梅劍 楊子燚 陳爽 潘宜康 袁小英 王二磊 岳春林

1 蘇州大學(xué)體育學(xué)院（蘇州215000）

2 蘇州大學(xué)附屬第二醫(yī)院影像科

太極拳是我國一項(xiàng)傳統(tǒng)的有氧運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方式柔和、緩慢，吸引了越來越多的老年人[1]。研究表明，身體鍛煉可能有助于優(yōu)化大腦的結(jié)構(gòu)形態(tài)和功能，進(jìn)而延緩認(rèn)知老化[2-3]。

靜息態(tài)功能磁共振成像（resting state functional magnetic resonance imaging，R-fMRI）是研究靜息狀態(tài)下大腦皮層的血氧水平依賴性（blood-oxygen-level dependence，BOLD）信號(hào)的自發(fā)活動(dòng)，反映神經(jīng)元活動(dòng)引發(fā)的局部血流動(dòng)力學(xué)改變。比率低頻振幅（fractional amplitude of low frequency fluctuation，fALFF）可以從能量的角度反映各個(gè)體素在靜息態(tài)大腦自發(fā)活動(dòng)水平的高低[4]，能更好地反映大腦功能網(wǎng)絡(luò)特征。腦成像技術(shù)的快速發(fā)展，為練習(xí)太極拳延緩老年人認(rèn)知功能衰老的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制提供了新的研究方法。

現(xiàn)有研究表明太極拳可能是延緩老年人認(rèn)知老化的安全有效的鍛煉方式[5]。本研究通過靜息態(tài)磁共振技術(shù)研究太極拳組與步行組fALFF 值的差異，探討長期太極拳鍛煉是否可以改善腦功能，延緩認(rèn)知衰退。

1 對(duì)象與方法

1.1 被試

本研究招募了46 位老年女性參與本次實(shí)驗(yàn)。基本篩選標(biāo)準(zhǔn)為：聽力正常，無嚴(yán)重軀體疾病，無精神疾病家族史。排除精神障礙或藥物、酒精依賴者，患有嚴(yán)重的腦神經(jīng)系統(tǒng)疾病、肌肉骨骼系統(tǒng)疾病或其他運(yùn)動(dòng)禁忌癥。其中1人因有嚴(yán)重幽閉恐懼癥、3人因頭動(dòng)過大而排除。最終42位參與者符合本次實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

本研究楊氏太極拳專業(yè)組（太極拳組）共納入20人，每周練習(xí)楊氏太極拳5±1次，每次1.5 h左右，堅(jiān)持鍛煉6年以上。平均年齡62.81±3.02歲，受教育年限為9.05±1.96年。其中10 人為國家級(jí)社會(huì)體育指導(dǎo)員，8 人為一級(jí)社會(huì)體育指導(dǎo)員，2 人為二級(jí)社會(huì)體育指導(dǎo)員。步行組22人，平均年齡63.55±3.04歲，受教育年限8.73±2.21年，以步行為主要鍛煉方式，每周不少于5次，每次不低于1.5 h，堅(jiān)持鍛煉6年以上。

實(shí)驗(yàn)開始前，告知被試本次試驗(yàn)的目的、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及實(shí)驗(yàn)過程中的注意事項(xiàng)，所有被試者都是自愿參加本研究，并簽署了知情同意書。

1.2 行為學(xué)數(shù)據(jù)采集

N-back范式是讓被試者將當(dāng)前所呈現(xiàn)的刺激與倒數(shù)第n 個(gè)刺激進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行按鍵反應(yīng)。N-back被認(rèn)為是測(cè)量工作記憶中更新功能的重要范式[6]。更新是指根據(jù)新呈現(xiàn)的信息不斷更改工作記憶的過程，體現(xiàn)了人們不斷對(duì)記憶中內(nèi)容進(jìn)行修正的能力[7]。Friedman等研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于其它中央執(zhí)行功能，工作記憶的更新功能與高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)之間的關(guān)系最為密切[8]。

本實(shí)驗(yàn)采用2-back 范式，刺激的呈現(xiàn)以及反應(yīng)記錄均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。實(shí)驗(yàn)刺激程序用E-prime2.1編制而成，實(shí)驗(yàn)的刺激材料由20 cm×20 cm的1～9數(shù)字呈現(xiàn)于白色的背景圖像上，整個(gè)刺激出現(xiàn)在屏幕中央。采用戴爾17 英寸的液晶顯示器，分辨率為1024×768，實(shí)驗(yàn)時(shí)的屏幕背景為白色。實(shí)驗(yàn)采用event 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，一個(gè)trial的時(shí)間序列為：注視點(diǎn)“＋”呈現(xiàn)時(shí)間在300～600 ms之間，刺激呈現(xiàn)500 ms，到下一個(gè)刺激出現(xiàn)前隨機(jī)的2400～2700 ms 為反應(yīng)時(shí)間，其中匹配刺激與不匹配刺激比例為1∶1，以偽隨機(jī)循序呈現(xiàn)正式測(cè)試，正式測(cè)試為100個(gè)trial。受試者的任務(wù)是判斷當(dāng)前出現(xiàn)的數(shù)字和它前面隔一個(gè)出現(xiàn)的數(shù)字是否相同，并記錄被試的正確率與反應(yīng)時(shí)（圖1）。實(shí)驗(yàn)過程：受試者坐在隔音的房間里，在計(jì)算機(jī)屏幕上會(huì)呈現(xiàn)指導(dǎo)語，受試者理解實(shí)驗(yàn)任務(wù)后進(jìn)行練習(xí)程序，練習(xí)結(jié)束后進(jìn)入正式實(shí)驗(yàn)，要求受試者注意計(jì)算機(jī)屏幕中央，刺激出現(xiàn)時(shí)迅速按鍵反應(yīng)，被試者距離屏幕約60 cm，正式實(shí)驗(yàn)時(shí)間大約為5 min。

圖1 2-back范式刺激呈現(xiàn)示意圖

1.3 磁共振數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和fALFF值的計(jì)算

1.3.1 磁共振圖像數(shù)據(jù)采集

磁共振圖像采集于蘇州大學(xué)第二附屬醫(yī)院MRI磁共振室的飛利浦3.0T 磁共振掃描儀，所有被試者的功能像采用梯度回波平面成像序列（gradient echo planar imagine，EPI）獲得，掃描參數(shù)為：TR=2000 ms，TE=30ms，視野（FOV）=220 mm×220 mm，翻轉(zhuǎn)角=90°，矩陣=64×64，層數(shù)=36層，層厚=4 mm，掃描時(shí)間400 s。所有掃描操作由熟練磁共振操作的放射科醫(yī)生完成。采集期間，被試者平躺于掃描儀內(nèi)，頭部調(diào)整至舒適位置后給予適當(dāng)固定，要求被試保持頭部與身體不動(dòng)，自然清醒放松狀態(tài)。掃描結(jié)束后所有被試者均反饋沒有做任何意向性思維，也沒有睡著。

1.3.2 R-fMRI數(shù)據(jù)預(yù)處理

使用DPABI 軟件在Matlab2013b 平臺(tái)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。步驟如下：刪除前10個(gè)時(shí)間點(diǎn)的圖像數(shù)據(jù)，保留靜息態(tài)下的190 個(gè)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)據(jù)。然后進(jìn)行時(shí)間校正與頭動(dòng)校正，依據(jù)頭動(dòng)校正曲線，排除頭動(dòng)在x、y、z軸平移大于3 mm與旋轉(zhuǎn)大于3°的受試者。將頭動(dòng)校正后的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)到蒙特利爾神經(jīng)病學(xué)研究所神經(jīng)空間（Montreal Neurological Institute，MNI）坐標(biāo)，通過空間標(biāo)準(zhǔn)化到MNI EPI模板減少個(gè)體間的差異。之后采用半高全寬（FWHM）為6 mm×6 mm×6 mm 的高斯平滑核進(jìn)行平滑處理，處理后的數(shù)據(jù)采用線性回歸方法去除其線性漂移。之后以白質(zhì)信號(hào)、腦脊液信號(hào)以及頭動(dòng)參數(shù)作為協(xié)變量進(jìn)行回歸，以去除生理上的影響[9-10]。

1.3.3 fALFF值的計(jì)算

將去線性漂移后未濾波生成的圖像運(yùn)用DPABI軟件進(jìn)行fAFLL值分析。首先對(duì)0.01～0.08 Hz信號(hào)的功率譜行開方計(jì)算，得到ALFF 值；之后將此范圍內(nèi)的低頻振幅相加得到總和值，與全頻段振幅總和值相除，得到fALFF值；再將每個(gè)體素的fALFF值與全腦信號(hào)幅值的均值相除，對(duì)全腦體素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，每位受試者獲得一個(gè)平均的fALFF圖（mfALFF）。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS19軟件對(duì)太極拳組與步行組的年齡、教育年限以及2-back 行為結(jié)果進(jìn)行獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)。利用參數(shù)統(tǒng)計(jì)圖（statistical parametric mapping，SPM12）軟件以年齡、受教育年限為協(xié)變量，獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)對(duì)兩組腦功能圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用Alpah Sim 校正，P＜0.005，體素?cái)?shù)量＞33 的腦區(qū)定義為有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的區(qū)域。Mricron軟件進(jìn)行結(jié)果呈現(xiàn)。提取太極拳組與步行組有差異腦區(qū)的fALFF值與行為學(xué)結(jié)果做Pearson相關(guān)分析，P＜0.05。

2 結(jié)果

2.1 一般資料比較

兩組年齡、教育年限之間無統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。行為學(xué)結(jié)果顯示，在2-back 任務(wù)中，太極拳組在正確個(gè)數(shù)、反應(yīng)時(shí)間方面，與步行組之間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01，P＜0.05）。見表1。

2.2 太極拳組與步行組在0.01～0.08 Hz 頻段fALFF差異腦區(qū)

在0.01～0.08 Hz頻段左側(cè)額中回fALFF值太極拳組大于步行組（表2，圖2）。通過提取差異腦區(qū)的fALFF 值進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)太極拳組左側(cè)額中回的fALFF值與2-back工作記憶刷新任務(wù)的反應(yīng)時(shí)間存在相關(guān)性（r=0.576，P=0.007），而在步行組中沒有明顯的相關(guān)性（r=0.321，P=0.145）（圖3）。

表2 太極拳組與步行組0.01～0.08 Hz頻段fALFF的差異腦區(qū)

圖2 太極拳組與步行組差異腦區(qū)定位圖

圖3 太極拳組與步行組差異腦區(qū)fALFF值與任務(wù)反應(yīng)時(shí)間相關(guān)性

3 討論

靜息態(tài)功能性磁共振成像（R-fMRI）技術(shù)是一種新的腦功能成像方法，能夠測(cè)量大腦的內(nèi)在或自發(fā)神經(jīng)活動(dòng)[11-12]，是研究靜息狀態(tài)下人腦自發(fā)神經(jīng)活動(dòng)的重要手段[13]。大腦在靜息狀態(tài)下，自發(fā)的腦區(qū)之間活動(dòng)的相關(guān)分析可以更完整地揭示功能上和解剖上密切聯(lián)系的神經(jīng)環(huán)路[14]。本研究通過靜息態(tài)功能磁共振技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)太極拳組與步行組0.01～0.08 Hz 頻段的fALFF值在左側(cè)額中回腦區(qū)存在差異，同時(shí)發(fā)現(xiàn)太極拳組在左側(cè)額中回腦區(qū)的fALFF值與2-back任務(wù)反應(yīng)時(shí)間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的相關(guān)性。

大腦許多腦區(qū)存在著自發(fā)的神經(jīng)活動(dòng)，包括記憶系統(tǒng)、默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)等。而額葉作為默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)重要的腦區(qū)已經(jīng)引起研究者的廣泛關(guān)注。額葉皮層是衰老所致神經(jīng)元損失最大的區(qū)域之一[15]。腦成像研究證明了大腦前額葉在工作記憶中的重要作用，前額葉作為工作記憶的關(guān)鍵腦區(qū)[16]，相關(guān)研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)前額葉參與記憶的編碼、維持與檢索[17-18]。研究發(fā)現(xiàn)，包括太極拳鍛煉在內(nèi)的多模式干預(yù)方式可以增強(qiáng)老年人前額葉的fALFF 值[19]，持續(xù)12 周的太極拳鍛煉后練習(xí)組的前額葉fALFF 值顯著高于對(duì)照組[20]。本研究發(fā)現(xiàn)太極拳鍛煉能夠增強(qiáng)額葉自發(fā)的神經(jīng)活動(dòng)，與之相吻合，我們推測(cè)太極拳鍛煉增強(qiáng)了神經(jīng)系統(tǒng)的活性，進(jìn)而增加額葉的血流量，從而增強(qiáng)靜息態(tài)條件下額葉的神經(jīng)活動(dòng)。

工作記憶的行為實(shí)驗(yàn)及認(rèn)知實(shí)驗(yàn)研究日趨成熟，基于倒數(shù)n項(xiàng)測(cè)驗(yàn)范式的n-back任務(wù)是研究工作記憶最常用的認(rèn)知實(shí)驗(yàn)之一。研究者們基于該實(shí)驗(yàn)利用神經(jīng)影像技術(shù)研究人類工作記憶的腦機(jī)理以及負(fù)載效應(yīng)等都取得了豐碩成果[5-21]。工作記憶作為人類高級(jí)認(rèn)知活動(dòng)的核心，信息加工過程復(fù)雜[22-23]。研究證實(shí)，工作記憶在老年期出現(xiàn)衰老，是多種認(rèn)知功能老化的重要中介變量[24-25]。有間接證據(jù)表明工作記憶的刷新功能與流體智力在前額葉區(qū)存在著部分重疊[26]。另外有研究發(fā)現(xiàn)工作記憶的訓(xùn)練能夠增強(qiáng)額中回與額下回的激活強(qiáng)度[27-28]。工作記憶訓(xùn)練能夠增加前額葉的激活程度，通過工作記憶訓(xùn)練使得工作記憶能力提高。本研究發(fā)現(xiàn)太極拳組在工作記憶任務(wù)中的反應(yīng)時(shí)明顯短于步行組，且反應(yīng)時(shí)與左側(cè)額中回的FALFF 值存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的相關(guān)性，這種神經(jīng)活動(dòng)與行為表現(xiàn)正相關(guān)可能是由于長時(shí)間的太極拳鍛煉對(duì)額葉產(chǎn)生持續(xù)累積效應(yīng)，進(jìn)而引起認(rèn)知腦功能變化，通過提升工作記憶的能力進(jìn)而延緩老年人認(rèn)知功能的衰老。雖然工作記憶刷新過程與傳統(tǒng)的工作記憶任務(wù)在信息保持上有些相似，但工作記憶訓(xùn)練與身體鍛煉是否有著相同的作用機(jī)制還不得而知，它們?cè)诠ぷ饔洃浿械拇_切作用還有待深入研究。

最近有研究表明身體與心理等多模態(tài)相結(jié)合的干預(yù)方式能夠更好地促進(jìn)老年人的認(rèn)知功能[29-30]。盡管大腦中頻段的起源、關(guān)系和特定生理功能尚未完全闡明，我們的研究有助于確定相關(guān)頻段信號(hào)的神經(jīng)生理學(xué)基礎(chǔ)。目前關(guān)于額葉在太極拳中的研究較少，其在太極拳鍛煉生理機(jī)制中的作用和地位尚需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本研究應(yīng)用比率低頻振幅分析方法比較了靜息狀態(tài)下太極拳組與步行組腦功能活動(dòng)的改變，探討了太極拳鍛煉對(duì)老年人認(rèn)知功能變化的影響，提供了神經(jīng)影像學(xué)方面的證據(jù)并探討了可能的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制。太極拳組存在靜息態(tài)下與工作記憶相關(guān)的左側(cè)額中回活動(dòng)增強(qiáng)，推測(cè)太極拳可能通過改善工作記憶功能進(jìn)而延緩老年人認(rèn)知功能衰退。本研究存在一定的局限性，研究樣本量相對(duì)較少且缺乏縱向比較，未來的研究我們將通過多重技術(shù)及縱向采集多時(shí)間點(diǎn)等方式進(jìn)一步加強(qiáng)太極拳鍛煉對(duì)老化和工作記憶的研究，進(jìn)一步探討太極拳鍛煉延緩老年人認(rèn)知功能衰老的腦機(jī)制。