老年人步行的大脑皮层激活研究进展

黄文琴 廖八根 李文静 项明强

广州体育学院运动与健康学院（广州 510500）

步行是人类每日进行的最基本感觉运动任务之一[1]。尽管步行看似简单，实际上涉及多个系统参与，如人体重心的转移、关节旋转和屈伸运动，以及肌肉的收缩舒张等；此外，还涉及大脑多种神经元的动态相互作用和多个脑区的激活。步态作为步行的行为特征，可以反映个体的行走功能，良好步态模式是个体自主参与日常生活的基础[2]。然而，现实生活中的步行障碍较为普遍，除了肌肉骨骼损伤等其它原因引起障碍外，还与老龄认知功能衰退、帕金森病、阿尔茨海默病等老年神经病理性改变有关[3]。认知功能下降或受损是老年人步行功能下降的主要风险因素之一，同时步行功能下降也是认知功能衰退和患痴呆症的预测因素之一[4]。因此，研究老年人在不同步行条件下的大脑激活机制，有助于深入了解大脑皮层激活及认知功能与步行之间的联系，并开发新的治疗和干预措施。

尽管步行的肌肉骨骼和生物力学原理已被广泛研究，但其与神经活动的关联尚未完全建立起来。这可能是因为大多数神经成像技术在真实运动过程中对大脑进行成像存在一些局限性。这些技术对于运动引起的伪影非常敏感，信号处理也存在一定的困难，同时时间或空间分辨率也较低，无法在实际运动中进行成像[5-8]。近期研究表明，想象步行的功能性磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）和实际步行的功能性近红外光谱（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）成像能够很好地克服这些限制，可对受试者想象步行和实际步行中的大脑皮层激活进行监测。想象步行与实际步行的大脑激活区域密切相关，且不受真实步行引起的运动伪影影响[9]。fMRI具有高空间分辨率成像的特性，是静止状态下大脑成像的金标准。因此，可以通过fMRI 对想象步行进行脑功能成像，研究受试者想象步行的大脑皮层激活特征，从而推测其在实际步行中的表现。而fNIRS具有便携性、无固定限制、允许长时间记录以及适用于真实行走条件的优点，已被证实可监测行走时的大脑区域激活[10]。基于此，本文综述老年人在不同条件下想象步行的fMRI 和实际步行的fNIRS 研究成果，探索不同步行条件下的大脑皮层激活情况，并分析当前研究存在的问题和不足之处，指出未来研究方向。

1 老年人想象步行的大脑区域激活

fMRI 是一种非侵入性神经成像技术，可间接测量神经活动并提供高空间分辨率图像。尽管fMRI 被认为是静态脑成像的金标准，但在研究实际步行存有一些局限性，因为参与者无法在MRI 扫描仪中进行真实行走。fMRI 可对想象步行进行脑功能成像，即受试者想象自己在进行步行运动，但实际上并不执行步行动作，它不受真实步行产生的运动伪影影响。一项Meta分析表明，动作执行、动作观察和动作想象共享相同的神经基质[11]。运动想像已被证实激活与相同实际动作类似的皮质和皮质下区域[12]。研究者将想象步行和实际步行的大脑皮层激活对比，结果发现，步行执行和想象激活相同的双侧辅助运动区（supplementary motor area，SMA），SMA 是行走常见的神经基础[13]。这为研究老年人步行的神经相关性提供了另一个思路，即可通过监测老年人的想象步行来推断实际步行中的大脑皮层激活。

想象步行与认知功能之间存在密切相关，涉及SMA、前额叶皮质（prefrontal cortex，PFC）、初级运动皮质（M1）、运动前皮层、躯体感觉皮质等区域的皮层及皮层下区域激活[14]。与年轻人相比，老年人在想象步行中通常会产生更高的皮层激活[15]。以健康年轻人和老年人为研究对象进行想象步行的fMRI 研究显示，健康年轻人和老年人在想象步行时都激活了重叠的脑区，但老年人的PFC、初级运动皮质、背外侧前额叶皮质（dorsolateral prefrontal cortex， DLPFC）等与执行功能和步态控制相关的区域激活更高[16]。当想象步行伴有想象认知任务时，老年人的大脑激活模式随认知任务的难度变化而变化[9]。在复杂的步行任务中，老年人前额叶、双侧SMA、背外侧运动前皮质、楔前和顶叶等区域表现出更高的激活[17，18]。由此推测，实际步行中老年人可能同样需要更多的大脑PFC、初级运动皮质等区域激活，以提升执行控制功能，维持正常步行，而这种激活模式与实际步行中伴随的认知任务密切相关。

想象步行和实际步行的大脑激活区域高度相关，并且完成任务时间也与之密切相关，特别是完成步行认知双任务时[9]。这为研究老年人步行认知神经科学提供了新途径，即通过监测想象步行推断实际步行中的大脑激活状态。这种方法避免了老年人参与实际步行或复杂双任务步行时的高跌倒风险，在评估个体步行及认知功能、预测跌倒或行动障碍风险方面有很大潜力，不但有助于深入理解老年人步行功能障碍的神经机制，而且可为未来的干预和康复措施提供指导。

2 老年人普通实际步行的大脑区域激活

鉴于fMRI 等成像技术在监测实际步行中大脑皮层激活方面存在一定局限性，研究者尝试采用便携、时间空间分辨率高且运动伪影较少的fNIRS 设备检测实际步行中大脑皮质区域激活。fNRIS 适合于监测刺激前后大脑皮层区域的血流动力学反应，即氧合血红蛋白（oxyhemoglobin，oxyHB）和脱氧血红蛋白（deoxyhemoglobin，deoxyHB）的变化[19]，因此在步行认知神经科学研究中被广泛应用。

2.1 年龄因素对皮层区域激活的影响

认知神经科学研究发现，与年轻人相比，老年人在执行给定动作控制任务时表现出更高的大脑活动，特定大脑区域招募更多神经元[20]。然而，这种效应是否适用于步行认知神经科学尚待考察。已有研究表明，实际行走过程中的主要大脑激活区域是PFC，而PFC在形态和功能方面都显示出与年龄相关的显著变化[21-23]。有研究对比了老年人和健康年轻人普通步行和站立基线的PFC 激活情况，发现老年人在普通步行中PFC 的oxyHB 水平增加，而年轻人则未表现出这种模式[24]。此外，不论是普通步行还是快速步行，老年人的DLPFC 和SMA 区域激活水平均高于年轻人[25]，这支持了“行走的自动化程度会随着年龄的增长而降低”的观点[26]。注意力和执行功能较差是老年人步态缓慢和跌倒的高风险因素，注意力与执行功能方面得分较低的人通常表现出较差的步态[27]，因此，需要更高的PFC 认知功能以确保正常步行[28]。这表明实际步行中PFC 激活增加可能与年龄增长相关的认知功能下降有关[29]。

除了PFC 外，相比于年轻人，老年人还更依赖感觉区的功能。老年人感觉系统之间的皮质抑制性相互作用下降，步行中感觉皮质也表现出更高的激活水平。有研究指出上述PFC 高激活是一种补偿策略，即为了保持低步态变异性而需要更高的脑区激活，可能与神经资源的低效率利用有关，但这并不意味着一定有较好的步态表现[30]。目前对老年人步行中大脑过度激活现象有两种解释——神经功能障碍和神经补偿理论[31]。如果老年人的大脑皮层过度激活与行走中较差的表现相关，则被解释为神经功能障碍。若老年人的大脑皮层过度激活与更好的步行表现相关，则被解释为神经功能补偿。事实上，这两种理论不相互排斥，患者可能会发生神经补偿来抵消神经功能障碍，而当达到补偿性资源上限时，则可能会出现功能障碍模式。

此外，步行功能障碍、帕金森病和共济失调等老年性疾病同样影响步行过程中的大脑区域激活，患有血管性脑病运动功能障碍和步态障碍的患者SMA、小脑、丘脑、基底神经节等区域活动较低[32，33]，而帕金森病患者在平时行走时前额叶fNIRS 信号更高[34]。相关Meta分析表明，与健康老年人相比，中风患者和多发性硬化症患者正常步行时的PFC 激活显著增加[35]。有研究指出，运动可以改善老年人认知功能及其脑结构基础[36]，可通过一些训练方式诱发大脑可塑性变化，改善老年人步行中大脑的高激活模式，以提高PFC 等区域的认知控制资源利用效率。此外，注意力和执行功能的认知矫正也能改善久坐不动老年人的步行速度[37]。

可见，老年人在步行过程中表现出更高的大脑激活水平，并在特定大脑区域招募更多神经元。这种过度激活可能是一种神经功能补偿策略，旨在保持较低的步态变异性。然而，随着年龄的增长，神经资源的利用效率可能降低，导致步行功能下降。未来的研究可以进一步探索如何促进老年人大脑的资源利用效率，以改善与年龄相关的步行功能下降。

2.2 步行速度和步态能力对老年人皮层区域激活的影响

步行速度和步态能力与步行中的大脑皮层区域激活密切相关。研究表明，快速行走时左侧PFC 和SMA中的oxyHb 比在中速或低速时增加更多，而步态能力低的受试者PFC 激活变化大于步态能力高的受试者[38，39]。这表明左侧PFC，SMA 等区域在控制步行速度中起到关键作用，而PFC 激活也与受试者的步态能力相关[40]。在老年群体中，这一理论同样适用。研究发现，老年人由首选速度到快速行走时，大脑左侧PFC 区域活动显著增加[41]。此外，当老年人自主选择速度高于或低于首选速度行走时，注意力、执行功能和运动控制的需求导致左侧DLPFC和SMA区域激活增加[42]。由于老年人群体容易出现步态能力低下，因此步行速度作为衡量老年人大脑功能下降的预测指标也受到了越来越受到关注[43-46]。Harada 等[47]使用fNIRS 评估老年人在低速、中速和快速行走时大脑皮层的激活模式，结果发现步速控制相关的皮层激活模式与老年人的步行能力相关。PFC 参与了运动的有意控制、包括注意力、信息处理和目标定向行为，该区域的激活反映出调控行走速度所需认知资源的增加[41]。因此，大脑PFC 区域在步行中的激活情况可作为衡量老年人步行速度和步态能力的敏感指标。步态能力不仅与活动度降低、摔倒和痴呆等风险相关，还预示着老年人认知功能的改变。进一步的研究将有助于深入理解步行速度和步态能力与大脑激活之间的关系，并为老年人的健康评估和干预提供潜在的价值。

2.3 步行方式对皮层区域激活的影响

步行时人们通过双脚与地面接触，产生特定的躯体感觉，这种躯体感觉反映到大脑皮层，进而调控行走过程。因此不同步行方式也会影响受试者的躯体感觉，从而对大脑区域激活产生一定影响。例如，Clark等[48]比较了老年人在跑步机行走和地面行走，穿有纹理的鞋垫、普通鞋垫、不穿鞋垫的大脑皮质活动，发现跑步机行走期间前额叶fNIRS 信号比普通地面步行更强，穿纹理鞋垫与不穿鞋垫或光脚步行相比双侧前额叶皮质活动减少。他们推测不同的步行方式产生的大脑区域激活不同，增强的躯体感觉可能会降低老年人步行时前额叶活动，从而将更多的认知执行功能分配给步行。类似的，Petersen 等[49]的研究也支持了这一观点，与赤脚行走相比，老年人穿极简鞋走路的步态表现更好。

与步态表现相关的大脑区域是PFC、SMA、M1和感觉运动皮质[50，51]，PFC 与认知表现、执行功能与注意力相关[52]，而SMA 与身体姿势稳定、运动控制相关[53]。上述研究结果提示，老年人在日常生活中或许可以通过降低步行速度、穿带纹理的鞋垫或在粗糙的地面行走等途径增加本体感觉、降低大脑皮层区域的激活，充分利用PFC、SMA 和M1 等区域认知控制资源，进而提高步行稳定性，降低跌倒风险。这些研究成果强调了躯体感觉与大脑激活之间的关联，揭示不同步行方式对大脑活动和步态表现的影响，为改善老年人步态稳定性提供了可行的方法。

3 老年人复杂实际步行的大脑区域激活

日常生活中，老年人很少执行简单的步行任务，通常需要越过障碍物或同时执行一些认知任务，如边走边说话、边走边思考等。这些任务增加了步行难度，提高了大脑认知负荷，并使个体的有限认知资源面临竞争，形成了双任务情境。双任务步行实验模式更加接近自然环境中的日常行走状态，个体需要调节视听觉刺激对安全步行的干扰，同时执行其它认知任务。因此，这种实验范式的生态效度高，具有更好的预测效用[54]。运动认知神经科学研究表明，认知和运动共享神经资源[55，56]，同时执行步行和认知双任务，可能会导致一项或两项任务受到干扰，从而影响大脑皮层激活模式和激活水平[57，58]。fNIRS 研究证实，大脑皮层通过两条不同运动通路来控制步行。在挑战性较小的步行情况（恒速步行）或没有病变情况下，老年人激活的是直接运动通路或自动控制通路，其中涉及M1、小脑和脊髓的参与。然而，在更具挑战性的双任务行走中或者认知功能下降情况下，老年人激活的是间接通路，涉及SMA、基底神经节、丘脑下运动区、中脑运动区和认知的参与[51，59，60]。

3.1 实际步行中伴随越障任务

越障是一项常见行为活动，涉及日常行走不平坦道路、跨过地面障碍物，走斜坡或马路沿等活动。这种活动需要参与者具备一定动作规划，以及对相关刺激的较好注意和视觉空间能力。越障不仅涉及肌肉骨骼和生物力学系统，还涉及认知神经的调节[61]。Meta 分析发现，在想象步行跨越障碍物时，个体表现出较高激活的脑区有SMA，视觉区域、顶小叶和M1[15]，而实际步行执行越障任务时，前额叶区域oxyHB 水平均显著升高[24]。然而，不同认知功能水平受试者进行实际步行越障任务时，大脑功能激活情况也有所不同。Hawkins等对比了健康年轻人、老年人、中风后中度到重度步行障碍的成年人执行障碍行走任务时的表现，发现老年人和中风后步行障碍的成年人的前额叶皮质呈现过度激活[62]。通过量化为ΔoxyHB 水平，研究发现中风后步行功能障碍的成人表现出最大的变化，老年人次之，年轻健康成年人的变化最小，且步行速度的下降程度与激活水平呈正相关[62]。这表明在步行中执行越障任务时，PFC 激活增加，而随着老年群体认知功能的下降或其它神经病理性疾病的出现，个体需要更多的PFC 激活来提升步行执行和控制功能，以维持正常步行能力。Maidan 等的研究支持了这一观点，他们对比了健康老年人和帕金森病患者执行步行越障任务的表现，发现帕金森病患者的oxyHB 水平升高，而健康老年人的oxyHB仅有升高的趋势，但未达到显著性水平[63]。

3.2 实际步行伴随语言流利性任务

在日常行走中，往往会伴随着一些语言任务，而这些行走中的语言任务对参与者来说是一种次级认知任务，会对大脑的皮层区域激活产生影响。例如，Metzger等[40]开展了不同速度步行和语言流利性双任务研究，要求受试者以3 km/h 和5 km/h 速度行走的同时执行语言流利性任务。结果显示，与仅进行相同速度步行的受试者相比，执行步行和语言流利性双任务的受试者在额下回到颞中上回的脑区表现出更明显的激活。此外，当健康成年人和老年人执行步行中背诵字母表等语言流利性任务时，两者的PFC 激活均增加[5，64]。Hawkins 等[62]进一步比较了老年人和年轻人步行时执行语言流利性任务时的大脑激活情况，结果发现，与年轻人相比，老年人普通步行剩余认知资源更少，且步态变异性更高。这表明在步行中执行语言任务需要参与者额外的PFC 认知控制资源，老年人无足够的认知控制资源来完成复杂的步行语言双任务，导致步态变异性增加。

需要指出的是，许多认知任务，如语言流利性任务，需要参与者进行口头回应，产生的人为动作伪影与血流动力学反应具有相似的频率和幅度，可能会对实验结果产生一定偏差。研究表明小波滤波是去除语言任务中产生的运动伪影的最佳方法[5]，然而，目前许多研究却并未注意到这一问题。在众多的步行语言流利性双任务fNIRS研究中，只有极少数研究采用此方法去除伪影[63]。今后研究应多采用有效的去伪影方法并详细报告，以提高步行言语双任务fNIRS结果的可靠性。

3.3 实际步行伴随算数任务

不同于单纯的语言流利性任务，算数任务除了需要参与者边走边说话，还要求进行计算，增加了双任务的复杂程度，进而影响参与者的步态特征[65]。Mirelman等的研究表明，步行时执行复杂减法算数任务会导致PFC 区域oxyHB 水平增高，而简单连续减法和不连续减法之间没有差异。这表明步行时的计算任务与额叶脑激活有关，且观察到的额叶激活变化不是对词语动词化的反应，而与步行中的认知负荷任务有关[66]。George 等让老年人分别执行普通行走、行走时背字母表和行走时连续减3 的实验，结果发现，相较于普通行走，行走时计算的大脑PFC 激活增加。他们进一步比较了行走时背诵字母表和行走时计算的PFC 激活，出乎意料的是，行走时执行语言流利性任务的PFC 激活更高，并且语言流利性任务正确率更低，这或许与认知任务涉及的不同执行子功能相关[67]。

以上研究表明，老年人双任务行走主要与前额叶的激活相关[48，66，68，69]，前额叶的激活对双任务步行中的运动任务、认知任务、神经心理测试表现起着决定性作用。此外，不同认知任务需要不同执行子功能，如认知任务多样性、抑制控制、工作记忆和认知灵活性都属于执行功能并由PFC 区域激活支持。不同任务诱导的PFC 激活程度也不同，例如抑制性认知任务与工作记忆性任务相比，在与步行共享的神经资源上具有更高的需求，从而引发老年人更高的前额叶激活[67]。然而，这种前额叶的补偿机制在60 岁之后开始下降，并在70岁时达到资源补偿的上限，导致效率降低、处理资源不足和任务表现下降，表现出步态障碍[70]。

在双重任务而不是单一任务条件下较高的前额叶皮质激活映射出大脑资源的低效利用，可能会增加老年人意外跌倒的风险[71]。因此，老年人在复杂步行任务中应提高神经控制效率，降低PFC 激活。执行功能低下与老年人的平衡和步态受损有关，未来研究需进一步明确执行功能的特定子功能是否会导致这种情况，进而为70 岁以上老年人进行适宜双任务步行，降低跌倒风险提出合理建议。

总之，在老年人的双任务步行过程中，PFC 的活动起着关键作用。除了关注步态特征和前额叶的激活水平外，还应进一步探索前额叶执行子功能的作用，并了解不同任务类型对前额叶激活的影响程度。同时，除了传统的步态分析，未来可以结合前额叶脑区激活水平和其他神经指标来评估老年人的步行能力和认知功能。双重任务下的步态参数也可作为早期评估认知功能的辅助指标[72]。此外，开发针对老年人的双任务步行训练计划，着重提高前额叶脑区的神经控制效率，有望降低认知负荷和步态障碍的风险，从而改善老年人的步行能力和生活质量[73]。

4 总结与展望

综上所述，研究者通过想象步行的fMRI 和实际步行的fNIRS 研究揭示了老年人不同步行条件下的大脑功能激活情况。步行中的大脑区域激活是多种条件综合作用的结果。不论是年龄、步行速度和步行方式，还是双任务步行中伴随认知任务，都会导致老年人步行中的大脑激活产生变化，尤其是PFC 区域。然而，目前对于步行认知神经科学领域的研究还处于起步阶段，且上述步行大脑皮层激活研究结果存在矛盾之处，研究方法不足是一个重要因素。为了加深对步行的神经相关性的理解，并指导干预方案的制定，以改善老年人或特殊人群的步行和认知功能，未来研究可从以下几个方面展开：

第一，结合多种学科手段，如虚拟现实和多模态脑成像方法，系统全面地考察步行的认知神经机制。虽然fMRI 被认为是静止状态下大脑成像的金标准，但其时间分辨率不高，在研究运动方面存有局限性。此外，老年人实际运动中对平衡的焦虑和“跌倒恐惧”会导致步行期间PFC 活动的增加[74]，“跌倒恐惧”随着人们年龄的增长而增加，对实验结果造成干扰，这导致想象步行的fMRI 研究和实际步行中的大脑功能激活存在一定差异。而fNIRS 的探测深度不够，只能关注大脑皮层，空间分辨率存在局限性。为了克服这些限制，可考虑采用虚拟现实技术结合fNIRS、fMRI、脑电图（electroencephalogram，EEG）等多模态脑成像方法，实现脑成像在时间和空间分辨率上的优势互补，提高研究结果的精确性，探索更深层次的步行神经相关性[75]。

第二，需要减少实际步行的fNIRS研究中产生的运动伪影，综合考虑认知任务本身对大脑皮层产生的影响，详细报告数据处理的所有步骤。行走本身的动作会产生伪影，因为行走中存在的头部运动导致探头和头皮的脱钩，并且这种伪影会随着步行速度不同而变化[5，76，77]。在行走和交谈中，出现的运动和生理伪影是不容忽视的问题。谈话导致与任务相关的低频伪影，其频率与运动的血流动力学相似，特别是在前额叶皮质更明显[5]。此外，言语任务也可能会产生低碳酸血症，即脑血流量和脑氧合减少，进一步导致氧合血红蛋白减少[78]。这些认知任务对大脑皮层产生的影响都会对实验结果造成影响。然而，目前研究者采用不同fNIRS 系统，去除伪影和系统噪声的方法各不相同，数据处理中采用不同算法和参数，均会改变处理后fNIRS信号的特征，可能是导致不同研究结果差异的原因之一[79]。因此，研究者们每次实验前都应进行基线校正实验，以说明脑氧合随时间的变化，并在数据处理中详细报告所有步骤和参数的选择，包括滤波和噪声去除等。同时，研究者应根据不同的设计方案量身定制相应的数据处理技术，并深入分析行走速度和运动伪影之间的交互作用，以及无线系统和有线系统如何影响运动伪影。通过这些方式，能进一步增强使用fNIRS技术研究步行过程中的皮质活动的可靠性和精确性。

第三，积极拓展想象步行和实际步行训练改善认知功能的研究。想象步行与实际步行的大脑皮质激活具有很强的相似性，通过诱导大脑皮质步行相关区域接受康复训练改变，已被证实可以改善特殊人群的步行功能[80]。想象步行训练不受患者现有运动功能限制、不需要场地和大型设备、简单易行且不会给老年人带来实际身体损伤，在改善老年人步行和认知功能方面具有很大应用价值。而实际步行的fNIRS 研究发现的补偿机制和障碍机制反映了大脑的可塑性，即使在具有挑战性的环境中，在姿势控制和步态稳定性方面，大脑也总是试图确保最低限度的运动表现。已有研究证明，现实环境中进行双任务步行训练，能够有效改善帕金森病、脑损伤或其他神经系统疾病患者的步行及认知功能[80]。未来的fNIRS 研究应针对不同老年人的个体化差异，提炼出更精准的fNIRS 运动脑源性参数，制定经济有效的运动认知处方，以提高老年人群体的认知功能。