邵铭铭 杨源 蒋长好

摘    要：采用语言流程性任务和近红外脑光谱研究八段锦身心锻炼对老年人认知和脑功能的影响。方法：29名老年被试参加实验，长期练习八段锦（实验组）14人，未练习过八段锦（对照组）15人，2组被试分别完成语言流畅性任务。采用近红外脑光谱成像系统记录被试大脑的血氧变化，分析被试在做语言流畅性任务时前额叶皮层的氧合血红蛋白浓度的变化及其与任务表现的关联。结果：与对照组相比，实验组语言流畅性任务的表现更好，在完成语言流畅性任务时双侧前额叶脑区氧合血红蛋白浓度增加更大，提示大脑额区激活更强。结论：八段锦身心锻炼对老年人的認知表现和脑功能有着积极影响，这一影响可通过提高语言任务表现和增强大脑前额叶脑区激活而实现。

关键词：身心锻炼;八段锦;老年人;语言流畅性;近红外光谱

中图分类号：G 804.8          学科代码：040302           文献标识码：A

Abstract：Objective：speech fluency test（VFT） and near-infrared spectroscopy （NIRS） were used to investigate the effects of Baduanjin mind-body（BDM） exercise on the cognitive performance and brain function in elderly adults. Methods： A total of 29 healthy elderly people participated in this experiment， 14 subjects who practiced Baduanjin for a long time were assigned to the BDM group， and 15 subjects who did not practice Baduanjin were assigned to the control group. All subjects completed the verbal fluency test（VFT） respectively. We measured oxy-hemoglobin concentration（oxy-Hb） in the prefrontal area using NIRS during VFT， and investigated the relationship between oxy-Hb changes and task performance. Results： The behavioral data showed that the performance of VFT in the BDM group was better than the control group. NIRS data analysis showed that the increase of oxy-Hb in prefrontal lobe brain regions in BDM group was better than control group. Conclusions： Baduanjin exercise has a positive effect on cognitive performance and brain function of the elderly， which can be achieved by improving language task performance and activating prefrontal lobe.

Keywords：body-mind exercise; Baduanjin; elderly people;verbal fluency test（VFT）; near-infrared spectroscopy （NIRS）

近年来，一些研究者尝试采用有氧锻炼特别是身心锻炼来延缓老年人的认知功能下降。身心锻炼是在进行身体活动的同时通过集中注意力、控制呼吸来提高身体的平衡性、柔韧性，促进身体健康，包括太极拳、八段锦等[1-2]。身心锻炼的动作柔和缓慢、舒展连贯、张弛有度，有别于力量训练方法，更适合老年人参与。已有研究发现，有规律的身心锻炼有助于改善大脑功能，减缓认知功能的下降。例如有一项研究比较了太极拳长期锻炼者和太极拳新手的脑区一致性，发现太极拳长期锻炼者的右侧中央后回（PosCG）功能一致性更高，左侧前扣带（ACC）和右侧背外侧前额叶（rDLPFC）的功能一致性更低。左侧ACC的一致性降低表明功能特异性提高，右侧PosCG的一致性增加提示功能整合性提高，二者都可以用于预测老年人在Flanker任务中的成绩[3];另有研究者发现八段锦可延缓认知功能衰退、改善大脑执行功能[4]。

体育锻炼对人的认知具有选择性影响，即与一般认知功能相比，体育锻炼对执行功能的促进作用更大[5]。执行功能是一种高级认知功能， 指大脑在完成复杂认知任务时，协调各种资源、控制系统完成特定目标所需要的各种加工[6]，主要包括抑制、转换、刷新等多个不同的子成分[7]。语言流畅性任务（verbal fluency task，VFT）是检测执行功能的一种实验范式，主要考察个体运用语言进行信息传递的流利程度，反映个体有效提取和加工言语信息的速度和质量[8]，它包括音位VFT和语义VFT，音位VFT是根据音位标准（以某一特定字母开头）产生尽可能多的词语;而语义VFT要求被试在有限时间内和规定类别中产生尽可能多的词语，这一任务和认知灵活性及记忆刷新密切关联[9]。分类VFT涉及工作记忆、认知切换等认知加工过程，特别是与具有信息临时存储功能的语言工作记忆有着密切关联，而语言工作记忆又易受认知老化影响。因此，VFT不仅是研究执行功能的重要指标，而且是研究认知老化的重要工具。

已有的脑影像研究表明，认知老化会导致脑区异常激活，这种异常激活通常是VFT表现下降的预兆，其中额叶是和VFT表现相关的重要脑区[10]。尽管以往研究发现身心锻炼有助于改善老年人的认知功能，然而相关研究较少涉及老年人完成VFT时的大脑机制。当前，研究的目的是比较参与八段锦身心锻炼的老年人和非锻炼老年人完成VFT的表现和大脑活动特征。本研究假设，长期参与八段锦身心锻炼可能会对老年人完成VFT的表现和大脑激活产生积极影响。

在本研究中，脑影像测量主要采用近红外脑光谱成像技术（fNIRS），这一技术空间分辨率优于脑电，时间分辨率优于磁共振，研究的生態效度较高，因而更适合锻炼认知效益的研究[11]。

1   方法

1.1  被试

从北京市海淀区某社区招募29名老年人参与本研究，其中长期进行八段锦身心锻炼[5年以上;（65.86±4.35）岁]的老年人14人，从未练习过八段锦的老年人[（64.73±4.68）岁]15人。被试筛选条件：1）无脑创伤、精神病、慢性疾病等;2）高中及以上文化程度;3）右利手，视力或矫正视力正常;4）简易智力状态检查量表（MMSE）得分≥24;5）每天身体锻炼时间1 h左右;6）签署知情同意书，自愿参加本研究。所有被试在实验前1 d不饮酒、不参与大负荷运动、睡眠充足、身体健康状况良好。

对实验组和对照组的人口统计学变量进行分析（见表1），发现2组被试年龄、身高、体质量和身体质量指数（BMI）的差异均不显著（P>0.05），表明2组被试在人口统计学特征方面基本同质。

1.2  实验程序

实验采用Presentation软件编制的VFT，包括复述任务和分类任务。复述任务要求被试在30 s内以正常语速重复读屏幕上出现的中性词语，例如太阳、工人、你好、晚安、午安。分类任务则要求被试在30 s内尽可能快而多地说出某个分类概念下的种类名称，例如动物、水果。研究者记录被试口头报告的个数，并根据视频录像进行检查，最终确定每位被试的正确率。

实验共包含4个组块，复述任务和分类任务各2个组块，呈现顺序固定。其中，每个复述任务组块随机呈现5个中性词语（2个组块，共10个中性词）。每个组块30 s，任务组块之间有30 s的休息时间。实验任务开始前和结束后，分别有10 s休息时间，这段时间的数据不纳入统计分析，如图1所示。

1.3  fNIRS测量

采用多通道fNIRS系统（ETG-4000，日本日立医疗公司），通过695 nm和830 nm 2种波长的近红外光（采样频率为10 Hz），监测VFT执行过程中局部脑区的血氧信号。根据国际通用的EEG10-20系统法安放光极，光极帽由左右2块测量面板组成，每块测量面板包含22个通道，光极排列方式为3×5，覆盖12 cm×6 cm 的面积。每块面板有8个发射光极和7个探测光极，相邻光极间隔3 cm（如图2所示），光极对称地放置在双侧额区和颞区，最低探测点放置于Fp1-Fp2位置。fNIRS测量在光线微弱的隔音房间进行，测量过程中要求被试尽量保持身体和头部不动。以0.1 s的时间分辨率计算近红外光的吸收量。

1.4  数据分析

采用IBM SPSS Statistic 22.0对被试执行VFT时口头报告的词语数量进行2（组别：实验组和对照组）×2（任务类型：复述任务和分类任务）的重复测量方差分析，P值采用Greenhouse-Geisser法校正，设定0.05为显著性水平。

使用xTopo软件对fNIRS原始数据进行预处理，将频率小于0.04 Hz和大于0.5 Hz的成分滤除。预处理之后，计算不同任务水平和实验条件下的oxy-Hb浓度均值。参照已有的解剖标定体系Anatom Label（AAL）和相关研究结果划分出4个脑区（ROIs）：左侧额上区（Frontal_Sup_L，由左侧通道9、13、18组成）、左侧额下区（Frontal_Inf_L，由左侧通道3、7、12组成）、右侧额上区（Frontal_Sup_R，由右侧通道5、10、14组成）和右侧额下区（Frontal_Inf_R，由右侧通道2、7、11组成），如图2所示。分别计算4个ROIs的oxy-Hb浓度均值，并对oxy-Hb浓度均值进行2（组别：实验组和对照）×2（任务类型：复述任务和分类任务）×4（ROIs：左侧额上区、左侧额下区、右侧额上区和右侧额下区）的重复测量方差分析，P值采用Greenhouse-Geisser 法校正，设定0.05为显著性水平。

2   结果

2.1  VFT行为结果

对被试执行VFT时口头报告的词语数量进行2（组别：实验组和对照组）×2（任务类型：复述任务和分类任务）的重复测量方差分析，结果显示：组别的主效应显著，F（1，27） =8.38（P<0.01），实验组老年人执行VFT的成绩（35）高于对照组（28）;任务类型的主效应显著，F（1，27）= 387.01（P<0.001），被试执行VFT复述任务的成绩（53）高于分类任务 （11）;任务类型与组别的交互作用达到边缘显著，F（1，27）=3.80，P=0.06，提示VFT成绩可能受到参与八段锦身心锻炼的影响。进一步的独立样本t检验显示，实验组执行VFT复述任务的成绩（58）高于对照组（47），t （27）=2.49（P=0.019）;实验组执行VFT分类任务的成绩（12.3）也高于对照组（10），t （27）=2.38（P=0.024）。

2.2 fNIRS结果

对oxy-Hb浓度均值进行2（组别）×2（任务类型）×4（ROIs）的重复测量方差分析（见表2），结果显示：任务类型的主效应显著，F（1，24）= 7.20（P<0.05），被试执行分类任务的oxy-Hb 浓度（0.005）高于复述任务（-0.007）;任务类型与组别的交互作用显著，F（1，24）=4.63（P<0.05）;其他主效应和交互作用均不显著（P>0.05）。进一步的独立样本t检验显示，实验组执行分类任务时左侧额下区的oxy-Hb浓度显著高于对照组，t（24）= 2.87（P<0.01）;实验组执行分类任务时右侧额下区的oxy-Hb浓度同样高于对照组，t（24）= 2.04，P=0.05;而2组被试在其他脑区的任务类型差异均不显著（P>0.05）。如图4和5所示。

3   讨论

本研究的行为学数据表明，与对照组被试相比，实验组被试完成分类VFT的正确数更高，表明参与八段锦身心锻炼对老年人分类VFT表现有促进作用。这一结果和已有研究结果相一致，例如有一项研究以782名老年人为研究对象，研究者根据问卷调查将被试分为有氧锻炼组（游泳、慢跑等）、身心锻炼组（太极、瑜伽）;拉伸组和非锻炼组，所有被试完成中文版的阿尔茨海默病评定量表认知分量表、MMSE、数字和视觉广度测验、分类VFT等。结果显示，锻炼组的认知功能均有不同程度改善，其中有氧锻炼组和身心锻炼组的锻炼认知效益更大，就分类VFT表现而言，身心锻炼组比有氧锻炼组更好[12]。另一项研究以389名轻度认知损害的老年人为被试，研究者将他们分为身心锻炼（太极拳）组和控制组（拉伸运动），2组被试均接受5个月的运动干预，研究也发现运动锻炼干预可提高分类VFT表现，而且身心锻炼（太极运动）组较之于控制组分类VFT成绩更好[13]。可见，对正常和轻度认知损害的老年人的研究均发现锻炼对分类VFT表现有促进作用。

本研究表明，八段锦身心锻炼可以改善老人分类VFT表现。那么这一身体锻炼认知效益的心理机制是什么？可以从身心锻炼和VFT的特征来分析。首先，就身心锻炼特征而言，它要求锻炼者在进行身体活动的同时，完成视觉空间加工、动作回忆和任务切换等认知活动，涉及到运动系统和认知语言系统的整合[9]，可见，身心锻炼是一种身心合一的运动，兼有有氧锻炼和认知训练2种功能。而已有研究表明，有氧锻炼和认知训练均可改善认知表现。其次，从VFT执行涉及的认知加工来看，它包括工作记忆、认知切换等诸多认知功能，而这些认知表现可以通过身体锻炼和认知训练提高。因此，长期的身心锻炼可以提高VFT的表现。

本研究的近红外脑成像结果显示，被试执行分类VFT的oxy-Hb浓度高于复述任务，oxy-Hb水平增加反映了大脑皮层神经元细胞激活而引发的局部脑血流量增加，表明脑区激活更强。进一步比较发现，较之于对照组被试，长期坚持参与八段锦锻炼的老年人完成VFT时，左侧额下区和右侧额下区的oxy-Hb浓度均更高，表明八段锦身心锻炼有助于完成VFT时的脑激活。

额叶是控制执行功能的重要脑区，已有研究发现，体育锻炼有助于增强个体完成执行控制任务时额区的激活。例如有研究发现，在进行中等强度的自行车运动后，被试完成Stroop冲突任务时左背侧前额叶皮层的激活增强，而且这一脑区的激活增强和对冲突任务的认知表现增加相关联[14]。除了上述的短时有氧锻炼干预，身心锻炼干预也会增强实验对象前额叶的激活，例如Chen等[15]以健康年轻人为研究对象，采用Flanker任务范式研究八段锦干预对抑制控制的影响，发现8周的八段锦身心锻炼干预能增强被试的大脑前额叶激活，并提高抑制功能。上述研究采用不同的锻炼方式、不同的执行功能任务均发现体育锻炼对大脑额区激活的积极影响。

已有研究发现，额叶也是与VFT关联的重要脑区，同时易受大脑老化影响，与年轻人相比，老年人完成VFT時额叶激活更低[16];临床研究也表明，老年痴呆患者完成VFT时额区激活低于正常人[16-17]。而体育锻炼有助于改善执行VFT时额区的低激活。例如一项研究将老年被试分为积极参加户外活动组和非户外活动组，2组被试分别完成音位VFT。有研究发现，户外活动组被试在完成音位VFT时双侧大脑前额叶激活更强[18]。本研究以正常老年人为被试，发现八段锦身心锻炼不仅可以增强分类VFT表现，也可增强前额叶皮层的激活。由于完成分类VFT需要涉及多个认知加工过程，额叶的激活增强可保证被试完成任务时调动更多的神经资源，保证VFT的顺利完成。

尽管本研究发现，八段锦身心锻炼对认知和脑功能有着积极影响，但是解释相关结果仍需慎重。1）本研究是一项横断研究，尚难以对研究结果作因果推论，下一步的研究需结合运动干预研究并拓展认知任务，进一步研究八段锦身心锻炼对老年人不同认知功能的影响。2）执行功能涉及众多不同脑区，而由于研究设备及技术有限，本研究光谱探头仅覆盖前额叶和颞区，一些重要脑区未能探测。3）近红外脑光谱的空间分辨率仍有局限，一些皮层下脑区如海马区仍难以探测，进一步研究应结合高空间分辨率的成像手段。

4   结论

本研究结果证实，八段锦身心锻炼对分类VFT表现和脑功能有着积极影响，这一影响通过提高语言任务表现和增强大脑前额叶相关脑区激活而实现。鉴于八段锦动作简单易学，运动损伤风险小，更适合老年人练习，上述结果对于制订适合老年人的运动处方具有启发意义。

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