注意力分配对双重任务模型平衡和计算能力的影响

朱婷，郑洁皎，丁建伟，沈利岩，杨寅

复旦大学附属华东医院康复医学科，上海市200040

平衡是指维持身体所处的一种姿态以及在自身运动或受到外力作用时能够自动调整并维持姿势的能力[1]。双重任务[2]指同时执行两种任务，如维持平衡任务和计算认知任务。认知双重任务能力是指同时处理认知等两种任务的能力。平衡的维持需要认知过程的参与，而注意力是涉及平衡的主要认知领域之一[3]，平衡任务越复杂，需要的注意力资源越多。处理双重任务时，注意力资源需求增加，然而注意力资源有限，两个任务之间会竞争注意力资源[4]，大脑会优先分配注意力资源用于执行第一任务，分配于第二任务的注意力资源较少，两个任务或者第二任务完成表现较差，即注意力分配原则。

体育竞技运动是青年人特征性的认知双重任务，运动员不仅要准确、稳定地完成任务，同时要考虑竞技的战略。日常生活中每天均可见认知双重任务，如步行时看报纸或者接听电话等[5-6]。认知双重任务能力下降时会导致跌倒[7]，其中青年人跌倒主要发生于执行双重任务时[8]。跌倒除了导致死亡和残疾外，还对个人、社会和经济产生惊人的负担[9]。许多研究已经发现，我国青年人体质有所下滑，跌倒后虽然死亡率低于老年人，但会对青年人的心理产生很大影响，甚至会影响运动员的职业生涯[10]。良好的双重任务能力可以有效应对各种复杂环境(上坡、山路、赛场等)，避免跌倒的发生。既往研究表明，认知双重任务训练可以改善平衡能力和步行速度，降低跌倒的风险[11-13]。对于有跌倒史的老年人，双重任务训练甚至可以同时改善认知功能和平衡能力[14]。

双重任务能力评估可以有效检测出运动员脑震荡后的持续性认知和运动功能受损，即使标准的脑震荡评分已恢复正常；也可以用来预测老年人的跌倒风险[15]。目前关于双重任务训练前的认知双重任务能力评估的研究很少，我们建立一个计算-平衡双重任务模型，通过观察是否存在认知-平衡的干扰，来评估认知双重任务能力[13]。认知-平衡干扰[16-17]指同时执行的计算任务和平衡任务间会相互干扰[18]，两者竞争大脑的注意力资源导致平衡能力或者认知能力下降[19]，又或者认知任务促进平衡能力的提高[20-21]。如果双重任务间相互干扰，其干扰机制是否跟注意力分配原则相关，本研究进行以下探索。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2016年10至2017年12月，在复旦大学附属华东医院康复医学科招募健康青年志愿者。

纳入标准：①健康青年人；②年龄20~30岁；③大专及以上学历；④简易精神状态检查(Mini-Mental State Examination,MMSE)评分≥27分；⑤自愿参与本研究。

排除标准：①单腿站立不能维持30 s；②不能听懂或理解研究流程。

最终纳入20例，其中男性9例，女性11例；年龄20~25岁，平均(21.8±1.5)岁；体质量42~90 kg，平均(59.4±12.5)kg；身高(166.7±8.4)cm；脚长21~28 cm，平均(24.1±1.9)cm；MMSE评分27~30分，平均(29.2±0.9)分。

本研究经过复旦大学附属华东医院伦理委员会批审，入选对象均签署知情同意书。

1.2 方法

平衡测试正式开始前，嘱试验者站上测力台，适应试验环境，并练习单腿站立，选出最适合单腿站立腿；每例受试者均在座椅上进行2组计算任务：坐位+睁眼+计算；坐位+闭眼+计算。平衡测试采用MTD-Balance静态平衡测试仪(德国MTD公司)，对20例健康青年人分别进行4组平衡检测：左/右腿站立+睁眼+计算；左/右腿站立+睁眼；左/右腿站立+闭眼+计算；左/右腿站立+闭眼。4组平衡测试的顺序由电脑随机选取。每位受试者测试3次，每次间隔5~7 d，每次测试6组(2组座椅上+4组平衡仪上)，每组测试30 s，组间间隔30 s，完成一次实验需330 s。

计算任务采用连续逆序减7的计算，起始数字选用区间80~99，由电脑随机取数。要求受试者大声的说出每个答案，并计算正确率。重点要求计算的准确性而不是速度，假如受试者30 s之内完成计算任务，则重新从原始数字开始。实验开始前每位受试者练习怎样熟练逆序地大声数数字。嘱受试者双重任务测试时，保证平衡稳定的同时尽可能保证计算的正确性。

1.3 评定标准

平衡参数选用前后最大摆幅、外内/内外最大摆幅、外周面积、轨迹长；计算参数采用连续逆序减7计算的正确率。

1.4 统计学分析

采用SPSS 19.0统计软件进行分析。所有参数采用3次测试平均值。正态分布数据以(xˉ±s)表示，采用配对t检验；非正态数据以M(Qu-Q1)表示，采用非参数检验。显著性水平α=0.05。

2 结果

睁眼时，单项任务和双重任务左右、前后最大摆幅，外周面积，轨迹长均显著小于闭眼时(P<0.001)。双重任务闭眼左右、前后最大摆幅，外周面积小于单项任务(P<0.05)；双重任务睁眼时身体重心左右、前后最大摆幅，外周面积，轨迹长与单项任务相比无显著性差异(P>0.05)。坐位睁眼组、坐位闭眼组、睁眼平衡测试组、闭眼平衡测试组计算正确率无显著性差异(P>0.05)。见表1~表3。

3 讨论

本研究采用的双重任务模型为计算-平衡双重任务，用连续逆序减7计算任务干扰受试者单腿静态平衡的维持。连续减7计算的正确率不仅检测受试者的计算能力，更是对受试者注意力持续性的检测[22]。平衡能力与注意力持续性呈正相关，注意力在平衡控制及身体姿势维持的过程中起到非常重要的作用。由此可见，减7计算和平衡维持均依赖注意力，但注意力有限，在执行双重任务时，平衡维持和计算任务共同竞争注意力资源。因此，双重任务时平衡的表现取决于注意力的分配[23]，即注意力更多用于维持平衡时，受试者表现为更好的平衡功能，相反平衡功能表现较差。

视觉的传入是维持平衡稳定的重要因素，视觉的传入对躯体直立、空间位置觉都有着补偿作用。本研究也发现，视觉改善单腿静态平衡稳定性，不仅表现在单项任务，双重任务同样适用，与国内外研究结果一致[24-27]。

本研究还发现，睁眼时双重任务平衡稳定性与单项任务之间无明显差异；闭眼时双重任务平衡稳定性大于单项任务，即闭眼时计算任务改善了单腿静态平衡稳定性。可能因为视觉中枢位于大脑枕叶，也是维持认知功能的主要大脑中枢。因此，睁眼时，视觉感觉系统的传入、计算任务和平衡维持三者共同竞争注意力资源[28]。由于视觉是维持平衡的最重要因素之一，且研究表明，视觉对姿势控制的影响大于认知任务[20]，视觉的传入可以短时间内快速纠正平衡的稳定性。因此，大脑选择优先将注意力资源分配于视觉的传入，从而快速维持平衡的稳定性。所以睁眼时计算任务对平衡维持几乎无影响，归功于视觉的传入对平衡的维持。此时计算任务分配到的注意力资源减少；或者大脑有充足的注意力资源，足够分配于计算任务。

表1 睁眼和闭眼时单项和双重任务平衡参数比较

表2 睁眼和闭眼时单项和双重任务平衡参数统计学数据

表3 坐位与单腿站立睁眼和闭眼情况下的正确率比较(%)

相反，闭眼时因为视觉传导被阻断，受试者本能地寻求新的平衡，因而需要更多的注意力资源。此时用计算任务来干扰平衡，表面看是计算任务竞争了注意力资源，按照注意力分配原则，平衡稳定性会降低以及计算任务完成较差。实际的研究结果表明，与闭眼单任务相比，平衡稳定性更佳，计算任务表现无差异。即在缺少视觉传入时，第二任务可以协助平衡的维持。因此，闭眼时，大脑并未启用注意力分配原则来处理计算-平衡双重任务。Vuillerme等[29]提出两个假说来解释这个结论。一种是计算任务将注意力焦点从姿势控制转移，防止受试者过度关注平衡的维持，使中枢神经系统对姿势的控制更加随意，从而降低足部移动，使得平衡更稳定。另一种是下肢主动肌和拮抗肌的协同收缩，使身体僵硬程度增加而降低姿势的摆动，但其实是增加摆动的频率而降低振幅，平衡稳定性更佳。该结论与国外研究结果一致[20,30-32]。但也有研究表明第二任务会影响平衡的稳定性[12,19,33]，研究结果的差异可能与受试者的年龄以及第二任务占用注意力的程度相关。本研究的平衡维持和计算任务所占据的注意力资源小于受试者拥有的总负荷。随着年龄增长注意力总负荷降低，计算任务就会降低平衡稳定性，或者增加第二任务的难度，更多占用注意力资源同样也会降低平衡稳定性[34]。

本研究中，睁眼坐位组、闭眼坐位组、睁眼平衡测试组、闭眼平衡测试组计算正确率差异无统计学意义，说明平衡任务并没有干扰计算能力。在计算正确率方面，前面描述睁眼执行双重任务时，大脑选择牺牲计算任务占用的注意力资源或者有充足的注意力资源来维持平衡。前者引起计算正确率下降，后者则对正确率无影响。本研究的结论与后者相符，说明受试者大脑拥有足够的注意力资源。Sweller[35]提出的认知负荷理论为该研究结果提供了理论基础，当需要的认知负荷未超出大脑拥有的认知负荷时，会有多余的认知负荷供其他任务使用。也有研究表明[36]，按照神经环路重叠的原则，当认知和运动任务占用相同的神经环路时，双重任务间干扰较严重。目前关于双重任务时统计计算正确率的研究较少，且结论与本研究相反[13]。可能是因为本研究计算任务过于简单，并没有占用过多的注意力资源；或者受试者较年轻，大脑拥有足够的认知负荷；或者是本研究的计算任务大脑神经环路与平衡任务神经环路重叠较少。

综上所述，当受试者所需的注意力资源小于拥有的总认知负荷时，即受试者具备良好的认知双重任务能力，有足够的注意力资源来完成所要执行的任务，大脑不会启用注意力分配原则来维持平衡的稳定，就不会产生认知-平衡干扰。在未来研究中，可以招募有注意力缺陷的受试者，或者增大认知任务的难度，进一步观察注意力分配原则对平衡及认知能力的影响。同样考虑将注意力资源的负荷定量研究，制定不同年龄段的标准值，为提高双重任务能力和预防跌倒提供新的思路及临床价值。