太极拳练习对慢性非特异性下背痛患者作用的事件相关电位研究

刘静 赵文楠 袁咏虹

1上海体育学院（上海200438）2燕山大学

临床上，85%的下背痛患者均属于非特异性下背痛（non-specific low back pain，NLBP）[1]。非特异性下背痛是指一组以下背部、腰骶部、臀部的神经、肌肉和骨骼的功能紊乱并以疼痛为主要症状的综合征。目前，非特异性下背痛的发病机理尚不清晰，由于缺乏外周病理学的充分依据，中枢敏化作用成为疼痛进展的解释，其机制是脊髓水平的兴奋性神经递质增加，影响了脊髓丘脑通路上的疼痛知觉以及改变了至上而下的大脑疼痛控制。近些年来，国际指南建议多模式的认知行为治疗方案可能是减少疼痛和障碍的最为有效可行的方法。其中，作为加强脊柱稳定和姿势稳定的多种运动模式成为治疗方案中的重要因素。但是，下背痛疼痛和障碍的减少，与认知加工过程中中枢皮层兴奋性的变化存在何种关系，亟需深入地研究。

太极拳是中国传统武术，其独特的运动方式和形、神、意、气的调节方法，被广泛应用于康复医学领域，作为补充和替代医学治疗方法之一，受到广泛关注。前期研究观察和论证了太极拳对免疫机能、姿势控制、心理健康的作用[2]；已有研究表明，太极拳运动对下背痛具有正性调节作用，这与太极拳对肌肉、骨骼、关节的稳定性和神经肌肉的控制作用密切相关[3-6]。但是，太极拳运动是否通过改变患者大脑皮层认知加工的过程，从而影响对疼痛的判断和认知，目前尚未见报道。

事件相关电位是通过平均叠加技术从头颅表面记录大脑诱发电位来反映认知过程中大脑的神经电生理改变。本研究运用事件相关电位技术，采用日常容易产生下背痛动作的视觉刺激图片的运动想象认知任务，同时判断疼痛级别（疼痛是一种复杂的主观感觉），利用动作表象（基于运动计划和预测的对实际运动的认知模拟）所产生前馈反应的高级认知加工过程，观察12周陈式太极拳练习、核心稳定训练对大脑顶区（Pz）、额区（Fz）、中央区（Cz、C3）和枕区（Oz）P300波幅和潜伏期的影响，探讨太极拳运动治疗方法对患者疼痛影响的认知机制，从中枢神经控制的角度为下背痛运动治疗理论和应用提供依据。

1 研究对象与方法

1.1 实验对象

根据NLBP的诊断标准[7]，从上海体育学院骨科医院康复科和杨浦周边社区招募非特异性下背痛患者45名，其中男性8例，女性37例；年龄在47～64岁之间，平均年龄57.53±1.73岁。病程≥3个月，临床诊断未见椎间盘明显异常。

45例患者随机分成3组（太极拳组、核心训练组和对照组），每组15人。在整个实验干预、实验测试过程中，受试者因病、家中有事中途退出3人；对有些波形干扰过大、记录不清晰导致无法识别或损坏的数据进行修复和还原，并剔除2人损坏数据，最终进入数据统计的人数为：太极拳组14人，核心训练组13人，对照组13人。实验对象基本情况见表1。

表1 实验对象基本情况

1.2 入选标准

①年龄18～65周岁，知情同意，能满足研究条件，语言无障碍，且愿意配合者；②受试者均为无需外界辅助能够进行自由行动的慢性下背痛患者；③无重大疾病，生命体征稳定，意识清醒者；④通过实验室、影像学检查或骨密度测量等排除骨关节系统可引起下背痛的疾病（如：感染、肿瘤、风湿性关节炎等）。

1.3 排除标准

①视觉模拟量表评分（visual analogue scale，VAS）在8分以上；②严重肝、心、肺、肾功能不全，肿瘤；③既往有精神疾病或有脑血管疾病；④影响受试者本体感觉的神经、骨骼、肌肉系统疾病；⑤未能按照实验要求坚持太极拳锻炼者；⑥在实验前有规律性体育锻炼者。

1.4 训练方案

太极拳组：练习内容以陈式太极拳16个动作组成：预备式、起势、金刚捣碓、懒扎衣、云手、双推手、倒卷肱、白鹤亮翅、斜行、闪通臂、斩手、掩手肱捶、六封四闭、单鞭、转身金刚捣碓、收势。运动方案的设计主要采用陈式以腰为轴、多顺逆缠绕的螺旋运动的特点，通过进步、退步、斜行步和重心虚实的转化刺激腰部和脊柱肌肉、关节、韧带、筋膜和神经的活动。训练周期为12周，每周3次（隔日1次），每次60分钟。前4周进行桩功练习和单个动作学习；第4～8周进行单个动作学习和组合练习；第8～12周进行组合练习和成套练习。

核心训练组：利用瑞士球进行核心稳定性训练，该套训练共6组动作：双桥运动、单桥运动、双屈膝状态下的双桥运动、双屈膝状态下的单桥运动、反桥运动、髋膝关节屈曲状态下的反桥运动。由具有8年经验的康复治疗师进行治疗跟踪，训练周期为12周，每周3次（隔日1次），每次60分钟。前4周进行单个动作学习；第5～12周进行单个动作重复练习[8]。

对照组：对照组保持既有的生活方式，不进行任何有规律的体育运动。

训练方案实施期间，受试者无其他康复治疗干预。

1.5 事件相关电位（event-related potential，ERP）实验设计及测试

围绕本研究的目的，设计了一组运动想象认知任务。该认知任务主要是针对日常生活中常见的弯腰和跨越障碍动作。

1.5.1 视觉刺激材料分类

（1）侧弯腰（左、右）；（2）前弯腰；（3）后伸腰；（4）弯腰拾物；（5）弯腰拖地；（6）跨越障碍。刺激图片大小为6 cm×6 cm，视距约为50 cm。

1.5.2 实验流程

实验视觉刺激材料呈现程序由E-Prime 2.0编排（Psychology Software Tools Inc，Pittsburgh，USA）。所有的视觉刺激图片以随机的方式通过显示器呈现给被试，要求被试想象自己做与图片相同的动作，然后判断疼痛感觉：不痛、痛、非常痛，并做出按键选择。如果“不痛”，用左手食指按“A”键；如果“痛”，用右手食指按“K”键；如果“非常痛”，用右手中指按“L”键。行为学反应由E-Prime软件记录反应参数，同时将结果发送到脑电记录仪，并将同步信号记录在脑电图（electroencephalogram，EEG）数据上。视觉刺激图片的呈现间隔为500 ms（ISI:interstimulus interval），在此期间呈现黑色“+”为提示信号，随后随机呈现一个刺激图片，直到被试做出判断并做出按键反应后消失。如此循环，直到所有图片呈现完毕为一组实验（Block）。实验流程见图1。

图1 运动想象认知任务实验流程示意图

每一组（Block）包括25张视觉刺激图片，每张图片随机呈现3次，共叠加呈现75张图片；每组图片根据被试反应不同，呈现时间大约为3分钟，之后休息3分钟，开始下一组实验。整个实验包括2组，总时长大约10分钟。测试过程中，要求被试注意力集中，保持安静状态，并减少眨眼。

1.5.3 脑电数据记录

采用德国Brain Products公司生产的64导事件相关电位测试系统，记录视觉事件相关电位。两台DELL计算机。一台用于运行试验程序，记录和采集行为数据，并给被试呈现刺激材料，分辨率为1024×768，刷新频率为100 Hz。另一台用于记录和采集脑电数据。

电极的位置采用国际10-20系统进行安放。另有两个电极分别用来记录垂直眼电（ECG）和水平眼电（EOG）。脑电采样率为500 Hz，滤波带通为1.15～100 Hz。电极与头皮间的电阻小于10 kΩ。测量顶区Pz、额区Fz、中央区Cz、枕区Oz、中央区C3点的P300波幅、潜伏期。

1.6 下背痛测试

下背痛评定采用Oswestry功能量表（Oswestry disability index，ODI），量表共分 10项，包括疼痛程度、个人照护、提重物能力、走路、坐、站立、睡眠品质、性生活、社交生活、旅行；每项0～6分，0分为完全不痛，6分为极痛及最严重程度失能[7]。

1.7 测试时间

分别于训练前和12周训练后进行上述指标测试。

1.8 统计学分析

应用SPSS17.0统计软件对所得的数据进行处理，所有数据均用平均值±标准差（x±s）表示。三组内前后测数据比较采用配对样本t检验，三组间比较采用单因素方差分析和独立样本t检验。P＜0.05表示差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 P300波幅的变化

由表2可见，训练前后各组组间比较，训练前，太极拳组、核心训练组和对照组Pz、Cz、Fz、Oz、C3点P300波幅差异均无统计学意义（P＞0.05）。训练后，太极拳组Pz、Cz、Fz和Oz点P300波幅均高于对照组，且Pz点的差异具有显著性（P＜0.05），Cz、Fz和Oz点的差异具有非常显著性（P＜0.01）；C3点的差异无显著性（P＞0.05）。核心训练组与对照组差异不具有显著性（P＞0.05）。太极拳组Fz点P300波幅高于核心训练组，差异具有非常显著性（P＜0.01），Pz、Cz、Oz和C3点的差异不具有显著性（P＞0.05）。

自身训练前后比较，对照组训练前后各点P300波幅均无明显变化。太极拳组Cz、Fz点P300波幅均有明显提高，Cz点差异显著（P＜0.05）；Fz点差异非常显著（P＜0.01）；其他点差异不显著。核心稳定训练后，各记录点P300波幅均有不同程度的升高趋势，但差异不显著。

表2 训练前后各组Pz、Cz、Fz、Oz、C3点P300波幅测试结果比较（μv）

2.2 P300潜伏期的变化

由表3可见，训练前后各组组间比较，训练前，太极拳组、核心训练组和对照组Pz、Cz、Fz、Oz、C3记录点P300潜伏期差异均无显著性（P＞0.05）。训练后，太极拳组Oz点P300潜伏期低于对照组，且差异具有显著性（P＜0.05）；核心训练组Cz、Fz点均高于对照组，且差异具有显著性（P＜0.05）；太极拳组和核心训练组各点P300潜伏期差异均无显著性意义（P＜0.05）。

自身训练前后比较，各点P300潜伏期差异均无显著性（P＞0.05）。

表3 训练前后各组Pz、Cz、Fz、Oz、C3点P300潜伏期测试结果（ms）

2.3 行为学结果

由表4可见，训练前后各组组间比较，训练前，太极拳组、核心训练组和对照组之间疼痛等级各级别差异均无显著（P＞0.05）。训练后，太极拳组不痛频次高于对照组，痛与非常痛频次均低于对照组，差异非常显著（P＜0.01）；核心训练组和对照组之间差异均无显著性（P＞0.05）；太极拳组不痛频次高于核心训练组，痛等级出现频次低于核心训练组，差异均具有显著性（P＜0.05），非常痛差异不具有显著性（P＞0.05）。

自身训练前后比较，太极拳组锻炼后，患者不痛频次增加，非常痛频次减少，差异非常显著（P＜0.01），痛出现频次也减少，但差异不显著（P＞0.05）。核心稳定训练后，虽然不痛频次增加，痛与非常痛频次减少，但差异均无显著性（P＞0.05）。对照组实验前后，疼痛各等级频次差异不显著（P＞0.05）。

表4 训练前后各组疼痛等级频次均值测试结果

2.4 ODI功能测试结果

由表5可见，训练前后各组组间比较，训练前，太极拳组、核心训练组和对照组ODI各分项得分差异均无显著性（P＞0.05）。训练后，太极拳组各项得分均低于对照组，差异非常显著（P＜0.01）；核心训练组各项得分均低于对照组，且性生活差异具有显著性（P＜0.05），社交生活和外出差异具有非常显著性（P＜0.01）；太极拳组各项得分均低于核心训练组，差异具有非常显著性（P＜0.01）。

自身训练前后比较，太极拳组训练后，除社交生活外，ODI各项分数均明显降低，差异具有非常显著性（P＜0.01）；核心训练组疼痛程度、生活起居、提东西、坐、站立和外出分数均明显降低，疼痛程度、生活起居、提东西和站立的分数差异具有非常显著性（P＜0.01），坐和外出的分数差异具有显著性（P＜0.05）；对照组训练后，坐、站立、睡眠和社交生活的分数明显升高，差异具有非常显著性（P＜0.01），其他各项的分数差异不具有显著性（P＞0.05）。

表5 训练前后各组ODI量表评分结果

3 分析与讨论

疼痛是由体内外伤害性刺激引起的一种复杂的心理生理学过程，随着脑电和影像技术的发展，关于疼痛和疼痛治疗的中枢机制研究有了长足的进步。ERP是对所接收的信息进行认知加工时，通过平均叠加技术从头颅表面记录到的脑电活动，而作为其内源性成分的P300不受刺激物理性质的影响，与从事某一任务的认知活动有关，是ERP中最典型、最常用的成分。运动想象被称为真实运动的心理练习，无外在运动产生[9]，近年来主要用来研究排除外周反馈的运动过程。有研究指出，运动想象的皮层活跃和实际运动的皮层活跃有大部分的重叠。运动想象是一种特殊的运动功能状态，它存在于运动记忆中，激活运动记忆而没有任何明显的运动输出，并遵循中枢运动控制原则[10]。动觉表象与运动过程密切相关并与运动执行具有相似的神经网络[11]。因此可通过刺激图片进行运动想象任务，产生一种类似感受器受刺激所产生的体验，深入观察下背痛患者日常易触发疼痛行为的认知加工过程。研究发现，太极拳锻炼后，患者Cz、Fz区的P300波幅明显升高，且Fz区明显高于核心稳定训练组，Pz、Cz、Fz和Oz区明显高于对照组；但核心稳定训练后，各测量脑区P300波幅无明显变化。各测量脑区的P300潜伏期在锻炼前后，均无明显改变。说明中央区和中额叶区大脑皮层活跃增强，中顶区和枕叶区皮层活跃也强于对照组。太极拳练习后，大脑的躯体运动功能区、空间位置觉以及视觉和躯体高级感觉区对外界刺激的加工强度增加，大脑信息加工时有效资源动员程度增强，这有利于注意力资源的重新分配和躯体姿势的前馈调节，降低疼痛的产生。ERP的行为学结果进一步验证，太极拳锻炼后，患者的不痛判断频次显著增加，非常痛频次显著降低，疼痛感觉判断显著降低且优于对照组和核心稳定训练组；核心稳定训练后，疼痛感觉判断未发生明显变化。

太极拳对认知功能的改善作用已得到多项研究证实[12-15]。前期研究表明，经过孙式、杨式和24式太极拳练习后，太极拳组的连线测验成绩有显著提升，反映了太极拳练习者注意保持和分配的优势。一项横断研究探讨了太极拳改善老年人认知功能的机制，结果发现太极拳专家右侧中央前回、岛沟和额中沟及左侧颞上回、内侧枕颞沟和舌沟皮层显著厚于年龄、性别和教育程度匹配的一般人[16]，说明长期太极拳练习引起大脑神经结构的改变与注意功能变化有关。

运动疗法被广泛地应用于治疗腰椎间盘突出症等引起的下背痛患者，其目的是提高脊椎稳定性[17，18]。核心稳定训练应用于下背痛治疗近年来受到重视，本研究发现，经过12周的训练，无论是太极拳组还是核心训练组的失能程度都得到明显改善，均优于对照组，且太极拳组优于核心训练组。分析原因，可能有以下几方面：

（1）研究证实，慢性下背痛的疼痛与腰部本体感觉能力下降有关[19，20]。陈式太极拳强调脊柱中正，以腰部的松柔、圆活和缠绕运转带动全身运动，使腰部和脊柱周围的关节、韧带和筋膜不断受到刺激，增加了本体感觉输入，身体募集了更多的运动单位，提高了神经肌肉的控制能力。Li等[21]的研究也发现，太极拳运动可以改善老年人的膝、踝本体感觉。

（2）太极拳在“松、顶、沉”和刚柔、虚实、开合的变化中，始终要求立身中正、不丢不顶，通过腰系左右抽托，旋腰转脊带动四肢，对骨骼、韧带、核心肌群和整体协调控制都具有锻炼作用。宋桦等[22]的研究结果显示，太极拳组的腰椎功能评分增加，认为太极拳运动明显改善了腰间盘突出症患者腰椎的稳定性，研究还发现，6个月太极拳运动后腓神经运动和感觉神经都有不同程度改善。

（3）姿势稳定性受损是腰痛患者功能受限原因之一，这与中枢神经系统调节的运动协调控制有关。太极拳运动注重内外三合，强调全身协调的整体运动，同时配合呼吸和高度集中的意念活动实现上下相随和以意行气、以气运身、以气催力的周身一贯的特点。研究证实，太极拳运动可以提高人体平衡能力、提高中枢神经系统的调节作用[23]。本研究结果显示，太极拳锻炼后，下背痛患者大脑躯体运动功能区、空间位置感觉区、视觉信息处理区和躯体高级感觉区域的活动发生了改变，说明大脑对日常易产生疼痛动作的认知加工过程特别是动作的视觉方位信息输入、躯体的感觉和运动区域的准备及应答得到加强，这可能更加有利于疼痛患者对姿势的调节和控制。因为运动想象更多地反映运动的前馈过程，是一种基于运动计划和预测（movement planning and prediction）的内隐性的对实际运动的认知模拟[24]，所以太极拳练习可能激发了前馈控制的调节，使患者预备姿势控制不断加强，预防了姿势稳定性受损的发生。

同时，太极拳要求在意念引导下，逆腹式呼吸与动作高度协调，这些在意念引导下进行的太极拳运动有别于一般的随意运动，它是由更多、更复杂的大脑皮层中枢参与身心的调节与控制[25]，达到调节身心的效果。王国谱等[26]研究发现，太极拳意念调节后，大脑中枢活动形成了高频α脑波节律优势现象，认为这对形成心理上的舒爽情境起促进作用。这可能是太极拳改善下背痛患者疼痛认知的原因之一。

4 总结

太极拳运动可以改善慢性下背痛患者的症状和日常生活活动能力，从而降低失能程度，且效果优于核心稳定训练；同时，太极拳训练改变了患者对日常易产生疼痛动作的认知加工过程，大脑部位的视觉区、方位感觉区和躯体感觉区、运动功能区皮层活动增强，提高了中枢神经系统的前馈控制，调节了姿势稳定性，进而减少了对疼痛的感觉和判断级别。