24 周太极拳对老年女性静息态功能网络的影响

2022-04-21岳春林

湖北体育科技 2022年3期

陈爽，岳春林

（1.南京航空航天大学体育部，江苏南京 210016；2.苏州大学体育学院，江苏苏州 215000）

我国人口老龄化日益严重，随着年龄的增加，老年人大脑的结构和功能会逐步衰退。例如皮质萎缩、神经传递功能障碍、血流量减少等。这会导致老年人通常会出现认知衰退的现象，包括信息处理速度、推理和记忆能力下降，并且患痴呆等认知障碍的风险也在增加［1］。据估计，到2030 年，全世界患阿尔兹海默病（痴呆）的人数将达到7 500 万［2］。延缓老年人认知衰退，预防阿尔兹海默症成为当今研究中的重中之重。有研究表明，随着年龄的增长，运动和认知功能的下降与大脑功能网络的退化有关［3］。缺乏运动锻炼习惯的老年人大脑功能连接明显下降［4］。然而，由于人类大脑对特定任务的可塑性和适应性，衰老过程是可逆的［5］。这意味着大脑功能连接重组在老年人中是可能的［6］。神经成像研究表明，运动技能学习会影响静息态大脑的内在功能连接［7］。适当的干预措施，如锻炼和运动训练，可以促进这些功能网络的分化［8］，可能抵消与年龄相关的脑功能网络衰退。一项老年人和年轻人的静息态脑网络对比发现，与拉伸对照组相比，有氧干预一年后老年人的脑网络模式改变的更像年轻人的网络模式。这可能是有氧锻炼可能促进新神经元在大脑网络的集成，导致网络内部的效率提高［7］。

近年来，国内外学者提出一种更适合老年人的运动方式——身心运动。身心运动（mind-body exercise）是指同时锻炼身体和意识的运动，该运动的核心是训练个体用意识控制身体各部分的活动，从而达到身心合一。太极拳（TCC）、瑜伽及气功等就是常见的身心运动［9］。与其他运动形式相比，身心运动的独特特征包括4 个可识别的元素：专注于思想、运动、呼吸和放松状态［10］。最近的一篇综述总结出身心练习可以对参与注意力、情绪控制和执行认知等大脑系统进行调节，这些系统可用于治疗或预防衰老过程中的情绪和认知障碍，或作为脑健康锻炼的一种干预方式［11］。现如今，大量研究证实，太极拳作为运动技能学习的一种类型能够改善老年人大脑功能网络，延缓认知衰退［12-14］。默认模式网络（DMN）在年龄相关性认知衰退中起着重要作用。一项研究发现太极拳（TCC）对DMN 具有积极的调节作用［12］。另外，感觉运动网络（SMN）是与运动技能学习密切相关的功能网络。 Traute 等对21 名老年人进行13 周的多模态认知协调训练，研究发现感觉运动网络的顶叶上区功能连接发生显著的改变［15］。 Wei 等研究发现中央后回功能连接的变化与TCC 锻炼经验显著相关［13］。本文之前的研究横向对比高水平太极拳锻炼者和步行锻炼者大脑功能网络的差异。研究发现太极拳组在DMN 和SMN 与步行组存在差异。为长期太极拳锻炼对老年人大脑可塑性的影响提供重要证据［16］。大脑可塑性在减缓甚至逆转衰老过程中发挥着重要作用。为了进一步探讨太极拳运动对老年人功能可塑性的潜在机制。本研究在之前的基础上增加24 周的运动干预时间。本研究假设24 周的运动干预后，太极拳组与步行组在默认网络或感觉运动网络依旧存在显著的激活差异。并且，相比步行组，24 周太极拳干预可能导致功能网络的特异性脑区激活。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

通过问卷调查和访谈法，从苏州市桂花公园、娄门、斜塘等社区的太极拳和快步走协会招募女性老年太极拳练习者和女性老年步行组练习者。随机抽取TCC 组20 名和步行组20名老年女性纳入研究。筛选标准：1）女性，年龄60～70 岁，受教育程度＞4 年；2）右利手；3）体型适中，近/远视眼＜500 度，听力正常，无严重躯体疾病；4）无严重的神经系统疾病、肌肉骨骼系统疾病或体育运动损伤者；5）无精神疾病及其家族史、精神障碍或药物、酒精依赖者。由于本研究的样本均为老年女性，因此在解释本研究结果时应谨慎。在实验开始前，告知被试本次试验的目的、注意事项，并签署知情同意书。本项目通过了苏州大学伦理委员会审查（编号：ECSU-2019000209）。

1.2 研究方法

1.2.1 行为学采集

采用简易精神量表（MMSE），蒙特利尔认知评估量表（MoCA）测量两组受试者的认知能力。

1.2.2 图像采集

采用苏州大学附属第二医院影像中心Philips 3.0T 功能磁共振成像系统，配备有八通道相控阵头线圈采集磁共振数据。受试者被要求仰卧，保持冷静且不要想任何事，头部两侧用海绵适当固定。功能像使用梯度回波平面成像序列（gradient echoplanar imagine，EPI）采集，扫描参数为：TR＝2000ms，TE＝30ms，FOV＝220mm×220mm，翻转角度为90°，矩阵64×64，层厚4mm，层间距＝0，共36 层，视野192×192mm，逐层扫描，体素大小为3mm×3mm×3.75mm，扫描时间为400s。

1.2.3 fMRI 数据预处理

实验中所采集到的图像数据采用MATLAB2013b 平台上的SPM12 软件包进行预处理。具体流程为：第一步，将所有被试的原始DICOM 数据转换为NIFTI 数据格式；第二步，去除前10 个时间点，使得fMRI 信号稳定并且让受试者适应磁共振扫描，留下190 个图像数据进行进一步分析；第三步，时间层校正（slice timing），参考层为每个全脑扫描过程中位于中间时间层的第18 层；第四步，头动校正（realign），排除头动平动大于3mm、转动大于3°的被试；第五步，空间标准化（spatial normalization），将每个被试的功能像配准到标准EPI 模板，并将每个体素重采样至3mm×3mm×3mm；第六步，高斯平滑（smoothing），降低空间噪声，半高全宽为8mm。

1.2.4 基于ICA 的内部功能网络的提取

GroupICA 的方法是基于Matlab2013b 上的Conn18b 和SPM12 软件包对预处理后的数据进行独立成分分解。使用G1fastICA+GICA3 Back-projection 算法进行估计，估计数设为40。 G1fastICA 算法用于评估独立组件的重复性或稳定性，然后通过G1fastICA 将每个被试分离的独立成分反构重建并转换为Z 值［17］，最后得到每个被试特定的空间地图和时间进程以进行进一步组水平随机效应分析。

1.3 统计方法

本研究采用SPSS17.0 统计软件进行处理，太极拳与步行两组人群的年龄、教育年限计数资料，服从正态分布，方差齐，以均数±标准差作统计描述，独立样本t 检验进行统计分析。利用Conn18b 软件以年龄、受教育年限为协变量，采用2*2 的重复测量方差分析对两组干预前后和两组间干预后的差异进行分析，结果通过全脑p＜0.001 的未校正阈值和FDR 校正（p＜0.05）得出。

2 结果

2.1 基础人口学资料信息和认知功能评分比较

排除4 人头动幅度过大，3 人中途退出无法完成实验，最终太极拳组17 人，年龄（63.47±2.45 岁）；步行组16 人，年龄（62.44±2.68 岁）纳入实验研究。两组被试在年龄，受教育年限无统计学差异，在总体认知无显著差异，但研究发现太极拳组MoCA 量表中延迟回忆分值显著高于对照组（p＜0.05，表1）。

表1 受试者基本资料

2.2 感兴趣的独立成分

图1 显示从40 个独立成分提取具有显著差异的两个感兴趣网络（单样本T 检验，未校正阈值p＜0.001，FDR 校正p＜0.05）：感觉运动网络（SMN）和默认网络（DMN）。每个感兴趣网络坐标与前人的研究一致［18］。

图1 感觉运动网络和默认网络的空间分布图

2.3 两组24 周运动干预后与基线的比较分析

纵向比较太极拳组和步行组干预24 周前后静息态功能网络的改变，研究发现：太极拳组较基线在左侧海马（L hippocampus）的激活水平显著增强（未校正体素水平p＜0.001，FDR 校正p＜0.05）；步行组没有任何显著的变化。

图2 TCC 组时间主效应具有显著差异的脑区图

2.4 两组24 周运动干预后的交互分析

比较两组干预方式和干预时间两个因素对老年人功能网络的影响，研究发现显著的交互效应。研究发现，与步行组相比，太极拳组在干预24 周后，楔前叶皮层（precuneus）/中央后回（PosCG）的激活水平显著减弱（未校正体素阈值p＜0.001，FDR 校正p＜0.05）。

图3 TCC 组交互效应具有显著差异的脑区图

表2 太极拳组与步行组比较结果汇总表

3 讨论

本研究采用独立成分分析的方法探究24 周太极拳干预对健康老年女性大脑功能网络的影响。研究发现：1）太极拳组与步行组在感觉运动网络、默认网络具有显著的激活差异；2）太极拳组干预后较干预前在左侧海马的激活显著增强；步行组干预前后无显著差异；3）比较两组时间*干预方式的交互效应时发现，太极拳组在干预24 周后，楔前叶/中央后回的激活显著减弱。这些结果支持“神经效率”假说，为一段时间的太极拳锻炼是否使老年人在认知方面形成更集中的、高效的特异性功能网络的问题提供依据。

行为学的研究发现，与步行组相比，太极拳组在认知功能中延迟回忆的得分更高。这个结果得到以往的研究的支持，他们解释为太极拳会增强记忆功能，这可能与太极拳增强注意力和抑制控制能力有关［14，19］。磁共振研究结果也支持这个观点，研究发现，太极拳组在24 周太极拳干预后，较基线在左侧海马区域激活水平显著增强。海马是记忆功能的重要区域。有研究表明体育锻炼会增加海马的体积［20］并能增加海马脑血流量［21］。以往的研究对健康老年人进行12 周的太极拳干预后，受试者双侧海马和内侧前额叶之间静息态功能连接的增加并且与记忆功能改善显著相关，他们这可能是资源重组促进新神经元在记忆学习相关大脑区域集成导致的［14］。有研究表明，长期太极拳锻炼能够促进BDNF 的上调［19］。长期的太极拳锻炼锻炼大脑记忆功能，激活记忆资源从而积极促进跨本体感觉和运动域的信息整合，使太极拳锻炼者流畅自如的进行连贯动作。这可能会促进海马体和大脑皮层的营养因子上调，BDNF，IGF 被证明能够促进海马体新神经元的产生，促进海马体的突触可塑性［7］。然而，未来的研究需要使用特定的任务和方法来进一步验证。

本研究发现太极拳组较步行组在默认网络（楔前叶）和感觉运动网络（中央后回）的激活水平均显著减弱。以往的研究表明，经过长期的运动实践，大脑内部神经活动下降［7，22-23］。这些研究表明大脑在静息状态下与任务相关脑区之间的功能连接在运动学习的早期阶段增加，在后期却减少。这与专家与初学者的发现是一致的［22，24］，这些结果可能为长期实践中大脑激活模式的非线性变化提供依据。有了这些先前的发现，本研究的结果为降低神经成本和提高大脑功能网络在控制认知或运动功能方面的效率提供证据。这种普遍降低的激活模式，可能与大脑适应性重组有关，反映功能网络内部神经效率的提高。一项最近的研究探讨长期高强度体操训练对运动员大脑功能网络内部的影响。研究发现，与普通人相比，除了视觉网络，其他8 个功能网络内部的大脑激活显著降低。他们解释为这可能因为长期高强度体操训练使得相应网络内部神经效率提高［22］。也有研究表明，随着特定技能变得更加自动化和控制更少，神经效率的提高与特定大脑区域神经活动的减少有关［25］，长期技能训练会形成集中的、高效的功能网络［26］。本研究支持这个观点。这种较低神经活动水平的运动控制提示长期重复性太极拳锻炼可以使老年人达到非常熟练和运动自动化，反映太极拳锻炼有助于维持功能网络的专门化。楔前叶以及后扣带回构成默认网络的一部分，它涉及到包括自我意识和记忆功能在内的过程。默认网络在无任务范式中是活跃的，在大脑执行需要外向注意的任务时呈负激活。在一项研究中，研究人员发现，与单纯冥想的对照组相比，长期进行冥想锻炼的练习者在DMN 的主要节点的激活较少［27］。另一项研究发现有氧运动训练降低老年人执行网络和默认网络之间的功能连接，并且楔前叶和内侧额上回的神经活动通常是负耦合的［7，28］。这些研究说明运动锻炼可以抑制默认网络自发性活动促进其他功能网络激活以满足任务需要。感觉运动网络主管所有来自躯体的感觉。中央后回是重要的运动中枢，在躯体感觉知觉中扮演着重要的角色，比如触觉识别和本体感觉［29］。交互效应发现太极拳组中央后回的激活水平显著减弱。在行为学测试中本研究也发现太极拳组比步行组在下肢平衡具有显著的优势。在一项触觉识别任务中，研究人员发现训练组比非训练组在小脑激活显著降低，反映运动员在接受长期射箭训练后对触觉识别的内在模型的掌握程度更高［30］。这提示老年人在进行太极拳训练后，感觉运动皮层的神经活动模型变得更简洁，更高效。接受一段时间太极拳锻炼的老年女性能更有效地使用躯体感觉网络，而对照组必须投入更多的神经活动才能达到太极拳组的水平。