1)。斯特鲁普效应反应了，在需要抑制由学习自动激起优势反应(如，望文生义)的同时进行辨识单词与颜色关系的非优势反应的心理情况。斯特鲁普效应被广泛用于研究注意力、认知控制、信息处理速度等方面的心理过程，尤其是在研究执行功能和大脑的前额叶皮质活动时具有重要意义。

图-1 斯特鲁普效应实验

多项研究报告了随着年龄的增长，斯特鲁普效应的增加。随着年龄的增长，单词的颜色与其含义不一致条件下的反应时间延长，错误也增加。Stroop效应反映了对优势反应的抑制功能，由于抑制优势反应功能随着年龄增长而下降，抑制单词颜色与其含义不一致单词的优势反应变得困难，更容易受其优势反应发生的干扰，从而导致反应延迟或抑制失败，错读单词。然而也有研究认为，斯特鲁普任务的成绩下降可通过大脑内总体处理时间的延迟来解释，并不支持斯特鲁普效应反映抑制功能的观点。老年人的斯特鲁普效应通常表现为更强的干扰效应，即他们在执行斯特鲁普任务时，比年轻人更容易受到自动化处理（如阅读单词）优势反应的干扰，导致反应时间更长，错误率更高。造成这种现象主要是由于以下几个因素：

认知控制能力的下降：随着年龄的增长，老年人的前额叶皮质功能逐渐下降，而前额叶皮质在抑制自动反应和控制注意力方面起着关键作用。因此，老年人在面对冲突任务时，如斯特鲁普任务，往往难以抑制自动化的阅读反应。

信息处理速度的减慢：老年人的信息处理速度通常比年轻人慢，这意味着他们需要更多时间来识别颜色并抑制阅读单词的冲动。这也导致在斯特鲁普任务中的反应时间延长。

工作记忆的减弱：工作记忆与认知控制密切相关。随着年龄的增长，老年人的工作记忆容量可能会减少，这使得他们更难以同时处理多个信息源（如单词的含义和颜色），从而加剧了斯特鲁普效应的影响。

老年人在斯特鲁普任务中表现出更强的干扰效应，反映了随着年龄增长，认知控制和执行功能的下降。这一效应不仅是研究认知老化的重要指标，也是理解老年人在日常生活中可能遇到的认知挑战的关键。

2.2 注意捕捉

注意捕捉常用到研究人类视觉注意和信息处理的能力的视觉搜索任务（Visual Search Task）的心理学实验，该实验中参与者需要在一组视觉刺激中找到特定的目标物体。视觉搜索任务通常用于研究人们如何在复杂的视觉环境中定位目标，并探讨不同因素如目标与背景的相似性、目标的数量、以及分散注意力的干扰物对搜索效率的影响。

典型的视觉搜索任务分复杂搜索（Conjunction Search）和简单搜索（Feature Search）。在复杂搜索任务中，目标物体与干扰物在多个特征上有相似性。例如，在一组绿色圆圈和红色方形中寻找一个红色圆圈。在这种情况下，参与者需要将多个特征结合起来进行搜索，搜索时间通常随着干扰物的数量增加而增加。在简单搜索任务中，目标物体与其他干扰物在某个单一特征（如颜色、形状）上存在明显差异。例如，在一组绿色圆圈中寻找一个红色圆圈。由于目标物与背景差异明显，参与者可以快速且自动地找到目标(图-2)，搜索时间通常与干扰物的数量无关。

视觉搜索任务可应用在多个心理学研究领域。如在注意力研究方面，视觉搜索任务可以帮助研究者理解选择性注意的机制，即如何在众多信息中选择相关信息。又如在认知负荷研究方面，通过测量参与者在不同任务条件下的反应时间，研究者可以推测不同认知任务对大脑的负荷程度。

视觉搜索任务在老化研究方面，常用于研究老年人和年轻人在处理视觉信息时的差异，探讨随着年龄增长，视觉注意力和信息处理能力如何变化。老年人在视觉注意和眼球运动控制中，更难忽视与任务无关的对象。在Kramer等人的研究中，六个灰色圆圈被显示在注视点周围的虚拟圆上，每个圆圈内都有一个数字"8"（图-2）。1秒后，六个圆圈中的五个变成红色，同时其中的"8"变为不同的字母。实验参与者的任务，是将眼睛移动到颜色与其他颜色不同的元素（没有变化的元素:保持灰色的颜色），并阅读并报告里面的字母，这种任务称为视觉搜索任务。在与任务无关的干扰条件下，除这六个圆圈外，还出现了一个新的红色圆圈（干扰元素）。在图-2所表示实验条件下，老年人有36%的试验中将视线移向了干扰元素，而年轻人仅为14%。这些结果表明，尽管存在寻找灰色对象的目标导向行为，但注意力仍被任务无关的新干扰元素吸引。长期以来已知，新出现的视觉元素由于其显著性，通过自下而上的方式吸引注意力，在这个任务中，测试了在抵制这种自下而上的注意力捕捉（称为注意捕捉）时，是否能根据行为目标控制注意力移动。结果表明，老年人比年轻人更频繁地被任务无关的信息错误吸引。这种现象被解释为老年人在处理无关信息或抑制反射性眼球运动方面的功能下降。

图-2 注意捕捉实验

参与者将眼球移动到目标屏幕中颜色不同的目标，并报告其中显示的字母。

(Kramer AF, Hahn S, Irwin DE, Theeuwes J:Age differences in the control of looking behavior;Do you know where your eyes have been? Psychol Sci,11(3):210-217,2000 改编引用)

视觉搜索任务在现实中的应用可以延伸到老年人的许多日常活动中，例如寻找杂乱桌面上的钥匙、在超市货架上找到特定的商品等。在这些情境中，老年人的大脑需要高效处理视觉信息，以从复杂的背景中迅速定位目标物体。这显示了维持老年人IADL能力的极端重要性。

2.3 抑制优势反应与脑功能

除了这里提到的视觉搜索任务外，还设计了许多其他被认为反映抑制优势反应功能的任务的实验研究，如反眼跳任务（anti-saccade）、去/不去任务（go/no-go）、停止信号任务（stop-signal）等，研究结果都报告了随着年龄的增长执行成绩下降的事实。上述提到的各任务分别反映了不同认知处理层面的抑制。如注意力或眼球运动的误导被认为是视觉信息处理或眼球运动层面的抑制，而Stroop任务被认为是语音信息处理层面的抑制。同时这些涉及抑制功能的任务中，一致地表现出年龄的影响。

对年轻人执行涉及不同抑制任务时的脑活动进行总结的荟萃分析(Meta-analysis)表明，即使在不同的任务之间，下前额回、补充运动区、后顶叶区域、背外侧前额叶和岛叶等部位的活动也被一致观察到。因此，可以推测一个以额叶-顶叶为中心的抑制功能网络，这个网络随着年龄的增长而功能下降，从而影响了各种任务的成绩以及日常生活中的思维和行为。

三. 认知灵活性（cognitive flexibility）

认知灵活性是指根据当时的情境，适当切换行为目标或规则的能力。老年人在日常生活中常被认为顽固或不通融，这类特有行为可以通过认知灵活性的机制来解释。

3.1 威斯康星卡片分类测验（Wisconsin card sorting test；WCST）

前额叶功能的神经心理学检测之一是威斯康星卡片分类测验（WCST）。在这个测验中，患者会得到一套卡片，卡片上绘有1至4个不等数量的图案（如圆形、星形等），并以四种颜色中的一种着色。患者需要根据颜色、形状或数量对卡片进行分类。研究者预先决定一个正确的分类标准，并只告诉患者其分类是否正确。患者通过反复尝试来找到正确的分类标准。一旦找到正确标准，患者就可以继续根据该标准分类。然而，当连续多次答对后研究者会改变正确的分类标准。也就是说，尽管患者依据之前正确的标准分类，但是，突然会被告知是错误的。此时，患者需要从之前的分类策略切换到新的策略。然而，典型的前额叶损伤患者往往会继续按照先前正确的标准分类，即使已被告知是错误的（这种错误被称为保留性错误）。老年人也比年轻人更容易出现保留性错误，即相较于年轻人老年人在策略切换上不够灵活。

3.2 任务切换

尽管威斯康星卡片分类测验(WCST)涉及寻找下一个正确答案的探索过程，但在更简单的任务中，任务切换中的年龄效应同样明显。在一般的任务切换实验中，参与者需要根据线索（或预先设定的规则）在两种任务之间切换，并记录其执行表现（主要是任务反应时间）（见图-3a）。例如，在提示为颜色（color）的情况下，参与者需判断呈现图形的颜色，并通过按键作答；在提示为形状（shape）的情况下，则需判断图形的形状按键作答。过程中提示以随机顺序呈现，参与者需要根据提示切换或不切换判断提示内容的属性。与仅有一个提示固定在整个实验区间呈现的单一任务条件相比，切换条件下的任务执行时间更长（称为整体成本，见图-3b）。尤其是在老年人群中，这种整体成本更为显著。老年人由于任务策略更新功能下降，使得在两个策略之间的灵活切换变得困难。另一方面，即使在切换条件下，当参与者刚刚完成与当前任务不同的任务（任务切换试次）时，任务执行时间会比刚刚完成相同任务时（任务重复试次）更长（部分成本，见图-3b）。对于部分成本的年龄影响，目前研究的结果还不一致，有的研究显示老年人部分成本更高，而有的研究则未发现显著的年龄差异。

图-3 任务切换程序的实验

a: 典型的任务切换程序的刺激例子。实验参与者根据框架上的提示，判断随后呈现的图形颜色或形状。

改编出处：Mayr U:Age differences in the selection of mental sets;The role of inhibi-tion, stimulus ambiguity, and response-set overlap. Psychool Aging,16(1): 96(2001).

b: 根据与前一个提示的关系，测量并计算判断图形所需的平均反应时间。

3.3 认知灵活性与其他执行功能的关系

在执行功能任务中，不仅限于任务切换而且保持目标的能力至关重要。例如，在斯特鲁普任务中，需要持续保持"回答颜色名称"这一任务目标；在视觉搜索任务中，需要在任务期间保持对特定目标的反应。这种目标表象或任务策略的保持涉及工作记忆功能，而与工作记忆相关的大脑区域也与认知灵活性有关。此外，在任务切换过程中，切换到新任务时，需要抑制先前任务策略的过程。因此，构成执行功能的各要素并非完全独立。

四，与更高层次任务的关系

基于医学角度，涉及脑高级功能障碍的诊断与治疗时，脑的规划、决策（特别是在没有明确答案的情况下进行决策）、前瞻性记忆等日常生活中密切相关的高级执行功能受到关注。前瞻性记忆指的是将未来需要执行的事项在适当的时机准确回想并执行的功能。例如，记住"饭后服药"，并在吃完饭这一提示下回想起服药并加以执行。老年人由于这类事件提示的前瞻性记忆功能下降，可能会出现忘记服药等问题。除了前瞻性记忆功能的下降外，规划，IADL等高级功能伴随年龄增加而下降。

4.1 规划

在日常生活中，有时需要事先制定一系列行动计划并按照计划执行。这种能力称为规划。评估规划功能的任务包括河内塔(Tower of Hanoi)或伦敦塔(Tower of London)。 图-4是伦敦塔任务的例子。在这个任务中，从左端的初始状态开始，需要在规定的步数内移动珠子，使其形成不同的最终状态。在此过程中，每次只能将一颗珠子从一个柱子移动到另一个柱子，并计为一步。由于柱子的长度不同，每个柱子上最多能放的珠子数量也不同。伦敦塔任务的成绩以开始执行前的时间、执行所需时间、正确数（或到达目标状态所需的步数）等为指标。老年人在这些指标上相较于年轻人表现下降。老年人在事前准确制定计划或按照制定的计划执行行为方面更加困难。这个任务不仅涉及为了记住计划所需的工作记忆和使选择下一个珠子成为可能的认知灵活性，还需要在某些规则的限制下通过试错制定计划的认知活动。尤其是在为了实现最终目标状态时，需要层次化生成单个珠子移动的局部目标系列。实验统计报告表明，生成目标层次的深度尤其容易受到年龄的影响。

图-4 伦敦塔任务

从初始状态开始，逐个移动珠子以形成最终状态。要求在最短的步数内完成（1）~（3）的最终状态。

（改编自Shallice T: Specific impairments of planning. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci, 298(1089):199-209, 1982）

4.2 工具性日常生活活动能力（IADL）

有研究表明，执行功能与老年人的日常生活密切相关。Miyake等人针对老年人进行了三个领域的执行功能测试，同时进行了金钱管理和生活空间移动等工具性日常生活活动能力（instrumental activities of daily living, IADL）的自我评估，以及实际行为基础的IADL评估。结果显示，执行功能测试成绩与IADL自我评估之间没有因果关系，但与行为基础的IADL之间存在关联。特别是，认知灵活性与实际IADL行为的执行之间表现出强烈的因果关系。例如，金钱管理等行为需要根据当时的目标灵活选择和切换最优的行为。该结果表明，执行功能是日常生活中认知行为的基础。

五. 执行功能相关的脑活动的年龄变化

5.1 随年龄变化的后枕前额转换（PASA）

随着年龄的增长，大脑活动会发生宏观变化。比较年轻人和老年人在执行视觉认知任务时的大脑活动发现，年轻人主要在与视觉信息处理相关的枕叶和颞叶区域活动，而老年人这些脑后部的活动减少，前额叶活动显著增加。这种大脑活动模式的宏观变化被称为随年龄变化的后枕前额转换（posterior-anterior shift with aging, PASA）。此外，年轻人在某些任务中只激活前额叶的某一侧，而老年人则会在相同任务中激活双侧。这些随年龄变化的大脑活动区域的变化，被认为是由于某些特定区域功能下降，而由其他区域（主要是前额叶）进行补偿的结果。在后枕前额转换（PASA）的情况下，是通过前额叶的自上而下控制来弥补枕叶和颞叶的视觉信息处理相关区域功能的下降，以维持任务的表现。

5.2 随年龄变化的早期-后期转换（ELSA）

近些年研究表明，随着年龄增长大脑活动区域不仅发生变化，执行任务时大脑活动的时间特性也发生变化。研究执行任务时大脑活动经常使用的是AX-CPT（AX-连续性操作任务，AX-Continuous Performance Task）评估工具。AX-CPT是一种常用于认知心理学和神经科学研究的任务，用来评估前额叶皮层功能，尤其是与工作记忆、注意力和执行功能相关的认知过程。AX-CPT任务中的脑活动测量是通过各种神经影像技术（如功能性磁共振成像fMRI、脑电图EEG或近红外光谱成像NIRS）来观察和分析大脑在执行该任务时的活动模式。使用AX-CPT（AX-continuous performance task）任务测量脑活动的基本场景，是向实验参与者连续呈现两个画面。首先显示一个提示词（一个英文单词），然后显示目标词（另一个英文单词）。实验参与者被要求在提示词是FATE并且目标词是LIME时按下食指键，其他情况下按下中指键。实验进行时，实验参与者可以在提示词出现时准备好相应的反应，当提示词是FATE时，若目标词是LIME则按下食指键，否则按下中指键；当提示词不是FATE时，不论目标词是什么，都按下中指键。研究发现，年轻人在提示词出现时前额叶活动增加，而老年人未观察到这种反应，但在目标词出现后，老年人的前额叶活动与年轻人相同。即，年轻人在目标词出现前已通过提示词激活前额叶，处于主动准备状态（pro-active），而老年人在目标词出现后才激活相同区域，进行反应选择（reactive）。这种时间特性的差异在其他任务研究中也有发现，被称为随年龄变化的早期-后期转换（ELSA）。

执行功能涉及认知功能的灵活运用，而老年人难以灵活地运用认知功能。执行功能包括维持和转换任务心态、更新和监控工作记忆的内容、抑制与任务无关的信息或反应等多个下位功能。这些功能都可能随着年龄的增长而衰退。此外，规划能力和手段性日常生活活动能力等更高级的功能也会受到衰老的影响。这些执行功能主要由大脑的额叶负责，但最近的研究表明，即使是同样的任务，老年人和年轻人使用的大脑部位可能不同，或在不同的时间点使用。这些关于执行功能的研究发现对于理解老年人在日常生活中的行为特征及其面临的困难非常重要。

杨金宇 初稿(健康界): 2024.8.15

引用资料：

[1] 最新老年心理学 単行本 2018/7/10 松田 修 (編集) 出版社: ワールドプランニング

[2] 高齢者の実行機能 熊田 孝桓 最新老年心理学 P51 松田 修(編集) (出):ワールドプランニング

[3] Meta-analysis（荟萃分析）俗称"分析的分析"，收集多项研究并进行统计分析，从各个角度整合它们这是一种涉及比较的分析研究方法。

[4] ChatGPT 3.5

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