舞蹈动作视频游戏对老年人工作记忆的影响

2022-06-25王丽岩董传升王丽娟王洪彪

天津体育学院学报 2022年3期

王丽岩，董传升，王丽娟，蔡明，赵李，王洪彪

随着人口老龄化的到来，与衰老有关的认知功能下降成为重要议题。学者们思考，采用何种有效、低成本的方法来延缓老年人认知下降呢[1]？他们发现了一种新的技术手段——动作视频游戏[2]，该技术整合了身体运动和视频游戏特点，利用感应装置捕捉三维空间被试的运动，进行人机交互，动作视频游戏交互的操作方式受到老年人的欢迎[2]。动作视频游戏对老年人训练干预已经得到部分研究者的关注。TORIL等[4]使用元分析对发表的20 篇视频游戏训练改善老年人认知研究进行探讨，表明使用视频游戏训练老年人认知，在反应时间、注意、记忆和一般认知上具有中等积极意义的效果量，但是对执行功能并没有改善效益。A.LAMPIT 等[4]的元分析也发现这些积极的效益，但这些效益受到部分变量的调节，如年龄、训练的计划和训练的持续时间或训练频率等。最新的综述也报告了一些动作视频游戏训练研究的积极结果[5]，即通过动作视频游戏训练可以提升认知能力[6]。

最近研究表明，商业性动作视频游戏训练可以改善健康老年人的执行功能和加工速度等认知功能[7-9]。这种获益不仅表现在认知上，在神经机制上也进行了探索。ANGUERA 等[10]使用NeuroRacer 汽车驾驶游戏探讨了多任务处理能力对老年人神经心理机制的影响，发现持续训练6 个月后，老年人额叶中线theta频率能量增强和额叶theta频率的相干性增加，前额中线theta 能量的增加预测训练导致的持续注意力提高和多任务处理能力的保存，汽车驾驶游戏训练导致大脑前额叶的可塑性。然而，商业性动作视频游戏是否可对健康老年人认知功能有迁移影响仍存在争论，内在的神经机制仍不明确。需要更多的研究实践来证明。

工作记忆是与日常生活相关的非常重要的能力。到目前为止，仅有少数研究探讨老年人视频游戏训练与工作记忆之间的关系[11-13]。W.R.BOOT等[14]发现，动作视频游戏训练后未发现空间记忆任务的转移，认为未来的研究需要关注特定工作记忆任务是否能发生变化。因此，有必要进一步评估动作视频游戏训练与工作记忆任务之间的联系。鉴于工作记忆对老年人日常生活的重要性，考虑到BALLESTEROS 等[12]基于非动作视频游戏干预的结果，本研究使用舞蹈动作游戏进行干预，探讨舞蹈动作视频游戏训练对老年人工作记忆的影响和潜在的神经心理机制。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

通过在社区服务站张贴广告募集年龄55 岁以上的健康老年人30 名。被试纳入标准：年龄≥55 岁；中国版蒙特利尔认知评估≥26；抑郁量表得分＜16分；右利手；日常生活活动量表≤16分；没有任何精神疾病和创伤性脑损伤。试验过程中，试验组流失1人，对照组流失1 人，最终实际统计人数为试验组14 人，对照组14 人（见表1）。所有参加者在试验前签署知情同意书，本研究通过某学院伦理委员会审查批准。

表1 样本基本情况一览表Table 1 Demographic Information About Participants in Each Group

1.2 研究方法

1.2.1 试验设计采用随机前后测对照组试验设计，使用Microsoft Excel 2007生成随机数，分配30名参与者分别进入舞蹈动作视频游戏组和对照组。本研究采用混合试验设计，组间变量分为试验组和对照组，组内变量为测试时间（干预前测t1 和干预后测t2），因变量为游戏的运动技能成绩、工作记忆任务行为数据的反应时和正确率、alpha脑电频率的事件相关去同步化（Event-related desynchronization，ERD）和事件相关同步化（Event-related synchronization，ERS）值。

1.2.2 试验仪器采用外星科技ET-07 体感游戏机（深圳，2006），用于呈现游戏。采用TOSHIBA 投影仪（TLP-X3000C，分辨率1 024×768）将游戏画面放大9倍投影到幕布上，清晰呈献给参加者，使其更接近现实中的视觉感。采用E-prime2.0心理程序设计软件编制和呈现工作记忆测试程序材料。64 导Neuro-scan脑电记录系统。2 台Dell 台式机，分别用于呈现刺激和记录脑电信号。

1.2.3 动作视频游戏的干预方案试验在某体育学院运动健康实验室进行。通过USB 接口将ET-07 体感游戏机连接到电脑，通过投影仪显示到幕布上，游戏开始时屏幕上的箭头向上滚动，当箭头达到顶端固定光栅时参加者在舞蹈垫上及时准确地进行踩踏。参考前人研究[15]，通过舞蹈动作游戏的音乐控制强度，节拍控制32～127 次/min，即保持中等强度，佩戴Geonaute 胸带式心率运动手表（On Rhythm 310 Access型号）监控心率。第1周中采用2支较慢音乐进行指导培训，以确保参加者对于游戏任务的理解，1周后进行干预训练，每次训练结束记录游戏得分。在每次训练中，参加者完成4～6 支音乐，音乐平均长度约3 min，每支音乐后休息1 min。音乐速度由慢到快，每2周换不同音乐。每次训练干预时间为40 min，具体包括5 min 准备活动，30 min 舞蹈动作视频游戏任务，5 min 拉伸放松活动，每周3 次，共12 周（见图1）。

图1 试验干预的过程Figure1 The Process of Experimental Intervention

参考前人研究[16]，对照组进行每周2 次健康知识学习，每次40 min。不进行与试验任务有关的干预。

1.2.4 试验任务 N-back 任务是让被试浏览依次呈现的刺激，要求判断每一个出现的刺激是否与此前刚呈现过的前面第n个刺激相匹配[17]，包含4 个block（2个1-back 任务和2 个2-back 任务）。采用心理程序软件E-prime 2.0 在计算机屏幕上呈现2-back 任务，同时记录反应时间和反应正确率。被试坐在距离计算机屏幕50 cm 处，双手在键盘上进行相应的按键反应。试验指导语：欢迎参加本试验，首先屏幕中央呈现1个白色“+”符号注视点，之后在屏幕的8 个位置会随机在其中1 个位置呈现1 个小四边形，如果小四边形出现在屏幕左上方时为目标刺激，请用右手食指按“J”键，非目标刺激时按“F”键；明白指导语后，请按任意键开始，整体持续时间约为10 min（见图2）。

图2 2-back任务Figure2 2-back Tasks

1.2.5 ERP 的记录采用Neuro-scan（美国）脑电记录系统记录脑电信号，标准为国际10-20 系统扩展的64 导电极帽，电极帽的电极为Ag/AgCI 电极，参考点FCz，接地点为AFz，参考电极置于双侧乳突。左眼上下记录垂直眼电，双眼外侧记录水平电极眼电。每个电极处的头皮电阻小于5 kΩ，滤波带通为0.01～100 Hz，采样频率为1 000 Hz。

1.2.6 数据的采集与处理舞蹈动作视频游戏技能得分，包括踩踏正确点的总数、没有踩踏上的个数和正确踩踏的百分率。

E-prime 软件采集工作记忆任务行为数据，剔除平均值加减3倍标准差之外的异常值，随后采用SPSS 20.0 对数据进行统计处理，采用重复测量方差分析进行处理。

脑电数据预处理。基于Matlab2014a 平台，使用EEGLAB 数据包对脑电数据进行预处理：主要包括转换参考、去除眨眼伪迹、滤波、去除市电干扰、剔除波幅大于100 μV 的伪迹，对EEG 片段进行基线校正后对所有电极进行叠加平均。选取F3、F4、C3、C4、P3、P4、O1和O2 8个电极进行分析，提取每个电极带宽alpha 频率为8～13 Hz。

将去伪迹分段后的脑电基于FFT进行转换。FFT使用韦尔奇技术，变换的窗口类型设置为Hanning windowing（1 Hz 分辨率）。为了确定alpha 带宽，依据W.KLIMESCH[18]方法确定个人alpha 频率的峰值（individual alpha frequency，IAF），IAF定义为在脑电频率8～13 Hz内频谱的最大能量值。参照IAF，本研究感兴趣的alpha 频段为：低频alpha 波段的带宽从IAF-2 Hz到IAF，高频alpha波段的带宽从IAF到IAF＋2 Hz。

ERD/ERS的获得表现为在指定频率范围内，脑电中与特定事件相关的脑电频率能量的衰减过程；与之相反的是ERS，表现为能量的上升过程[19]。根据ERD/ERS 的定义，计算事件相关脑电在特定频率内相对于事件发生前的能量比，以确认是否存在ERD/ERS。依据G.PFURTSCHELLER 等[20]的公式计算ERD/ERSERD（IV）用来计算ERD/ERS 值，ERD 正向表示能量的减少过程，负向表示能量的增加过程。

本研究考虑2 个时间段，刺激前200 ms 到刺激开始时间（-200～0 ms）定义为事件前200 ms，刺激视频呈现时间（0～1 000 ms）为事件时间1 s。为了了解工作任务过程中大脑活动变化，本研究对ERD/ERS 的值以300 ms 为间隔从刺激开始到刺激结束（0～1 000 ms）分成3 个时间窗。用每个时间窗频率能量与事件前时间段频率能量的比值获得ERD 或ERS（见公式（2）），评估大脑活动模式。

EEG 数据统计。对脑电数据进行初期统计后，采用重复测量方差分析进行处理，采用Mauchley’s test球型检验评估方差分析的齐性，对不满足球型检验的统计量采用Greenhouse-geisser 法矫正自由度和P值，事后比较采用LSD法，a水平定义为P＜0.05。依据前人研究和本试验目的，选择额区（F3、F4）、中央皮层（C3、C4）、顶区（P3、P4）、枕区（O1、O2）共8个电极点进行分析。按照COHEN标准[21]，确定效应量（effect size）达到0.15、0.06和0.01时，分别属于强效应、中等效应和弱效应。本研究只对有统计学意义的结果进行分析。

2 结果

2.1 舞蹈动作视频游戏技能结果

舞蹈动作视频游戏训练组第1周成绩和第12周成绩配对样本T检验发现：舞蹈动作视频游戏的失误得分存在差异（t=9.126，P=0.00），经过12周训练后，舞蹈失误得分显著减少；舞蹈动作视频游戏正确率存在显著差异（t=-9.644，P=0.00），经过12周训练后，舞蹈正确率显著提高；舞蹈动作视频游戏得分存在差异（t=-6.528，P=0.00），经过12周训练后，舞蹈得分数显著提高；经过12周训练后，舞蹈动作技能显著提升（见图3）。

图3 试验组舞蹈动作视频游戏技能得分比较Figure3 Comparison of Scores of Dance Games in Experimental Group

2.2 工作记忆任务反应时结果

组别为组间变量，测试时间为组内变量，2-back反应时为因变量进行重复测量方差分析显示：组别的主效应显著[F（1，27）=5.655，P＜0.05，partialη2=0.212]；时间主效应显著[F（1，27）=1.711，P＞0.05，partialη2=0.013]；组别与时间交互作用显著[F（1，27）=5.484，P＜0.05，partialη2=0.248]。简单效应检验发现，干预后2组反应时间存在差异（P＜0.05），试验组[M=（901±102）ms]显著快于对照组[M=（1 009±88）ms]。提示，舞蹈动作视频游戏训练干预后，老年人工作记忆任务反应时间变快。

2.3 工作记忆任务反应正确率结果

组别为组间变量，测试时间为组内变量，2-back任务反应正确率为因变量进行重复测量方差分析果显示：2-back 任务反应正确率不存在显著差异；组别与时间交互作用不显著[F（1，27）=1.484，P＞0.05，partialη2=0.08]；组别和时间的主效应也不显著。

2.4 脑电结果

行为结果发现，只有试验组干预后的行为反应存在统计学意义，所以本研究只对试验组干预前后参加者不同脑区电极点低频／高频alpha的ERD/ERS的值进行统计（见表2）。

表2 低频／高频alpha不同脑区不同时间窗干预前后的ERDERS值/%（M±SD）Table2 ERDERS Values Pre-re test in Different Brain Regions of Different Time Windows

（1）试验组不同时间窗低频alpha 的ERDERS。时间2（前测和后测）×8 脑区（F3、F4、C3、C4、P3、P4、O1、O2）×3 时间窗（300、600、900 ms）为变量进行重复方差测量显示：时间主效应显著[F（1，42）=11.661，P＜0.01，partialη2=0.328]；脑区主效应显著[F（7，42）=6.418，P＜0.05，partialη2=0.296]；时间窗主效应显著[F（2，42）=4.067，P＜0.05，partialη2=0.112]；时间与脑区交互作用显著[F（1，14）=9.547，P＜0.01，partialη2=0.390]。进一步简单效应检验发现：干预前后额叶、中央区和顶叶3个脑区存在显著差异（P＜0.05），枕叶脑区干预前后工作记忆任务不存在显著差异（P＞0.05）；时间窗和脑区存在显著的交互作用[F（3，42）=3.49，P＜0.05，partialη2=0.14]。交互作用后简单效应检验发现，在300 ms时间窗干预前后P3存在显著差异（P＜0.05），干预后表现为低频alpha的ERD；600 ms时间窗干预前后F3、O1、O2存在显著差异（P＜0.05），干预后表现为F3、O1、O2 脑区低频alpha ERS 增强；900 ms 时间窗干预前后P3、O1、O2 存在显著差异（P＜0.05），干预后P3 脑区向ERD 转化，O1、O2 脑区向ERS 增强转换（见图4）。显示在干预后表现为枕叶低频alpha同步化（ERS）活动，还显示额叶和右侧颞叶区域的变化，由最初测试时以ERD为主的模式，到后测时以ERS为主的模式。

图4 试验组不同时间窗低频alpha的ERDERS结果Figure 4 Means of the Low Frequency alpha ERD/ERS

（2）试验组不同时间窗高频alpha 的ERDERS。时间2（前测和后测）×8 脑区（F3、F4、C3、C4、P3、P4、O1、O2）×3 时间窗（300、600、900 ms）为变量进行重复方差测量显示：时间主效应显著[F（1，42）=7.355，P＜0.01，partialη2=0.269]；脑区主效应显著[F（7，42）=8.199，P＜0.01，partialη2=0.387]；时间窗主效应显著[F（2，42）=1.159，P＞0.05，partialη2=0.010]；脑区和时间之间存在显著交互作用[F（7，14）=3.28，P＜0.05，partialη2=0.20]，时间、脑区和时间窗之间存在显著交互作用[F（7，42）=4.45，P＜0.05，partialη2=0.14。交互作用后的简单效应检验发现：300 ms 时间窗干预前后P4 存在显著差异（P＜0.05），表现为右侧额叶ERD；600 ms 时间窗干预前后P3、P4、O2 存在显著差异（P＜0.05），表现为顶叶和右侧枕叶脑区ERD；900 ms 时间窗干预前后F3、C3、P3、P4、O2 存在显著差异（P＜0.05），表现为左侧额顶叶和中央皮层ERD 增强和右侧顶枕叶ERD。表明，在动作视频游戏干预后，试验组工作记忆任务大脑活动右半球顶枕叶高频alpha ERD增加存在偏侧化现象，在时间段上表现出高频alpha ERD 由早期右侧顶枕叶脑区到600～900 ms之间扩展的整个左半球（见图5）。

图5 试验组不同时间窗的高频alpha的ERDERS结果Figure 5 Amplitude of the High Frequency alpha ERD/ERS

3 讨论

本研究目的是探讨舞蹈动作视频游戏训练对健康老年人工作记忆的影响，进而了解对老年人工作记忆影响的神经心理机制。结果表明，试验组经过12周训练，提高了工作记忆任务测试的反应时间，这可能与舞蹈动作视频游戏干预手段有关。舞蹈动作视频游戏需要参加者在看到箭头时，在有限时间内用脚对正确位置进行点踏，对时间和准确性都有要求，在通过这种训练可能提高了老年人工作记忆任务反应。本研究结果与前人关于视频游戏对老年人认知效益结果相一致[10，17]。BASAK 等使用实时策略性游戏干预老年人发现，训练23.5 h 后老年人工作记忆任务得到改善。ANGUERA等使用Neuroracer驾驶游戏对老年人进行为期4 周的干预发现，试验组老年人任务处理能力提高，而且训练效益也扩展到工作记忆任务，工作记忆反应时得到提升，并在训练停止6 个月后工作记忆能力仍能保持。

老年人工作记忆改善机制可能来源于脑区神经电生理活动模式的变化。脑电结果发现，动作视频游戏训练后，工作记忆任务低频alpha 额叶脑区事件相关同步化和顶叶脑区事件相关去同步化表现为额叶脑区神经振荡能量上升和顶叶脑区神经振荡能量降低。高频alpha 显示为事件相关同步化，这种同步化比较集中在额顶叶脑区，从早期右侧顶枕叶脑区活动到600～900 ms扩展到整个左侧半球，即表现为神经振荡能量上升的过程。

已有研究证明神经振荡过程与工作记忆过程相联系[20-22]，工作记忆过程中theta波和alpha波的去同步化，反映了在进行具体信息处理过程中提供神经的最优化。W.KLIMESCH 等[23]认为，高频alpha 神经振荡与长时记忆过程有关，alpha频段的去同步化与任务操作的绩效有关。试验干预后，alpha频段去同步化强度增加，表明参加者工作记忆任务操作绩效明显提升。研究者认为，alpha同步活动不仅反映了大脑皮层的失活，也反映了自上而下的加工过程，是对大脑区域的选择性抑制[24]。类似于BADDELEY（1992 年）提出的工作记忆和注意控制的执行过程，注意控制功能是通过抑制与任务无关的大脑区域来维持任务相关脑区的关注，因此工作记忆系统有具体自上而下的过程，该过程可能基于theta和高频alpha频段管理信息的存取和操作[25]。

游戏干预后，对工作记忆任务大脑神经电生理活动影响表现为早期低频alpha 事件相关同步化，到600～900 ms 更明显的左半球脑区高频alpha 去同步化的增加，具体表现在额叶和顶枕叶脑区。早期额顶叶脑区同步化反映了alpha 波编码和检索过程（顶叶）的特征，也反映了中央执行和注意控制期间（额叶）的特征[26]。考虑到低频alpha的注意功能，在枕叶脑区的活动可能暗示了抑制过程，即枕叶视觉皮层抑制了与任务无关的信息，进而导致工作记忆过程更快[27]。特别是工作记忆后期alpha 振荡活动增强，代表视觉皮质的抑制功能，因为alpha 振荡功率增加是视觉皮质抑制的标志[28]。工作记忆机制是通过枕区alpha 能量振荡防止感觉信息的输入来影响内部信息处理，控制自上而下的信息，维持短时记忆的有效加工。训练后，工作记忆神经电生理活动随着时间推移发生了很大变化。动作视频游戏训练后，工作记忆任务神经电活动表现为600～900 ms由右侧顶叶高频alpha事件相关去同步化向左侧半球事件相关去同步化增强的模式，说明这期间老年人注意力资源的快速动员。左半球高频alpha 事件相关去同步化表明，与长时记忆相关的过程也受到影响，在顶叶区域内快速募集神经元，展现了工作记忆编码和维持阶段的神经电生理活动特征。

本研究由于样本量有限，未探讨动作视频游戏对不同性别老年人认知能力的影响，未来应开展动作视频游戏对不同性别老年人脑健康的促进效益。