使用新型基于平板电脑的认知情绪评估工具 EmoCogMeter 评估认知功能的年龄相关变化

摘要

我们测试了一款基于平板电脑的应用程序（EmoCogMeter）在研究年龄对认知功能影响方面的可用性。结果表明，认知功能随年龄增长而下降，从而证明了我们应用程序的可用性。研究结果强调了基于平板电脑的应用程序在认知功能障碍的检测与监测方面具有重要的临床和实际应用潜力。

摘要

本研究的主要目标是评估一款基于平板电脑的应用程序（EmoCogMeter）在378名健康受试者（年龄范围18-89岁）中用于研究年龄对生命周期内认知功能影响的可用性。研究结果与既往发现一致，我们观察到在多种神经心理学领域（记忆、注意力、执行功能）均存在与年龄相关的认知功能下降，从而验证了该平板电脑应用程序的可用性。无论受试者先前是否具有计算机使用经验，所有年龄组的受试者均能够在无需实验人员指导或反馈的情况下完成任务。动机增强和依从性提高被证明有利于任务表现，从而可能提升研究结果的有效性。我们具有前景的研究结果凸显了基于平板电脑的应用程序在认知功能障碍的检测与监测方面所具备的重要临床与实际应用潜力。

引言

人类衰老伴随着所有认知领域的功能衰退，但与前额叶皮层和内侧颞叶相关的功能衰退可能尤为显著，例如工作记忆（WM）、情景记忆和执行功能（Bäckman et al.¹, Brehmer et al.², Shing et al.³, West⁴）。相应地，脑成像研究表明，前额叶和中颞区的体积减少最为明显（Raz et al.^5,6），且这些区域内部及之间的功能改变可能与年龄相关的认知变化有关（Sander et al.⁷, Park and Reuter-Lorenz⁸）。分子成像研究提示，与年龄相关的多巴胺减少可能是多种认知任务受损的重要中介因素（Bäckman et al.^9,10; Erixon-Lindroth et al.¹¹, Volkow et al.¹²）。大量证据表明，老年人的感知和认知能力可能因情绪性刺激而得到增强。老年人在注意力、识别及情绪记忆增强等指标上对正性情绪刺激表现更优的趋势，被称为与年龄相关的正性效应（age-related positivity effect）（Charles et al.¹³, Mather and Knight¹⁴, Löckenhoff and Carstensen¹⁵, Grühn et al.¹⁶, Isaacowitz et al.¹⁷），这可能反映了随着生命终点临近，个体动机目标发生了变化（Carstensen and Löckenhoff¹⁸）。

认知功能的神经心理学测试通常采用纸质测试或基于工作站的计算机测试，但在对老年受试者进行测试时可能会遇到困难。首先，运动功能受损可能限制纸质测试的使用；其次，老年受试者通常不熟悉键盘、触摸板或其他在计算机神经心理学测试中使用的输入设备。因此，老年受试者在神经心理学测试过程中常常表现出较低的动机或依从性，这可能影响其表现，并降低研究结果的有效性。此外，无论是纸质测试还是基于工作站的计算机测试，均需要实验人员持续在场以提供指导和反馈，并记录测试结果，而这些结果又很少被录入数据库，因此仅有极少数人能够获取。因此，这种"传统"的神经心理学测试方法耗费大量人力资源，增加了结果转录出错的可能性，限制了数据的可及性，并减慢了工作流程。

我们的目标是测试一种基于平板电脑的应用程序，用于评估多个神经心理学领域。我们采用了一款iPad应用程序，因为我们假设，这种简单的工具可能成为在临床和门诊环境中快速有效地筛查和追踪认知缺陷的方法。无论年龄如何，受试者都应能够在无需实验人员指导或反馈的情况下独立完成任务并完成测试。我们假设，触摸屏相比其他应答设备（例如 触控板或键盘）更具直观性，尤其适用于不熟悉计算机的年长受试者。更高的依从性和任务执行动机可能提高结果的有效性，同时为实验人员带来的优势包括标准化且节省时间的测试流程、测试结果安全地传输至数据库，以及数据存储与分析的便利化。

方案

1. 受试者

我们招募了541名心理和躯体健康的男性与女性受试者（年龄44.47±9.41岁；范围18-89岁；智商113.90±12.73）。所有受试者均以德语为母语水平。本研究遵循《赫尔辛基宣言》的最新版本，并经德国心理学会机构审查委员会批准。所有受试者在筛选前均签署书面知情同意书，并获得参与报酬。

2. 研究设计

EmoCogMeter 是一款基于 iPad 的应用程序，包含 7 项神经心理学测试，旨在研究多个领域的认知功能。每次测试前，屏幕上会显示简短的指导说明和演示。实验过程中，实验人员不提供口头指导或反馈。受试者完成整个测试过程大约需要 25 至 30 分钟。

1. 神经心理学测试
   1. 学习与记忆
      1. 记忆广度
         向受试者呈现一系列数字，并要求其立即输入所看到的数字。从2位数字开始，若受试者能够正确回忆，则提供更长的数字序列。
         1. 任务在5分钟后结束，或在受试者成功回忆出9位数字时提前结束。记录其数字广度以及达到该水平所需的总试验次数。
      2. 工作记忆
         让受试者观看一系列正面、负面和中性词汇，并要求其判断当前词汇是否与前两次呈现的词汇相同。
         1. 任务在5分钟后结束，记录正确反应次数（命中）、错误反应次数以及反应的平均潜伏期。
   2. 注意力与集中力
      1. 选择性注意
         采用Stroop任务的一种变体，要求受试者判断屏幕上所写字词的颜色名称是否与其显示的墨水颜色一致。
         1. 任务在3分钟后结束，记录正确反应次数（命中）、错误反应次数、遗漏反应次数以及反应的平均潜伏期。
      2. 持续性注意
         使用包含轻微工作记忆成分的任务。在屏幕中央以伪随机顺序呈现由多个小蓝圈和黄圈组成的圆形图案。
         1. 指示受试者检测并响应“蓝-黄-黄”的序列。任务在4分钟后结束，记录正确反应次数（命中）、错误反应次数和遗漏反应次数。
   3. 执行功能
      1. 连线测试B（Trail Making Test B）
         用于检测任务切换能力，要求受试者在屏幕上依次交替连接13个数字和12个字母。若受试者出现错误，则不显示连接线，并且在未选择正确连接前不得继续任务。
         1. 若在90秒内未能成功完成任务，则终止测试。记录完成任务所需的总时间。
      2. 河内塔（Tower of Hanoi）
         用于评估计划能力以及通过一系列中间步骤实现目标的能力。使用包含三根柱子和四个尺寸依次递减的圆盘的版本。
         1. 告知受试者必须按照以下规则将整叠圆盘移动到另一根柱子上：（1）每次只能移动一个圆盘；（2）每次移动需将某根柱子最上方的圆盘取下，并滑动至另一根柱子的顶部，可置于该柱子上已有的其他圆盘之上；（3）任何圆盘不得放置在比它更小的圆盘之上。
         2. 若受试者在4分钟内未能达成目标，则终止测试。记录解决问题所需的时间以及完成任务所需的移动次数。
   4. 信息处理速度
      符号-字母模式测试（Symbol Letter Modalities Test）
      在屏幕上方呈现9个字母及其对应的几何符号，在屏幕下方显示多行字母，要求受试者尽快将每个字母对应的符号移动至其下方。
      1. 在规定时间（90秒）内记录正确反应次数（命中）、错误反应次数、遗漏反应次数以及反应的平均潜伏期。
2. 统计分析
   对于检测工作记忆、选择性注意和持续性注意的测试，我们定义了准确率公式：((命中数 - 错误数) / 目标刺激总数) × 100。所有数据均采用多变量方差分析（MANOVA），组间因素为年龄组和性别。在适当情况下应用Greenhouse-Geisser校正。若MANOVA显示存在显著的主效应或交互效应，则进一步采用t检验进行比较分析。

结果

由于技术问题，19名受试者的数据未能记录。其余所有受试者（N=522）均完成了测试，并被分为3个年龄组（青年组：18-30岁；中年组：31-59岁；老年组：60-89岁）。这些组中的参与者在性别和智商方面进行了匹配，最终样本量为N=378（见表1）。三个年龄组在所有神经心理学测试中的表现汇总见表2。

学习与记忆

记忆广度

年龄对数字广度存在主要效应（F(2)=15.99，p= .000），老年人的数字广度低于年轻人（p< 0.01）和中年人（p< 0.01）（见图5）。年轻人与中年人之间无显著差异。各年龄组在所需总试验次数上无差异，性别对记忆广度无显著影响。

工作记忆

年龄对准确性存在主效应（F(2)=21.19，p=...

讨论

本研究的主要目标是评估基于平板电脑的应用程序在探究年龄对整个生命周期认知功能影响方面的可用性。正如所假设的，受试者在大多数神经心理学领域表现出与年龄相关的衰退。对于某些认知功能，例如记忆广度、工作记忆准确性和选择性注意，其衰退似乎在生命后期才出现，因为仅在中年与老年受试者比较时才观察到该现象。其他认知功能，主要是反应潜伏期、持续注意、处理速度和执行功能，在中年时期似乎已经受到影响。在工作记忆任务中观察到性别对反应时间的影响，女性在整个生命周期中反应时间持续增加，而中年男性的反应时间则比年轻和老年男性更短。老年女性的反应时间长于男性仅在负性刺激条件下出现，在正性或中性刺激条件下则未观察到该差异。此外，无论年龄如何，女性均表现出认知规划速度减慢。

我们的研究结果证实了以往关于认知能力随年龄增长而广泛下降的发现（Baltes 和 Lindenberger¹⁹, 克雷克与罗斯²⁰, Hayden 等²¹）。记忆功能的变化可能由生命后期出现的内侧颞叶区域白质完整性和体积的减少所介导（Raz...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
词汇测试 (WST)	http://www.testzentrale.de/programm/wortschatztest.html		智力评估
柏林情感词表 (BAWL)	Võ et al., 2009		工作记忆任务的刺激材料
Predictive Analysis SoftWare, 版本 18.0	SPSS Inc.		统计分析
iPad	http://www.apple.com/de
EmoCogMeter	http://anem.charite.de/anem		用于认知功能障碍检测与监测的应用程序