杨氏太极拳习练者静息状态下比率低频振幅及工作记忆特征

梅剑 杨子燚 陈爽 潘宜康 袁小英 王二磊 岳春林

1 苏州大学体育学院（苏州215000）

2 苏州大学附属第二医院影像科

太极拳是我国一项传统的有氧运动，其运动方式柔和、缓慢，吸引了越来越多的老年人[1]。研究表明，身体锻炼可能有助于优化大脑的结构形态和功能，进而延缓认知老化[2-3]。

静息态功能磁共振成像（resting state functional magnetic resonance imaging，R-fMRI）是研究静息状态下大脑皮层的血氧水平依赖性（blood-oxygen-level dependence，BOLD）信号的自发活动，反映神经元活动引发的局部血流动力学改变。比率低频振幅（fractional amplitude of low frequency fluctuation，fALFF）可以从能量的角度反映各个体素在静息态大脑自发活动水平的高低[4]，能更好地反映大脑功能网络特征。脑成像技术的快速发展，为练习太极拳延缓老年人认知功能衰老的神经生理学机制提供了新的研究方法。

现有研究表明太极拳可能是延缓老年人认知老化的安全有效的锻炼方式[5]。本研究通过静息态磁共振技术研究太极拳组与步行组fALFF 值的差异，探讨长期太极拳锻炼是否可以改善脑功能，延缓认知衰退。

1 对象与方法

1.1 被试

本研究招募了46 位老年女性参与本次实验。基本筛选标准为：听力正常，无严重躯体疾病，无精神疾病家族史。排除精神障碍或药物、酒精依赖者，患有严重的脑神经系统疾病、肌肉骨骼系统疾病或其他运动禁忌症。其中1人因有严重幽闭恐惧症、3人因头动过大而排除。最终42位参与者符合本次实验标准。

本研究杨氏太极拳专业组（太极拳组）共纳入20人，每周练习杨氏太极拳5±1次，每次1.5 h左右，坚持锻炼6年以上。平均年龄62.81±3.02岁，受教育年限为9.05±1.96年。其中10 人为国家级社会体育指导员，8 人为一级社会体育指导员，2 人为二级社会体育指导员。步行组22人，平均年龄63.55±3.04岁，受教育年限8.73±2.21年，以步行为主要锻炼方式，每周不少于5次，每次不低于1.5 h，坚持锻炼6年以上。

实验开始前，告知被试本次试验的目的、实验内容以及实验过程中的注意事项，所有被试者都是自愿参加本研究，并签署了知情同意书。

1.2 行为学数据采集

N-back范式是让被试者将当前所呈现的刺激与倒数第n 个刺激进行比较，并根据比较结果进行按键反应。N-back被认为是测量工作记忆中更新功能的重要范式[6]。更新是指根据新呈现的信息不断更改工作记忆的过程，体现了人们不断对记忆中内容进行修正的能力[7]。Friedman等研究发现，相对于其它中央执行功能，工作记忆的更新功能与高级认知活动之间的关系最为密切[8]。

本实验采用2-back 范式，刺激的呈现以及反应记录均由计算机自动控制。实验刺激程序用E-prime2.1编制而成，实验的刺激材料由20 cm×20 cm的1～9数字呈现于白色的背景图像上，整个刺激出现在屏幕中央。采用戴尔17 英寸的液晶显示器，分辨率为1024×768，实验时的屏幕背景为白色。实验采用event 实验设计，一个trial的时间序列为：注视点“＋”呈现时间在300～600 ms之间，刺激呈现500 ms，到下一个刺激出现前随机的2400～2700 ms 为反应时间，其中匹配刺激与不匹配刺激比例为1∶1，以伪随机循序呈现正式测试，正式测试为100个trial。受试者的任务是判断当前出现的数字和它前面隔一个出现的数字是否相同，并记录被试的正确率与反应时（图1）。实验过程：受试者坐在隔音的房间里，在计算机屏幕上会呈现指导语，受试者理解实验任务后进行练习程序，练习结束后进入正式实验，要求受试者注意计算机屏幕中央，刺激出现时迅速按键反应，被试者距离屏幕约60 cm，正式实验时间大约为5 min。

图1 2-back范式刺激呈现示意图

1.3 磁共振数据采集、预处理和fALFF值的计算

1.3.1 磁共振图像数据采集

磁共振图像采集于苏州大学第二附属医院MRI磁共振室的飞利浦3.0T 磁共振扫描仪，所有被试者的功能像采用梯度回波平面成像序列（gradient echo planar imagine，EPI）获得，扫描参数为：TR=2000 ms，TE=30ms，视野（FOV）=220 mm×220 mm，翻转角=90°，矩阵=64×64，层数=36层，层厚=4 mm，扫描时间400 s。所有扫描操作由熟练磁共振操作的放射科医生完成。采集期间，被试者平躺于扫描仪内，头部调整至舒适位置后给予适当固定，要求被试保持头部与身体不动，自然清醒放松状态。扫描结束后所有被试者均反馈没有做任何意向性思维，也没有睡着。

1.3.2 R-fMRI数据预处理

使用DPABI 软件在Matlab2013b 平台上对数据进行分析处理。步骤如下：删除前10个时间点的图像数据，保留静息态下的190 个时间点的数据。然后进行时间校正与头动校正，依据头动校正曲线，排除头动在x、y、z轴平移大于3 mm与旋转大于3°的受试者。将头动校正后的数据配准到蒙特利尔神经病学研究所神经空间（Montreal Neurological Institute，MNI）坐标，通过空间标准化到MNI EPI模板减少个体间的差异。之后采用半高全宽（FWHM）为6 mm×6 mm×6 mm 的高斯平滑核进行平滑处理，处理后的数据采用线性回归方法去除其线性漂移。之后以白质信号、脑脊液信号以及头动参数作为协变量进行回归，以去除生理上的影响[9-10]。

1.3.3 fALFF值的计算

将去线性漂移后未滤波生成的图像运用DPABI软件进行fAFLL值分析。首先对0.01～0.08 Hz信号的功率谱行开方计算，得到ALFF 值；之后将此范围内的低频振幅相加得到总和值，与全频段振幅总和值相除，得到fALFF值；再将每个体素的fALFF值与全脑信号幅值的均值相除，对全脑体素进行标准化处理，每位受试者获得一个平均的fALFF图（mfALFF）。

1.4 统计分析

采用SPSS19软件对太极拳组与步行组的年龄、教育年限以及2-back 行为结果进行独立样本t 检验。利用参数统计图（statistical parametric mapping，SPM12）软件以年龄、受教育年限为协变量，独立样本t 检验对两组脑功能图进行统计分析。采用Alpah Sim 校正，P＜0.005，体素数量＞33 的脑区定义为有统计学差异的区域。Mricron软件进行结果呈现。提取太极拳组与步行组有差异脑区的fALFF值与行为学结果做Pearson相关分析，P＜0.05。

2 结果

2.1 一般资料比较

两组年龄、教育年限之间无统计学差异。行为学结果显示，在2-back 任务中，太极拳组在正确个数、反应时间方面，与步行组之间差异有统计学意义（P＜0.01，P＜0.05）。见表1。

2.2 太极拳组与步行组在0.01～0.08 Hz 频段fALFF差异脑区

在0.01～0.08 Hz频段左侧额中回fALFF值太极拳组大于步行组（表2，图2）。通过提取差异脑区的fALFF 值进一步研究发现太极拳组左侧额中回的fALFF值与2-back工作记忆刷新任务的反应时间存在相关性（r=0.576，P=0.007），而在步行组中没有明显的相关性（r=0.321，P=0.145）（图3）。

表2 太极拳组与步行组0.01～0.08 Hz频段fALFF的差异脑区

图2 太极拳组与步行组差异脑区定位图

图3 太极拳组与步行组差异脑区fALFF值与任务反应时间相关性

3 讨论

静息态功能性磁共振成像（R-fMRI）技术是一种新的脑功能成像方法，能够测量大脑的内在或自发神经活动[11-12]，是研究静息状态下人脑自发神经活动的重要手段[13]。大脑在静息状态下，自发的脑区之间活动的相关分析可以更完整地揭示功能上和解剖上密切联系的神经环路[14]。本研究通过静息态功能磁共振技术研究发现太极拳组与步行组0.01～0.08 Hz 频段的fALFF值在左侧额中回脑区存在差异，同时发现太极拳组在左侧额中回脑区的fALFF值与2-back任务反应时间存在统计学上的相关性。

大脑许多脑区存在着自发的神经活动，包括记忆系统、默认网络等。而额叶作为默认网络重要的脑区已经引起研究者的广泛关注。额叶皮层是衰老所致神经元损失最大的区域之一[15]。脑成像研究证明了大脑前额叶在工作记忆中的重要作用，前额叶作为工作记忆的关键脑区[16]，相关研究已经发现前额叶参与记忆的编码、维持与检索[17-18]。研究发现，包括太极拳锻炼在内的多模式干预方式可以增强老年人前额叶的fALFF 值[19]，持续12 周的太极拳锻炼后练习组的前额叶fALFF 值显著高于对照组[20]。本研究发现太极拳锻炼能够增强额叶自发的神经活动，与之相吻合，我们推测太极拳锻炼增强了神经系统的活性，进而增加额叶的血流量，从而增强静息态条件下额叶的神经活动。

工作记忆的行为实验及认知实验研究日趋成熟，基于倒数n项测验范式的n-back任务是研究工作记忆最常用的认知实验之一。研究者们基于该实验利用神经影像技术研究人类工作记忆的脑机理以及负载效应等都取得了丰硕成果[5-21]。工作记忆作为人类高级认知活动的核心，信息加工过程复杂[22-23]。研究证实，工作记忆在老年期出现衰老，是多种认知功能老化的重要中介变量[24-25]。有间接证据表明工作记忆的刷新功能与流体智力在前额叶区存在着部分重叠[26]。另外有研究发现工作记忆的训练能够增强额中回与额下回的激活强度[27-28]。工作记忆训练能够增加前额叶的激活程度，通过工作记忆训练使得工作记忆能力提高。本研究发现太极拳组在工作记忆任务中的反应时明显短于步行组，且反应时与左侧额中回的FALFF 值存在统计学意义的相关性，这种神经活动与行为表现正相关可能是由于长时间的太极拳锻炼对额叶产生持续累积效应，进而引起认知脑功能变化，通过提升工作记忆的能力进而延缓老年人认知功能的衰老。虽然工作记忆刷新过程与传统的工作记忆任务在信息保持上有些相似，但工作记忆训练与身体锻炼是否有着相同的作用机制还不得而知，它们在工作记忆中的确切作用还有待深入研究。

最近有研究表明身体与心理等多模态相结合的干预方式能够更好地促进老年人的认知功能[29-30]。尽管大脑中频段的起源、关系和特定生理功能尚未完全阐明，我们的研究有助于确定相关频段信号的神经生理学基础。目前关于额叶在太极拳中的研究较少，其在太极拳锻炼生理机制中的作用和地位尚需进一步研究。

4 结论

本研究应用比率低频振幅分析方法比较了静息状态下太极拳组与步行组脑功能活动的改变，探讨了太极拳锻炼对老年人认知功能变化的影响，提供了神经影像学方面的证据并探讨了可能的神经生理学机制。太极拳组存在静息态下与工作记忆相关的左侧额中回活动增强，推测太极拳可能通过改善工作记忆功能进而延缓老年人认知功能衰退。本研究存在一定的局限性，研究样本量相对较少且缺乏纵向比较，未来的研究我们将通过多重技术及纵向采集多时间点等方式进一步加强太极拳锻炼对老化和工作记忆的研究，进一步探讨太极拳锻炼延缓老年人认知功能衰老的脑机制。