太极拳训练脑效应机制研究进展

王雅君，徐姝蕊，刘 娇

1福建中医药大学康复医学院，福建 福州 350122；2福建省康复技术重点实验室，福建 福州 350122；3福建中医药大学康复产业研究院，福建 福州 350122；4中医骨伤及运动康复教育部重点实验室，福建 福州 350122

太极拳作为我国原创的传统运动康复疗法，根植于我国哲学太极观念并充分吸收宋明理学理论成果，兼收并蓄道家养生思想，体现儒家以“仁”为本的伦理道德观。在太极、道学、儒学三大传统学术思想中诞生的太极拳，练习讲求形神合一、内外兼修，练习的最高境界是“调身、调息、调神”三调合一［1］，可达到神志专一、精神内敛。《类经》认为“形者神之体，神者形之用；无神则形不可活，无形则神无以生”，指出形神共养的重要性。太极拳外主动而养形，内主静而养神，形神共养，在练习过程中动作与意识相互结合，以心志活动带动形体动作，要求精神意志的自我控制，可提高神经系统的兴奋性和对脑功能活动的调节能力。

近年来随着脑电、近红外检测和功能核磁共振等技术的发展，越来越多的研究发现太极拳对多种疾病、功能障碍（如认知功能、情绪、运动障碍等）的改善与调节大脑结构、功能活动相关。本研究拟从太极拳对脑神经环路/网络影响的角度对太极拳相关的脑效应机制进行综述，以期为后续更深入的研究提供思路。

1 太极拳训练对脑电波信号特征的影响

脑电是一种检测脑细胞群自发性和节律性电活动的高时间分辨率技术，记录大脑活动时的电波变化，是神经细胞电生理活动在大脑皮层或头皮表面的总体反映［2］。不同病理状态或大脑在不同状态下，各导联脑电图信号特征各不相同。目前，太极拳运动对脑电信号特征影响已经被广泛应用于观察太极拳神经活动的效应。长期练习太极拳可以提高中老年人安静闭目状态下α波功率［3］。研究发现，受试者太极拳运动后心率恢复到安静状态时，前额区α波相对功率显著增高且与练习者积极情绪的改善显著相关［4］。此外，太极拳训练还可以降低睡眠剥夺男性受试者脑电信号的低频成分，干预后受试者δ波、θ波、α1波、α2波、β1波、β2波均值降低［5］，有经验的太极拳练习者α1、α2节律含有率显著高于初学者，且太极拳式呼吸前后脑波处于α2节律的优势状态，太极拳的意念调节放松后头部顶叶及枕叶的α2节律含有量也明显高于放松前［6］。太极拳具有易化练习者脑皮质α波的效应，且与人体内在注意力集中有关［7］。太极拳调身、调息、调心相互作用，练习过程中“用意不用力”，需要注意力持续集中在当下动作，对身体姿势控制有利于维持注意力的稳定性，对注意目标保持警觉与监控。太极拳练习有助于注意力的提高。以上研究表明太极拳练习过程中对注意力的控制可能与调节大脑皮层α波的节律和活动有关。然而，目前太极拳训练对脑电波影响的文献较少，且普遍纳入的样本量较小，如仝飞舟等［5］仅纳入6例男性受试者。

2 太极拳训练对事件相关电位信号特征的影响

事件相关电位是人对客体进行认知加工（如记忆、思维）时，通过平均叠加技术从头颅表面记录到的大脑电位，是一个高波幅、长潜伏期互相波，多在刺激后300～500 ms内出现。事件相关电位是心理生理学研究中脑功能的重要客观指标，是观察脑内信息加工的窗口［8］。

2.1 太极拳训练对P300电位的影响

P300是出现在事件刺激后300 ms左右的电位，是大脑对信息的初步认知加工过程，它可以为认知障碍诊断及其严重程度判断提供神经电生理依据［9］。研究发现太极拳训练可以提高包括慢性阻塞性肺疾病-阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征重叠综合征、健康老年人在内的不同人群P300峰值，缩短其潜伏期［10-11］。P300与记忆过程和认知资源的分配有关，可以测量在工作记忆/刷新过程中分配资源能力的极限。太极拳训练后P300潜伏期缩短，表明太极拳训练者能够以较高的资源配置能力处理工作记忆过程中的信息，在信息处理中具有更快的认知加工速度。太极拳训练后P300峰值增加，可能是由于太极拳训练可以使受试者工作记忆在早期匹配、判断过程中调用更多的注意资源，加速刺激的评估。

2.2 太极拳训练对N400电位的影响

N400是出现在事件刺激后400 ms左右以各种语言操作任务诱发出的负相电位，与语言加工过程有关［12］。研究发现对于军人慢性精神分裂症患者，太极拳训练后N400潜伏期缩短，波幅升高［13］。N400潜伏期反映词语物理特征提取阶段认知加工，词语特征提取加工越快，进入词语选择阶段认知加工越早；波幅则反映词汇后信息整合的难易程度，间接代表大脑的感知容量与认知资源。太极拳“以意导形，以意导气”，练习过程中手、眼、身、步、心（意）内外协调一致，紧密配合，协调动作，在运动中精神高度集中，有利于调用更多的认知资源在目前进行的活动中，提高练习者脑感知容量，加快认知处理过程。

3 太极拳训练对脑部血流状态、血氧水平和代谢的影响

脑是机体的高级神经中枢，组织代谢旺盛、耗能多，且脑的葡萄糖代谢几乎都是需氧代谢，脑组织对缺氧敏感，对缺氧耐受性差。通过观察脑部血流、血氧和代谢特征可以了解脑的功能状态。太极拳训练可以增加老年受试者前额叶氧合血红蛋白和总血红蛋白水平［14］。12周太极拳训练后老年受试者后扣带回N-乙酰天门冬氨酸/肌酸比率升高［15］，提示太极拳训练可以改善其相关脑区的代谢水平。与无太极拳锻炼经验的受试者比较，长期太极拳练习者（5.5～30年）双侧大脑中动脉、大脑前动脉、大脑后动脉收缩期峰血流速度、舒张末期血流速度和搏动指数显著升高［16］，长期进行太极拳锻炼的老年人在脑血管血流动力学指数评分、平均血流速度、动脉阻力指数表现上明显优于与其年龄、性别、BMI相匹配的对照组，太极拳训练改善脑血流状态和脑血管功能［17］。太极拳运动时练习者呼吸运动加强，腹式呼吸和胸式呼吸结合，加大横膈上升、下降幅度，确保组织器官获得充足的血液供应。太极拳为中、低等强度的有氧运动，其动作柔和缓慢，连贯圆整，练习中要求动作与呼吸配合，以意念引导动作，具有改善神经内分泌调节功能、改善循环系统机能状态、促进代谢酶的活性、降低血脂、减少脂肪在血管壁的沉着、改善脑血流速度的作用。

4 太极拳磁共振成像研究

功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）是利用超快速成像技术，根据大脑在受到一定刺激或发生病变时局部磁共振信号的改变而反映脑功能的变化［18］。fMRI的研究涉及单刺激或多刺激的大脑皮层功能定位或不同功能区之间的相互影响及对高级思维和心理活动等高级脑功能多个领域研究。目前国内外许多研究采用功能核磁共振探讨太极拳训练对不同疾病不同状态的中枢调控效应。

4.1 基于静息态的太极拳功能核磁成像研究

4.1.1 基于rs-fMRI的太极拳横断面研究 横断面研究发现，长期太极拳练习可以调节大脑功能网络，且太极拳对大脑功能网络的调节与训练的经验、认知功能的保护作用显著相关。研究发现，与不进行太极拳训练的健康老年人比较，长期［训练时间（14.6±8.6）年］太极拳训练老年人右侧中央后回功能一致性升高，左前扣带回皮层和右背外侧前额叶皮层的功能一致性降低，右侧中央后回功能一致性的增加与太极拳训练的经验相关［19］。长期太极拳练习者额中回、中央前回、楔前叶体素镜像同位连接降低，具有更好的认知表现，且与太极拳训练的时间显著相关［20］。太极拳以“形神合一”理论为指导，注重动作与意识相互结合，可提高神经系统的兴奋性和对脑功能活动的调控。

4.1.2 基于rs-fMRI的太极拳纵向研究 研究发现，太极拳对认知功能的改善与其调节相关认知神经环路结构和功能有关。与一般有氧运动比较，8周太极拳训练能显著提高健康成年人双侧嗅觉皮层和左丘脑的节点聚类系数，降低左颞下回节点聚类系数，提高右侧楔前叶和双侧后扣带回的节点效率，左侧丘脑节点聚类系数与认知灵活性表现显著相关［21］。研究发现，前额叶-纹状体-丘脑-前额叶（prefrontal cortex-striatum-thalamus-prefrontal cortex，PSTP）神经纤维白质的各向异性分数是太极拳训练后任务切换错误减少评分的独立预测因子，提示太极拳训练中执行重复的、有顺序的切换任务可能主要依赖于PSTP神经环路［22］。太极拳训练增强海马与双内侧前额叶的功能连接，且与受试者记忆商的改变显著相关［23］，位于边缘系统的海马体是记忆形成、巩固、存储的重要节点，在空间定位等多种类型的记忆加工中扮演着重要的角色，太极拳改善认知功能可能与调控海马体的结构和功能网络有关。此外，研究还发现12周的太极拳训练可增强背外侧前额叶的低频振幅强度，降低背外侧前额叶与前扣带回的功能连接［24］，调控内侧前额叶到颞极、颞中回的功能连接［25］。背外侧前额叶是认知控制网络的重要节点，内侧前额叶是前默认网络的重要节点。这提示，调节认知控制网络和默认网络是太极拳延缓老年人认知功能下降的可能机制之一。认知控制网络负责目标导向行为的认知加工，在认知控制中需要对目标形成计划，并在过去经验的基础上总结当前环境中可以进行的行动，以及从一个计划转变到另一个计划的能力。默认网络负责静息状态下的认知、内省和情感处理等思维活动，在记忆力、执行等认知加工中扮演重要的角色。太极拳练习中“用意不用力”。在练习过程中强调放松、自然，要求身心相随、内外一致，通过三调合一而达到精神意识的自我控制。

奖赏系统在主观预期调节疼痛感知、疼痛耐受力等方面具有重要的作用［26］。腹侧被盖区（ventral tegmental area，VTA）是奖赏系统多巴胺分泌的关键脑区［27］、中脑水管周围灰质（periaqueductal gray，PAG）是疼痛下行调控系统的关键节点［28］。本课题组前期研究发现12周的太极拳训练改善膝骨性关节炎疼痛与降低VTA/PAG到眶额叶皮质的功能连接相关，说明调节奖赏系统脑功能网络可能与太极拳改善KOA患者的疼痛有关［29］。

4.2 基于任务态的太极拳功能核磁成像研究

Stroop色词测验任务是评价执行抑制功能的经典范式，n-Back任务反映不同认知负荷下工作记忆的加工。基于任务态功能核磁的研究发现，太极拳训练对记忆、执行功能加工相关脑区和网络具有调控作用。病例对照研究发现，与水中有氧运动比较，在Stroop色词测验任务中，太极拳训练组枕外侧皮质和枕极功能活动下降；在n-Back任务中，太极拳训练组右侧额极、额上回和枕极活动下降，说明太极拳训练受试者具有更强的认知表现［30］。WU等［31］研究也发现12周太极拳训练后老年受试者在执行转换任务时前额叶活动增强，任务中错误发生减少。

4.3 太极拳对脑形态结构的影响

许多研究探讨太极拳训练对脑灰质体积和白质形态结构的影响。具有长期太极拳训练经验的受试者海马灰质体积增加，且可能与其认知功能的保护有关［32］。TAO等［33］研究发现，与健康教育比较，12周的太极拳训练可以增加健康老年人海马灰质体积，且与韦氏记忆量表记忆商和视觉再生评分的改变显著相关。YAO等［34］研究发现，与久坐的受试者比较，长期太极拳训练者胼胝体压部各向异性分数值（fractional anisotropy，FA）增高，且与太极拳练习者的技术水平显著相关。白质网络图论分析发现与步行训练的健康老年女性比较，长期太极拳锻炼女性具有更高的小世界属性、聚集系数和局部效率［35］。磁共振弥散张量成像技术可以实现活体观察组织结构的完整性和连通性，显示脑白质内神经传导束的走行方向，判断白质纤维束的损害程度和范围。FA值反映组织中水分子的各向异性弥散程度，也可以间接反映出水分子在组织中各向异性弥散速率的大小。这提示，长期的太极拳训练对脑灰质、白质形态结构均具有可塑性改变作用。

5 太极拳训练功能性近红外光谱研究

功能性近红外光谱（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）技术是一种光学、非侵入性，用于研究皮质血流动力学反应的神经成像技术。fNIRS利用血液的主要成分对600～900 nm近红外光良好的散射特性，从而获得大脑活动时氧合血红蛋白（oxyhemoglobin，HbO2）和脱氧血红蛋白（deoxyhemoglobin，HbR）的变化情况，并根据修正的比尔-朗伯定律计算反映HbO2和HbR浓度变化的信号来推断局部大脑激活情况［36］。fNIRS技术抗运动干扰能力较好，可在自由活动中进行，更适合用于各种自然情景下高级认知功能的研究［37］。研究发现，太极拳单腿站立姿势期间，右背外侧前额叶皮层的激活显著高于瑜伽的单腿站立姿势［38］，太极拳训练期间前额叶皮质、运动皮质和枕叶皮质信号显著改变［39］。执行功能的核心成分包括工作记忆、任务转换和反应抑制，其所在大脑核心区域是前额叶，太极拳训练中需要记忆各个动作名称，掌握动作转换，同时需集中注意力，排除外界干扰，有助于对执行功能的锻炼。侧翼任务范式fNIRS研究发现，与无太极拳运动组比较，8周太极拳训练显著改善老年人抑制控制功能，太极拳训练组在不相容任务中前额叶氧合血红蛋白含量升高［40］。

6 小 结

太极拳是同时具有有氧运动和认知训练成分的一种“复杂”身心运动，具有简单易学、安全有效的独特优势。目前，许多学者基于脑电、功能核磁共振、近红外光谱等技术从不同的角度探索了太极拳对脑网络可塑性的影响，在一定程度上阐明了太极拳对功能障碍干预的效应机制。但目前的研究中尚存在以下问题：①太极拳对脑效应机制研究纳入的样本量偏小是目前研究中的一个共性问题［19］。②目前有关太极拳对脑功能机制研究主要以单模态为出发点，不同模态之间具有不同的优缺点，如功能核磁技术空间分辨率高，但时间分辨率低；脑电信号分析时间分辨率高，但空间分辨率低。③缺乏太极拳脑效应机制的纵向研究和长期随访，难以评估其长期效应。④目前太极拳应用和推广缺乏统一的剂量和规范，如太极拳训练的周期、频率不一，且太极拳对脑功能影响的效应剂量关系也有待进一步研究。⑤目前太极拳对脑功能影响的研究多是静息态下观察太极拳的累积效应，太极拳运动状态下对脑功能即刻效应的影响尚未可知。因此，下一步研究将围绕以下几个方面开展：①开展大样本量的随机对照研究及横断面的观察性研究，同时开展多中心的联合研究，进行不同研究结果的相互验证，以增加结果的稳定性和可靠性。②进行不同模态的联合分析研究，如功能核磁共振与脑电的联合，克服单模态研究的不足，以期更全面地阐释太极拳的相关机制。③设立多个观察时间点和长期的随访，以评估不同太极拳训练时间对脑功能状态的影响。④进行不同剂量（如不同训练频率、不同训练时间）太极拳对脑功能影响的对比研究，以期寻找太极拳训练的最优效应的剂量及太极拳训练的量效关系。⑤开展太极拳运动状态下的脑功能评测系统（如便携式近红外脑功能成像）的应用研究，以评估太极拳训练即刻效应对脑神经活动的影响。