认知负荷条件下老年人站姿稳定性及其控制策略策略研究

范 勇，吕 汇

1 引言

姿势控制(Postural Control，PC)，包含了姿势平衡控制和方向控制，是个体完成复杂运动任务的前提。其完整性依赖于多种感觉信息的整合，包括视觉、前庭觉、本体感觉等。当个体保持直立时，中枢神经系统(central nervous system, CNS)整合感觉系统及神经肌肉系统，使得身体压力中心(Centre of Pressure，COP)在个体基本支撑面之内，从而保持姿势稳定。对于老年人而言，年龄增长带来的中枢神经的损伤以及神经肌肉功能衰退使得老年人在姿势控制方面表现不足。同时，姿势控制多与交谈、思考、决策等认知任务同时完成，这些认知任务需要不同程度地占用和消耗脑认知资源，从而对姿势控制和认知任务均产生不同程度的影响。据2014年全国伤害监测系统NISS收集的>60岁老年人非故意伤害病例分布特征数据显示，造成老年人因非故意伤害就诊的首要原因是跌倒或坠落，占比52.81%。研究认知负荷对于老年人姿势控制的影响，可以探索老年人姿势控制的基本机制，对老年康复具有重要意义，此外，探讨认知负荷和姿势控制的相互作用机制，对大脑的运动控制机制也有重要意义。

认知和姿势控制的相互作用涉及到注意资源、神经肌肉控制等多种心理生理过程。其经典研究范式为双任务范式，即在简单直立的条件下，观察并发的认知任务对于姿势控制的影响。其中一些任务包含句子补全、视觉感知匹配、颜色字的识别、视频序列理解、短期记忆任务、心算任务等。传统评价指标包含COP位移和其位移曲线包罗面积、单位面积身体摇摆范围等5。Shumway-Cook采用双任务(听觉-姿势控制)研究发现，感觉信息获取的减少增加了对姿势控制关注需求，在多任务条件下无法给予姿势控制足够的关注可能是导致一些老年人失衡跌倒的原因。Lu X等人采用听觉stroop-姿势控制双任务范式对老年女性被试进行研究，双任务实验中听觉反应时与错误率绩效要明显低于听觉单任务实验，但在COP移动轨迹和外周面积两个姿势控制指标上两者无显著差异。在对帕金森、老年痴呆病人的研究中也发现认知任务下其行走绩效显著降低。Redferm在研究中发现，在认知负荷下，老年人的姿势摇摆较年轻人更大。随着年龄的增长，老年个体的本体感觉及前庭觉逐步衰退、肌肉功能和神经控制能力也下降，这被认为是老年人姿势控制能力下降的内部因素。而外部环境条件、次任务的性质及其认知需求，也是影响老年人平衡表现的重要原因。

身体压力中心主成分分析(principal component analysis，PCA)是研究站姿平衡较为合适的数学模型，该模型利用降维理念，利用傅里叶变换将二维COP指标转化为频域指标，并在大量的研究中得到了应用和验证。Kanekar N等人利用频谱分析方法分析多发性硬化症病人COP前后、左右两个方向上的偏离，结果发现在闭眼条件下，健康老年人在所有频段上无差异，多发性硬化老年人代表视觉控制的低频段(0-0.3Hz)幅度显著降低，而代表前庭控制的中频段(0.3-1Hz)显著增加，当视觉信息不存在时，患者改变其控制平衡策略，更多的依赖前庭感觉，这样的结果揭示了COP频谱分析可以用来作为多发性硬化早期诊断的一种方式。R Bizid 等人比较了自主运动与电刺激导致小腿三头肌疲劳的平衡策略，结果显示两者在cop时域值上没有差异，但在频域上，自主运动组在高频段(>2Hz)上显著比电刺激组大，认为自主运动疲劳增加了本体感觉信息获取，揭示了两者在平衡控制策略上的差异。此外，大量研究都认为此类研究认为身体摇晃频率分布的低频段可能与视觉控制相关、中频段与前庭觉控制和高频段与本体感觉控制相关联。由此，本研究利用PCA这种特性，通过实验研究尝试揭示认知负荷下，老年人中枢神经系统的运动控制机制。

2 方法

2.1 实验被试

本研究招募老年被试18名(男15名，女3名)，62.29±2.93周岁，身高为166.27±7.44厘米，体重为64.60±11.48公斤。被试在三年内均无接受过任何外科手术，无肌肉损伤、前庭功能异常的疾病，有能完成简单的加减心算的能力，并且均为右利足。本实验进行前已征求所有被试的知情同意。

2.2 实验设计

本研究采用姿势控制与心算报数任务的双任务范式，究实验设计为2(视觉信息：有视觉信息、无视觉信息)×2(认知负荷：安静站立、心算报数)。采集被试在实验中COP值，通过COP轨迹面积、COP摆动速率及频谱分析，探讨老年人在认知负荷下姿势控制补偿机制。

实验要求被试光足，脚尖分开60度站立于受力平台上。每名被试都需进行4次(视觉2×认知2)测试，分别为睁眼静立、睁眼心算任务、闭眼静立、闭眼心算任务，测试顺序随机。在所有测试前都通过指导语“尽量保持身体稳定，不要晃动”，使被试将注意力集中在身体平衡上。心算报数任务为每减7报数，主试随机从100,101,102中选择一个数字作为开始数字，要求被试尽快运算，若运算错误，主试立即纠正并要求被试继续演算。每项测试持续30秒，间隔30秒休息时间，在间隔期间询问被试身体状况，若有不适及延长休息时间。

2.3 实验设备

实验采用静态立位平衡测试系统(第四军医大学)，其原理为根据双足压力中心COP变化情况来描绘人体重心的晃动轨迹。实验中采集的指标为：COP总轨迹长，身体重心分布及傅里叶频率转换参数(F1-F8)等。其中F1(0.01-0.1Hz)，F2(0.1-0.25Hz)，F3(0.25-0.35Hz)，F4(0.35-0.5Hz)，F5、F6(0.5-1Hz)，F7(1-3Hz)。其中F1-F3为低频段，可能与视觉控制的关系比较密切；F4-F6的中低频段对前庭应激比较敏感；而属于高频段的F7主要反本体感觉控制20。

采用IBM SPSS statistics 22对相关数据进行处理，涉及的统计方法包括描述性统计、有重复测试的双因素方差分析，取P<0.05为差异具有统计学意义。数据以平均数±标准差显示。

3 结果

3.1 不同实验条件下COP轨迹变化情况

图1 被试A在四种条件下身体压力中心30s的位移图

图1显示的是实验中姿势摇摆特征具有代表性的A被试在四种条件下的身体压力中心轨迹图。

3.2 不同条件下COP面积变化情况

图2 不同条件下COP轨迹外周面积(A)及矩形面积(B)变化情况

图2(A)显示的是四种条件下COP外周面积的均值和标准差。有无视觉信息及有无认知任务(2×2)双因素方差分析结果显示，视觉因素主效应不显著F1,17=3.443，P=0.081；并且认知因素主效应显著F1,17=0.768, p=0.393；两者间交互作用不显著 F1,17=1.330, p=0.265。

图2(B)显示的是四种条件下COP轨迹矩形面积的均值和标准差。有无视觉信息及有无认知任务(2×2)双因素方差分析结果显示，视觉因素主效应不显著F1,17=3.019，P=0.151；并且认知因素主效应显著F1,17=0.281, p=0.603；两者间交互作用不显著 F1,17=0.889, p=0.359。

从轨迹面积上来看四种情况下老年人姿势摇摆并没有显著性差异，说明视觉条件的改变及认知任务变化并没有改变老年人姿势控制的绩效。

3.3 不同条件下COP移动速率的变化

图3显示的是四种条件下COP摆动速率的均值和标准差。有无视觉信息及有无认知任务(2×2)双因素方差分析结果显示，视觉因素主效应显著F1,17=5.564，P=0.031，η2=0.247；并且认知因素主效应显著F1,17=26.445, p=0.000，η2=0.609；两者间交互作用不显著 F1,17=0.535, p=0.474。这说明在不同情况下，个体对COP调整是有差异的。

图3 不同条件下COP摆动速率的平均值和标准差

3.4 不同条件下F1-F7频率的变化

表1 四种状态下F1-F7值

*表示该频段上认知因素的主效应显著。

表1显示的是四种条件下COP轨迹长的均值和标准差。在F1-F7中，F5-F7三个频段上认知主效应显著。其中F5(认知：F1,17=5.109，P=0.037，η2=0.231)；F6(认知：F1,17=17.000，P=0.000，η2=0.547)；F7(认知：F1,17=0.769，P=0.004，η2=0.393)。同时，在其他频段上也有产生变化的趋势，如：F3(视觉×认知：F1,17=3.766，P=0.069，η2=0.181)；F4(视觉：F1,17=4.392，P=0.051，η2=0.205；认知：F1,17=4.113，P=0.059，η2=0.195)，但未呈现统计学性差异。

4 讨论

4.1 认知负荷对老年人站姿稳定性的影响

在四种条件下，COP外周面积、矩形面积均无显著性差异(见图2)，表明老年人在视觉条件变化以及认知任务变化时均能将身体重心保持在基本支撑面之内，说明姿势控制的绩效在四种条件下没有显著性差异。一方面，这与研究采取的双脚呈60度分立这种接近自然站立的方式有关。相比于其他站姿(如双脚并立、单脚站立等)，安静直立所消耗的认知资源相对较小。另一方面，实验过程中安静的环境及没有其余的外部干扰，老年人在实验过程中有足够安全的预期。

从COP移动速率结果来看(见图3)，视觉及认知因素的主效应均显著，说明老年人在姿势控制系统受到了视觉信息及认知信息的影响。注意资源竞争模型(the cross-domain competition model)认为：姿势控制及认知任务会争夺大脑有限的认知资源，导致在双任务情况下的姿势控制表现比姿势控制单任务表现有所下降。相比于年轻人而言，老年人的视觉能力衰退，且在姿势控制中更加依赖于视觉，视觉信息的缺失使得其COP轨迹在基本支撑面内做出了更多的调整，确保个体仍然处在安全的范围内；由于姿势控制并非一个完全自动化的过程，在认知负荷状态下，姿势控制的中枢加工资源被认知任务争夺，认知任务同样使得直立姿势的动摇在一个较小的范围内作较快的移动28，认知活动同样导致了姿势调整过程的发生。即使如此，视觉因素及认知因素并未对老年人姿势控制的绩效产生损害。

4.2 认知负荷条件下老年人姿势控制补偿机制

视觉因素及认知因素对老年人姿势控制产生影响，但其姿势控制绩效在四种情况下并未呈现差异。从频域指标上来看，低频段的F1-F3在四种条件下没有显著性差异(见表1)，这与Kanekar N研究的结果一致，在四种条件下，老年个体的站姿视觉控制策略没有发生改变20。

然而在代表前庭控制的F5、F6的频段上，认知负荷的主效应显著。有研究认为，前庭功能和个体处理空间及数字信息能力密切相关。前庭系统检测头部的运动，提供关于身体在空间和运动方向上的变化的信息，并且使用代偿反射在维持平衡中起主要作用。在认知负荷的情况下，被试改变了姿势控制的策略，依赖更多的前庭资源来处理任务以及维系姿势稳定。

除此之外，代表本体感觉控制的F7认知负荷主效应显著。这可能是被试通过调节肌肉紧张度和关节自由度用以确保被试在执行认知任务时保持姿势稳定。说明认知负荷情况下，中枢增加了躯体感觉控制来增加姿势稳定性的表现。

本研究首次采用了频谱分析的方法来表征认知负荷状态下姿势控制和个体感觉控制策略的关系。频谱分析法为感觉控制研究提供了一个新的视角。

5 结论

在自然静立的状态下，视觉信息及认知负荷有无对老年人姿势稳定性控制绩效未产生较大影响，在视觉信息缺失及认知负荷下老年人通过增加COP移动速率来控制自身稳定。认知负荷改变老年人控制平衡的策略，表现为前庭控制及本体感觉控制的增强。