双任务范式在中枢神经疾病中的应用及研究

李沁议，罗思仪，蒋咏春，陈德龙，赵碧仪，林 强，陈泓鑫，许方遒，唐贵兵，郑煜欣*

1 广州医科大学附属第五医院，广东广州 510700；2 广州医科大学第五临床学院，广东广州 511436；3 湛江中心人民医院，广东湛江 524045；4 广东高校生物靶向诊治与康复重点实验室，广东广州 510700；5 广州医科大学第一临床学院，广东广州511436

日常生活活动多为双任务或多任务的整合，如一边行走一边与朋友交谈，在驾驶的同时规划线路等。然而，目前针对中枢神经系统疾病的常规康复训练多注重单任务条件下的功能恢复，存在治疗效果难以迁移至日常生活活动的问题。所以，双任务范式的机制研究有利于在评估及训练中应用。其中，最为常见的是认知任务与运动任务的结合，即认知-运动双任务［1］，以下简称“双任务”。

当处理双任务的脑资源超出中枢加工能力范围时，双任务执行过程会出现2 个任务间相互影响的现象，这在认知-运动领域内被称为认知-运动干扰（cognitive-motor interference，CMI）。CMI 可通过公式量化，具有客观衡量双任务难度、评估双任务有效性的作用。双任务不仅可作为一种评估方法，还可以作为一种训练方法应用于临床康复治疗。既往研究表明，双任务训练设置更贴合患者的功能缺陷，可根据患者的个体情况施加不同类型及负荷的双任务［2］；且其训练效果并不仅限于任务本身，同时易于迁移至日常生活中［3］。

功能性近红外光谱成像技术（functional near infrared spectroscopy，fNIRS）兼备便携性与无创性的优点，有利于实时监测真实环境下任务执行的脑血氧信号变化，较脑电图（electroencephalogram，EEG）和功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）突破了任务实施的环境限制，丰富了双任务范式的选择，为深入研究双任务的机制提供了技术保障，并有效判断了双任务的任务效能。所以，本文从双任务干扰机制、双任务的常见范式以及基于fNIRS 的双任务范式在常见中枢神经系统疾病临床应用3 个方面作一综述，目的是梳理双任务的机制假说，总结与中枢神经疾病相对应的双任务范式，为双任务临床应用提供更多参考。

1 双任务干扰机制

1.1 双任务干扰的理论模型

双任务干扰机制中应用最广泛的为容量有限模型，该模型认为任务处理统一经过一个处理系统，即“中央执行系统”。由于任务执行过程中竞相争夺注意资源，如2 个任务处在同一个处理阶段或难度过高时，“中央执行系统”的处理容量趋向饱和，无论是主动执行的双任务还是被动触发的双任务，2 个任务的处理速度都会下降［4］。FARGIER 和LAGANARO［5］对健康成人的主动命名与被动听觉刺激的双任务研究支持了这一机制，研究结果显示命名和听力之间的相互干扰与争夺注意需求相关。

即使容量有限模型解释了双任务性能上限，但仍有学者认为此模型集中于应用同一资源的双任务，难以代表其他运用不同资源执行的双任务。所以，在容量有限模型的基础上发展出了“多任务模型”，扩充了其应用范围。多任务模型假设不同类型的任务对应使用相关脑资源，不同脑资源经过不同执行系统，比如知觉和认知活动与大脑中央沟后方的神经活动有关，而运动的执行活动则归属中央沟前回统管。同时，资源重叠的双任务会导致更差的任务表现，例如2 个听觉任务同时执行将阻碍处理时间的分配，导致完成2 个任务的时长更长［6］。相关神经影像学与动物实验证据支持多任务处理模型，认同每个脑区负责相应功能及其处理资源，双任务处理时调动任务需求的功能脑区，协调完成任务时长与认知资源的分配［7］。

1.2 双任务干扰的影响因素

CMI 产生的最主要机制源于有限的认知资源，同时执行2个任务的认知资源需求超过了中枢加工能力范围，导致任务间产生竞争。CMI 主要受任务难度、任务优先级及自身因素影响。

任务难度取决于任务本身的新奇度与复杂度，其中新奇度代表受试者对该任务的熟悉程度；复杂度代表任务需要的注意资源。任务的整体难度可通过新奇度与复杂度简单归类为高、中、低难度。如平地步行新奇度与复杂度均低，属于“低难度”；若步行的同时需要手持水杯，则增加了任务的复杂度，升级为“中难度”。在冰面上行走非日常任务，对于缺乏冰面行走经验的受试者是高新奇度的体现；若同时需要手持水杯，则整体的任务难度升至“高难度”。此难度分级可泛化至双任务领域，对双任务进行简便的难度划分［8］。

任务优先级与执行者的功能状态、任务的类型或难度设置等条件均相关，影响注意力分配的比例和方向。如老年人、脑卒中患者、无认知障碍的帕金森病（Parkinson's disease，PD）患者均倾向于优先保障运动表现［9-11］；而健康年轻人在双任务执行过程中可随意切换“运动优先”或是“认知优先”［12］。

受试者的自身因素对CMI 的影响也不容忽视，尤其是受试者的认知功能水平。TRAMONTANO等［13］对不同认知状态受试者的单、双任务执行过程中的步速与躯干加速度进行比较，在双任务负荷下，健康老年人降低步速和躯干加速度用以维持步态稳定性，而脑卒中后认知功能障碍患者仍维持高步速与高躯干加速度，可能导致跌倒风险增加。

1.3 双任务效应

双任务效应（dual task effect，DTE）是通过计算特定参数在双任务（dual task）与单任务（single task）表现间的差异百分比来反映量化CMI的重要指标［14］。其中与任务表现呈正相关的参数（如步频、步速、步幅等），DTE 的计算选用公式①；与任务表现呈负相关的参数（反应时、步态变异性等），DTE 计算则选用公式②。公式如下：

DTE 值的正负可进一步分析双任务干扰造成的影响。负值代表双任务表现相对于单任务下降；正值代表双任务表现相对于单任务的增益。如BAEK 等［15］对脑卒中人群进行了一组为期6 周的随机对照试验，试验组是步行训练同步认知训练，对照组则在步行训练后进行坐位的认知训练。终末评估结果发现，试验组干预后的步速较干预前提升了0.09 m/s，DTE步速从21.85%下降至10.75%；且与对照组相比，步速与DTE步速的比较差异有统计学意义（P＜0.01）；在认知方面，试验组干预后正确率提升10.12%，DTE正确率下降13.08%。该研究中运动和认知表现的DTE 均下降，提示了双任务步态训练可以用于改善双任务步行的CMI，从而提高卒中患者的双任务执行能力。由此可见，DTE 不仅有助于理解任务优先级和整体任务难度的变化，进而完善CMI模型；还可以用于对比双任务训练的治疗效果，在临床实践中建立一致的双任务训练指标。

2 双任务的常见范式

通过双任务的灵活设置以较好模拟日常生活活动，对于中枢神经系统疾病的评估和治疗具有重要意义。既往研究常见的任务范式设置经验包括：①运动任务多选用步行、平衡等较多涉及躯干及下肢运动的任务，偶见上肢运动任务；②认知任务的选择常与拟评估的认知域相关联，可分为反应时任务、辨别与决策任务、工作记忆任务、心理跟踪任务、语言流畅性任务5 类［16］。也可以根据拟康复的认知域设置不同双任务训练范式，针对性地提高其听觉注意、认知抑制与控制、平衡等能力。

2.1 常见的运动任务范式

2.1.1 步行任务 步行是人类进行社会参与的最基本运动功能之一，也是中枢神经系统疾病患者康复训练的主要目标。在双任务范式中，步行任务可有多种变体和难度的设置：平地步行常作为基线出现；而跑步机步行、在不同平面步行、起立行走测试（timed up and go test，TUGT）等方式，则满足了进行不同任务复杂性的双任务步行训练的需求。有多项研究证实，中枢神经系统疾患可通过步速、步幅、步频等参数评估患者的步态表现，进而分析双任务训练的治疗效果和跌倒风险［12，17］。

2.1.2 姿势控制任务 姿势控制是人体在静态和动态活动中维持平衡的过程［18］，涉及认知资源的占用。所以，认知-姿势控制双任务对评价老年人和中枢神经系统疾病的跌倒风险具有重要意义［19-20］。静态姿势控制多用直立，可视难度需求改变承重平面（如软垫、不平路面等）或足部姿势（双脚并拢、足跟接足尖站、单足站等）。动态姿势控制测试以直立位为主，可通过支撑面的各角度的倾斜变化来评估被试者的姿势控制能力。常通过压力中心（center of pressure，COP）的摆动范围或极限稳定参数以体现被试者的姿势控制任务表现［21］。

2.1.3 上肢运动任务 上肢的运动范式常见的为抓握杯子等作业活动［22］。近年来，随着体感游戏［23］、上肢机器人［24］等技术的引入，实现了视觉认知或词语联想任务等认知任务的融入，极大地增加了认知-运动双任务的多样性。例如，通过屏幕上的移动光标给予视觉反馈，引导被试循圆形或十字形运动［25］，测量以腕部为中心的水平及垂直移动距离，及完成运动的时长。

2.2 常见的认知任务范式

2.2.1 Stroop 范式 Stroop 范式是检测注意资源分配与抑制干扰的经典范式。即命名某个字词的颜色时，书写目标字（颜色词）的颜色与目标字的语义之间产生干扰作用。当Stroop 范式被用于双任务时，可通过正确率及反应时反映认知表现，常成为执行功能测试的首选。既往研究表明，Stroop 双任务中的测试结果或平衡DTE 改变，对脑卒中后认知障碍、多发性硬化（multiple sclerosis，MS）等人群早期筛查有提示意义［26-27］。

2.2.2 N-back 范式 N-back 是工作记忆研究范式中最常选用的一种，被试通过记忆刺激序列，来确认当前刺激是否与当前倒数第N个刺激相同。在双任务中，N-back 可通过调整N 的个数，达到施加不同认知负荷的效果［28］。CHATAIN 等［29］在试验中纳入18名青年人，分别进行股四头肌收缩同步1-back任务和2-back 任务。试验结果显示，2-back 任务比1-back 任务耐力时长下降，证明了双任务期间运动表现下降与认知负荷有关。N-back结合fNIRS可评估认知负荷与大脑激活水平的关联，HERMAND等［30］发现亚急性卒中患者边步行边执行N-back 任务时，前额叶氧合水平达到上限，验证了双任务情境下，亚急性脑卒中的患者认知能力随认知负荷的增加而下降。

2.2.3 减法序列与词义联想 减法序列是最常见的心理跟踪任务，常从随机数开始运算减7序列、减3 序列、减1 序列，其中减1 序列对脑卒中患者的步速产生了最大的CMI［31］。词义联想是常用的语言流畅性任务，常与连续减法组合测试，此组合结合步行任务被证实对轻度认知功能障碍（mild cognitive impairment，MCI）预测有较高的敏感度［32］。TSANG等［31］的研究显示，心理跟踪任务与语言流畅性任务比其他认知任务带来更大的认知负荷。

3 基于fNIRS 的双任务范式在神经系统疾病中的应用

3.1 功能性近红外光谱成像技术

既往fNIRS、fMRI、EEG 等非侵入性检测技术均有用于双任务的相关研究。EEG 通过神经元的神经电信号可直接、无创地检测大脑激活情况，具有较高的时间分辨率，但空间分辨率相对较弱［33］。fMRI 可以在亚毫米水平上以高空间分辨率监测全脑功能变化，但其易受运动伪影影响，且测试费用高、仪器噪音较大、封闭性较强、时间分辨率相对较低［34］。fNIRS 利用近红外光对人体组织的通透性，探测散射后的光源强度，通过监测皮层区域血流动力学反应，计算含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白的浓度变化来反映组织血流动力学变化，从而推断大脑神经活动［35］。fNIRS 能在厘米水平内实时监测大脑激活情况，相比EEG 和fMRI，具有较高的时间分辨率和空间分辨率。且fNIRS 对于测试环境要求低，可在更少的限制和更自然的环境中评估动态运动过程中的大脑活动情况，如在自然环境下行走、在外骨骼辅助下行走、在平衡仪上维持平衡等，非常有利于双任务范式的评估［10，36-38］。

3.2 双任务范式在脑卒中的应用

脑卒中是由于脑血管破裂或堵塞导致的脑血管疾病，50%以上的患者会遗留不同程度的运动功能障碍和认知功能障碍［39］。双任务范式下的功能评估和康复训练在脑卒中康复领域中具有优势。

在康复评估方面，TSANG 等［40］将2 项步行任务（常规步行和跨障碍步行）和8项认知任务随机组合为不同认知-运动双任务，评估其相关性，以检验结构效度，并在7～14 d内对同一双任务分别进行2次评估，以检验重测信度，结果显示双任务对于评估社区脑卒中患者的功能状态是可靠、有效的。且DTE行走时间可作为认知-跨越障碍步行双任务下有效的跌倒预测因子，用以识别脑卒中后跌倒风险的高危人群［41］。另外，HERMAND 等［30］发现早期亚急性脑卒中患者在认知-步行双任务中，前额叶皮层（prefrontal cortex，PFC）氧合水平不随行走条件或认知负荷的改变而增加，已达到上限，提示患者的步行表现与认知负荷无显著相关，但患者的认知表现会因认知负荷增加而受到负面影响，提示脑卒中后早期阶段可能需要大部分注意力资源维持患者运动表现，因而没有足够的资源用于维持同时进行的认知任务表现。CHATTERJEE 等［42］的试验进一步验证了HERMAND 等［30］的结论，他们将33 名慢性脑卒中患者根据简易精神状态量表（mini-mental state examination，MMSE）评分的中位数分为2 个亚组，发现低认知功能组患者（21≤MMSE≤27）在认知单任务和双任务条件下没有表现出PFC 招募的显著变化，表明2 项任务的执行都达到或接近PFC 资源招募上限，即认知功能缺陷会降低PFC 资源招募的上限；而高认知功能组（MMSE＞27）在双任务中比认知单任务表现出更多的PFC 招募，但从单任务到双任务的认知表现显著下降，反映了脑卒中患者PFC 资源利用率低。所以，脑卒中后患者双任务能力缺陷可能与其自身认知容量下降有关。脑卒中患者的双任务训练方案可依据增加PFC 资源容量为目标或优化PFC 资源利用率为目标调整。相关研究需要进一步完善。

在康复训练方面，不同类型的双任务训练已被证实可提高患者的认知表现和运动性能［43-44］。BAEK等［15］研究发现，慢性脑卒中患者结合认知任务（包括工作记忆任务、语言流畅性任务和Stroop 范式）的跑步机双任务训练在提高步行速度和认知功能方面比跑步机单任务训练更有效。王金芝等［45］研究发现，连续减3 运算结合步行的双任务训练能有效改善脑卒中患者的步行功能和执行能力。同时，双任务训练已被证实具有双任务迁移效应（dual task practice advantage，DTPA）［3］。如被试通过双任务训练重获或习得注意力分配技巧，从而提高双任务执行能力表现，且训练效果还可迁移至其他同类型的任务场景。但DTPA 的相关脑功能机制尚不明确，仍需继续研究。当前有fMRI 研究发现脑卒中患者功能的恢复与大脑皮层的可塑性相关，通过大量重复性针对性的双任务训练，可以促进脑的功能性重组，改善患者的认知功能和运动功能［46］。

3.3 双任务范式在帕金森病中的应用

PD是常见的神经退行性疾病，主要症状为运动迟缓及震颤，其中步态冻结（81%）、姿势不稳和跌倒风险增加（87%）等运动症状是导致PD 患者进行性残疾的主要因素［47］。此外，认知功能障碍、睡眠障碍等非运动症状加剧了PD的残疾。

RANCHET 等［48］通过fNIRS监测发现PD 患者相比健康人在连续减7运算的双任务行走过程中背外侧前额叶（dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC）的活动增加。连续减法是心理追踪任务，而DLPCF 在心理追踪所属的执行功能中发挥重要作用，故推测PD患者的执行功能缺陷需要DLPFC 激活补偿。BELLUSCIO 等［49］使用fNIRS 监测PD 患者和健康对照组在环型步道步行任务，发现PD 患者在转向过程中的PFC 激活较正常人增加，且与较差的转向表现相关联。PD可导致广泛的皮质功能障碍，其中姿势不稳型PD 患者因皮质通路的受损较为严重，导致注意代偿难以支撑双任务行走的需求，需通过提高PFC 激活程度完成任务［50］。VITORIO 等［51］的研究也证实在监控PD 患者人群的步行控制能力降低方面，双任务下PFC 激活比双任务步态测量更敏感。据此提示，PFC的激活增高可能用于作为PD运动控制较差的生物标记物。

运动训练已被证明可以有效改善PD 患者的运动障碍［52］。进而，MAIDAN 等［53］应用fNIRS 研究健康老年人和PD 患者中在不同双任务（倒数-步行双任务、跨越障碍步行任务）下PFC 的激活情况，发现在PD患者中跨越障碍任务会显著增加PFC激活，认知任务却未见PFC 激活增加，与健康老年人的PFC反应相反。研究结果提示，双任务类型可能影响额叶反应在步行中的作用。其后，MAIDAN 等［54］还发现对PD 患者实施6个月的不同运动任务训练（跑步机训练、跑步机训练结合虚拟现实技术）后不仅能改善患者运动表现、降低跌倒风险，还能降低步行过程中的PFC 激活，其中双任务训练下降幅度大于单任务训练。

此外，基于fNIRS 的双任务在PD 药物治疗效果及机制研究方面具有良好的前景。“左旋多巴过量假说”指左旋多巴可改善帕金森病的运动症状，但它在大脑不同区域的药物浓度不一致，导致PFC 等区域可能吸收过高的药量，从而有降低执行功能与注意力的可能。DAGAN 等［55］则通过进一步研究患有冻结步态的PD 受试者的双任务步态表现和PFC激活情况来验证“左旋多巴过量假说”；fNIRS 双任务步行研究下发现多巴胺类药物改善纹状体和皮质区之间的功能连接，但过度激活了PFC，会加剧PD步行对多巴胺类药物的依赖。ORCIOLI-SILVA等［56］通过fNIRS 研究了多巴胺对PD 患者双任务行走时PFC激活和步态参数的影响，发现未服药PD患者在单双任务条件下的左侧PFC 激活未见明显差异，服药后PD患者在双任务条件中的PFC激活程度高于单任务，且单双任务中，服药后PD 患者较未服药的步行表现更好，提示多巴胺类药物不仅可以改善步态表现，还有促进左侧PFC 激活的作用。据此可见，双任务范式对于指导PD 用药具有重要意义，需要未来深入研究。

3.4 双任务范式在多发性硬化中的应用

MS 是一种慢性中枢神经系统脱髓鞘疾病，50%～80%的MS患者有平衡和步态障碍，且超过一半MS 患者每年至少跌倒1 次［57］。在生活中，MS 患者的功能性平衡易受到CMI 的负面影响。有研究发现MS 患者的双任务表现与残疾和认知障碍程度呈负相关［58］。fNIRS 在MS 患者执行双任务过程中可检测功能活动对应的活跃脑区，有助于增加对MS相关功能缺陷的大脑机制研究。

CAMERON 等［57］研究发现，MS 的日常运动缺陷主要体现在步速降低、步行失稳及躯体摆动减少，并与以下3 个问题相关联：①保持姿势的能力下降；②向稳定极限方向的运动受限；③对姿势位移和扰动的反应延迟。故当前研究多选用姿势维持任务作为MS 患者双任务应用的运动任务。HERNANDEZ 等［59］使用fNIRS 研究在中老年MS 患者中执行步行单任务和背诵-步行双任务时的PFC 状态，发现老年MS 患者执行双任务时，通过增强PFC激活来弥补因注意力分散导致的步行表现下降。CHAPARRO 等［60］通过fNIRS 监测MS 老年人和健康老年人在使用减重支持系统（partial body weight support，PBWS）时的双任务（对比步行单任务与步行-言语双任务）的表现，发现MS 患者可通过提高PFC 激活水平弥补低下的神经效率，保持双任务表现。综合以上试验，可发现姿势维持任务可有效提高MS 患者的步行控制能力，具备降低跌倒风险的潜力。除了PFC，辅助运动区（supplementary motor area，SMA）和运动前皮层（premotor cortex，PMC）也在执行功能和工作记忆中发挥重要作用［61］。SALEH等［62］应用fNIRS 测量出MS 患者的双任务认知表现下降与不同的皮质激活模式有关。左侧PMC 仅在MS 组执行认知单任务时活跃；而右侧SMA 则在双任务期间呈现较高激活，且与较差的运动和认知表现相关。

3.5 双任务范式在轻度认知功能障碍中的应用

MCI 是正常认知衰退和痴呆的过渡阶段，每年有10%～15% MCI 患者进展为痴呆［63］。一方面，双任务范式可用于MCI 的早期诊断及识别，已被广泛研究并应用于临床。MCI 患者除了认知缺陷，在运动控制方面也有相应的改变，有学者发现MCI 患者跌倒风险与依赖高水平大脑控制的步态参数的下降相关［64］。因此，早期识别与MCI 相关的步态平衡的损伤对于个体化的精准康复具有重要意义。有研究报道［65］，步行速度的CMI 是双任务步态评估的重要参数，有望成为MCI 的潜在筛查工具。BAHUREKSA 等［66］发现双任务步态评估比单任务评估更有助于检测与认知相关的步态变化，同时，双任务步态评估的敏感性因所结合的认知任务而异，其中具有高认知需求的算术任务（连续减7）有较高的敏感性。WANG 等［67］基于fNIRS 的分析发现，相比健康人群，仅有MCI 患者的双任务步态成本与脑功能连接相关，且与高敏感性的认知任务（1 000 减7）产生较高的相关性，证明fNIRS 结合双任务范式可作为认知障碍的早期筛查工具，并可通过设计更敏感的任务范式来区分认知障碍人群。

另一方面，双任务范式还可作为MCI 患者的干预手段。朱玲玲等［68］将MCI 患者分为2 组，仅对试验组进行3 个月的双任务训练，发现双任务训练能有效改善MCI 患者的认知功能，并降低跌倒风险。但HOLTZER 等［69］发现MCI 患者进行单次重复的双任务练习后，患者的任务表现没有明显改善，这可能与训练时间短有关。因此，为了体现双任务的显著效果，有必要保证训练的频率与时长对MCI 患者任务表现的影响。

4 小结与展望

综上所述，双任务范式具有形式多样、可有效模拟日常生活活动、更全面评估患者认知和运动功能表现等优势；且双任务还可作为训练策略，有效改善中枢神经疾病患者的功能及促发大脑可塑性，有利于患者回归日常生活。fNIRS 作为脑功能实时动态监测的非侵入成像技术，其安全、便携、较高时空分辨率的优点适宜双任务范式的相关研究。然而，基于fNIRS 双任务范式研究仍局限于小样本、横断面研究。未来的探究需要着重扩大样本量及扩展中枢神经疾病病种，从而进一步完善双任务范式的脑功能机制研究，为临床应用提供可靠的理论依据，提高康复效力。