认知老化的研究设计

孙立冬 张连成 郑程浩

(天津体育学院研究生部,天津 300381)

目前，我国人口老龄化形势十分严峻。随着年龄的不断增长，老年人的全身器官出现进行性衰退，作为脑功能的一个重要指标，认知功能也会出现衰退〔1〕。认知老化是指个体进入老年期后认知功能的衰退过程，即与年轻时相比，老年时的认知功能出现的衰退现象〔2〕。经过半个世纪的努力，认知老化研究取得了一定的进展，但也出现了一些瓶颈，其中研究设计问题可能是改进认知老化研究的一个重要突破口。研究设计在认知老化的发展中占据了极其重要的位置，推动了认知老化研究的发展。基于认知老化研究问题解决的迫切性和研究设计的重要性，本文将探讨认知老化的研究设计问题，主要介绍观察性研究和实验性研究的设计思路及其在认知老化领域的运用，并针对各研究设计的不足提出相应的解决策略。

1 观察性研究

观察性研究又称非实验性研究，是指没有加入研究人员的任何干预(试验的或其他方面)措施，允许事件自然发展的研究过程〔3〕。尽管观察性研究在循证医学中曾被认为是 “低质量的”、“次优的”，往往被处于边缘化地位〔4〕，但这一研究设计在心理学的历史上发挥了巨大作用。观察性研究主要包括队列研究、病例对照研究和横断面研究，下面就每种设计进行介绍，并讨论其在认知老化研究中的应用状况。

1.1队列研究 队列研究亦被称为纵向研究、随访研究、前瞻性研究或发病率研究，是跟踪所研究人群一个时期，通过反复观察，追踪其中的变化。由于此研究多是采用于大型研究，其所追踪的时期亦由数月到数十年，故研究多属流行病学的范畴〔5〕。队列研究的基本原理如图1所示〔6〕。其依据研究对象进入列队和终止观察的时间不同，尤其是获取(随访)资料的方式不同，可以将队列研究分为回顾性队列研究、前瞻性队列研究和双向性队列研究，如图2〔6〕。

图1 队列研究示意图

图2 队列研究的分类

1.1.1队列研究在认知老化领域中的运用 队列研究在认知老化领域的运用较为广泛，其中最常见的是前瞻性队列研究，回顾性队列研究和双向性队列研究较少。

Chang等〔7〕的队列研究发现，包括老年痴呆(AD)患者在内，身体锻炼组比不锻炼组在加工速度、记忆和执行功能方面都有提高，且每周锻炼≤5 h的人更不易罹患老年痴呆。Yaffe等〔8〕通过前瞻性列队研究探讨身体活动与老年女性认知能力老化之间的关系，发现高身体活动参与有益于老年女性的认知功能，会减缓其认知老化的速度。Abbott等〔9〕通过前瞻性列队研究发现，每天步行少于0.4 km的老年人罹患AD的风险是每天步行大于3.2 km老年人的1.8倍，每天步行在0.4～1.6 km的老年人罹患AD的风险也比较大。Podewils等〔10〕的前瞻性列队研究发现，休闲活动的体能消耗与AD患病风险呈负相关，载脂蛋白(Apo)Eε4等位基因携带者患AD的风险更高。Singhmanoux等〔11〕前瞻性队列研究发现，低体力活动参与是中年人认知功能(尤其是流体智力)的危险因素。研究〔12〕对轻度认知功能障碍(MCI)患者进行队列研究，结果发现身体活动可以降低MCI发展为AD的可能性。

列队研究在认知老化领域一般用来探讨影响认知功能下降的因素或引发老年痴呆的患病因素。

1.1.2队列研究的不足及解决策略 缺点：(1)研究结果可能受到高数据丢失率的影响〔7，11〕，有的研究因为队列时间相对较短，数据损失率较低〔12〕；(2)研究耗费人力、物力、财力和时间，其组织和后勤工作相当艰巨；(3)随访期间无关变量的控制较差，研究结果易受其他因素的影响；(4)样本量较大，增加了数据收集和分析的难度。

针对队列研究出现的这些问题，建议研究者做好以下工作：(1)在进行队列研究前对可能造成人员流失的可能进行预测，先做好防范工作。(2)在队列研究中积极了解被试的状况，随访间隔时间不要太长，避免被试出现意外状况。(3)在后期的数据处理中，不仅要使用重复测量方差分析、时间序列分析等传统统计方法，对新的统计分析技术如多层分析模型和潜变量增长曲线模型(LGM)也要合理运用。

1.2病例对照研究 病例对照研究亦称回顾性研究，是比较患某病者与未患某病的对照者暴露于某可能危险因素的百分比差异，分析这些因素是否与该病存在联系，是分析流行病学方法中最基本的、最重要的研究类型之一〔13，14〕，研究设计如图3〔6〕。病例对照研究的证据级别在循证医学里属于三级证据，优于无对照的病例系列和个案报告〔15〕。

图3 病例对照研究设计示意图

1.2.1病例对照研究在认知老化领域中的运用 由于病例对照研究多用于稀有疾病，所以在认知老化领域的应用较少，Andel等〔16〕进行了病例对照研究，探讨中年时期的身体锻炼与老年期罹患AD风险的关系。研究发现，轻度身体锻炼如园艺、步行等规律性身体锻炼比几乎不锻炼老年人罹患AD风险下降；身体锻炼参与较多人群比身体锻炼较少人群罹患AD的风险更低。这表明，中年时期的身体锻炼可以降低老年人时期患AD的风险，身体锻炼干预应该作为延缓AD发病的潜在策略。

由于病例对照研究多用于探讨罕见疾病，所以在认知老化领域中应用得较少。但也正是这个特点，更有助于探究老年人的特殊疾病。

1.2.2病例对照研究的不足及解决策略 病例对照研究适用于罕见疾病的研究，具有省力、省时、省钱，容易组织实施的优点〔13〕。其不足是：(1)不适于研究人群中暴露比例很低的因素；(2)难以避免选择性偏倚；(3)信息的真实性难以保证；(4)难以避免回忆性偏倚〔13〕。为了更好地发挥其优点，避免其不足，可以将病例对照研究和队列研究结合，即使用病例-队列研究。病例-队列研究又称病例参比式研究，兼有病例对照研究和队列研究两者的优点：因果关系清楚，资料可靠，论证强度高(队列研究设计)；省事省力省钱(病例对照研究的资料处理与分析)。

1.3横断面研究 横断面研究是在某一特定时间对某一定范围内的人群，以个人为单位收集和描述人群的特征及疾病或健康状况，是描述流行病学中应用最为广泛的方法。横断面研究的研究设计如图4所示〔17〕。

图4 横断面研究设计示意图

1.3.1横断面研究在认知老化领域中的运用 由于横断面研究结果有较广的推广意义，其在认知老化研究领域的应用较为广泛。Hillman等〔18〕的横断研究发现，身体活动对认知功能的促进作用具有一般性和选择性，对老年人的益处更大。Middleton等〔19〕也进行横断研究，发现在青少年期加强身体锻炼会有效降低老年人认知障碍发生的风险。Weinstein等〔20〕通过横断研究发现，背外侧前额叶皮质(DLPFC)的特定区域与抑制功能、空间工作记忆相关，有氧健身可以有针对性地减少老年人的脑萎缩，提高相应的认知功能。Gajewski等〔21〕使用事件相关电位(ERPs)探讨终身体育对老年人干扰处理的影响，发现长期的身体活动可能会使额叶皮层表现出普遍增强的活动，增强认知功能，更有效的完成Stroop干扰任务。

横断面研究是用来探讨某年龄段认知能力状况的影响因素或某阶段身体锻炼情况对老年认知的影响。

1.3.2横断面研究的不足及解决策略 综合以上认知老化的横断研究，可以看出，横断研究的优点是持续时间短，研究效率比较高。其缺点是：(1)无法清晰了解同一个个体发展的连续性；(2)只能研究相关性，不能确定因果关系，受逆向因果关系的影响〔20，22～24〕；(3)取样程序较为复杂，研究结果可能会受到其他变量的影响，不能完全消除其他潜在因素的影响〔25〕。横断面研究最大的不足是不能确定事件发生的先后顺序，无法得出因果关系。这可以结合实验性研究来解决，进行干预确定因果关系。除此之外，可以考虑采用小样本的交叉滞后相关研究设计来进行准因果的考察〔1〕。

2 实验性研究

实验性研究是将一组随机抽取的实验对象随机分配到两种或多种处理组(实验组与对照组)，实验组人为地给予或控制某因素，而对照组不给予该因素或给予安慰剂，然后观察比较不同处理因素的效应(或结果)〔26〕。实验性研究是心理学研究的主导方法，主要有实验室实验和自然实验两类〔27〕。

2.1实验室实验 实验室实验是借助各种实验仪器设备，在对实验条件严加控制的情况下进行的〔27〕，一般比较精确，但是由于对实验条件控制比较严格，与真实的生活或工作情境有较大的差异，因此，实验结果的外部效度要差一些。

2.1.1实验室实验在认知老化领域中的运用 由于实验条件控制严格，所以认知老化领域的纯实验室实验比较少。Fortune等〔28〕进行被试内实验设计，发现急性有氧运动可以有效改善反应时和记忆任务的表现。Chang等〔29〕用Stroop测验和事件相关去同步化(ERD)研究急性运动和心血管适能对老年人认知功能的影响，发现急性运动可以提高认知能力，心血管适能较高的老年人可以从急性运动中获得更大的益处。文世林等〔30〕用近红外光谱功能成像技术(fNIRS)，研究10 min中等强度自行车运动对老年人在Flanker任务中行为表现和脑激活模式的影响，发现10 min急性有氧运动促进了老年人的行为表现，在Flanker任务过程中，急性有氧运动显著提高了左侧额极区(L-FPA)的神经激活水平，且脑区神经激活的增加与认知表现的提高同步出现。

综上，实验室研究虽然样本量较小，但数据结果准确，可以对因果关系进行验证，有助于控制认知老化的影响因素。

2.1.2实验室实验的不足及解决策略 陈立〔31〕曾指出：“只要用某种实验方法，好像结果就必然是科学的，我认为现在许多心理学的研究，就不知不觉地进入这一误区……”。实验室实验存在的不足主要有：(1)过分强调数据，忽视了人的内在心理活动；(2)个别群体参加实验，样本量比较小，结论并不能广泛推广；(3)实验结论各异，结果没有得到整合；(4)难以从根本上消除“被试效应”，无法达到自然科学中研究对象的“客体”标准；(5)主试急于求成可能出现“罗森塔尔效应”，导致实验结果不真实，掩盖某些潜在变量的作用。建议：(1)将质化研究与量化研究相结合，将研究与文化意识融合到一起，考虑与现实的拟合程度，思考对现实社会的贡献程度，避免脱离社会而独立存在。(2)尽可能在不同地区进行随机控制实验，使样本更有代表性，数据更有说服力。(3)采用元分析，综合多项实验的结果，进而得出更为广泛的结论。

2.2自然实验 自然实验又称现场实验，是以尽量接近现实的情形下，构建出某种适合研究条件的环境，并在这一环境下对被试施以刺激因素，测量其所产生的结果或现象，以明确其间的因果关系的研究方法。一般自然实验的结果与真实生活或工作情境比较接近，结果具有很好的推广性。

2.2.1自然实验在认知老化领域中的运用 认知老化领域的实验性研究大多是自然实验，对被试的活动范围没有限制，只是对研究的变量(身体锻炼的类型、每次持续时间、活动的强度、每周锻炼的次数等)进行操纵，被试的生活环境没有发生变化。

Colcombe等〔32〕探究发现，老化人群的心肺适能与脑组织相关，有氧健身训练可以维持和加强老年人中枢神经系统的健康和认知功能。Lautenschlager等〔33〕进行为期24 w的随机对照实验发现，身体活动会降低记忆障碍老年人认知能力下降的风险。Erickson等〔34〕的自然实验发现海马回容量与空间记忆表现呈显著正相关；心血管适能与海马回容量存在显著正相关；有氧健身运动组不仅提升脑源性神经营养因子(BDNF)，还增加海马回容量。Eggenberger等〔35〕的随机控制实验发现多样性的认知锻炼比单一的身体锻炼对执行功能的积极影响更大。

自然实验比较适用于认知老化研究，让老年人在不受研究者过多干涉的环境中被观察研究，这样的实验结果更具说服性。在以后的研究中，应多发挥这一优势，尽可能原生态的研究认知老化课题，帮助老年人过上更幸福的生活。

2.2.2自然实验的不足及解决策略 自然实验法具有真实性、自然性和灵活性的特点。但也存在相应的不足：(1)现场实验的背景难以控制和把握，易产生情境效应；(2)样本量较小，局限于某个地区，代表性较差。解决方法：(1)关于不易控制无关变量影响的问题，在前期的研究设计中尽可能考虑到这些因素，后期数据处理时平衡或者分析这些因素带来的影响，确保研究结果的准确性。(2)关于样本代表性问题，可以在不同地区选取被试，严格控制实验条件，扩大推广性。(3)对所有自然研究的成果进行元分析，以便获得普遍性结论。

3 展 望

3.1对照-队列研究 为了弥补队列研究失访偏倚的不足及病例对照研究回忆性偏倚的不足，可以将两者结合，进行对照-队列研究。在探讨老年人罹患AD这一课题时，可以将病例对照研究与队列研究相结合：病例对照研究作为病因研究的第一阶段，筛选可疑病因，建立假设；队列研究作为第二阶段，检验假设。就像温兴祥等〔36〕提到的，神经系统的小样本研究得到的结论不能解释没有病理刺激下正常认知能力的下降，社会科学通常用大样本的调查数据和回归分析可以研究认知状况。

3.2聚合式研究 将纵向研究与横断研究结合在一起(聚合式研究)，在纵向研究图式中分段进行横断面研究。既可以在短期内了解各年龄阶段中老年人心理特点的总体状况，又可以从纵向发展的角度认识老年人心理特征随年龄增长而出现的变化和发展，还可以探讨社会历史因素对老年人心理发展产生的影响。

3.3观察性研究与实验研究相结合 以往研究只是单独进行观察或者实验，并没有两者结合的情况。可以适当对两者进行结合，先进行观察性研究确定相关性或因果关系，再进行实验控制，可以更好地消除无关变量的干扰。以确定自变量与因变量的关系，使之更具说服力。

为了解决认知老化的机制问题，可以开展实验设计，进行基础研究。为了解决认知老化的影响因素，比如身体锻炼对认知老化的减缓和预防作用，可以将纵向列队研究与实验室研究相结合：列队研究可以揭示随时间变化身体锻炼与认知老化的关系，但不能揭示因果，此时应选择较小样本的实验性研究，比如控制水平最高的随机控制实验以及准实验等。为了更深入了解影响老年人认知老化的各种因素，可以进行自然实验与实验室实验相结合的实验设计，前者既可以对实验进行控制，又可以了解老年人的日常生活环境，后者在确定影响因素后可以进行验证。