基于VBM研究長期太極拳鍛煉對老年人工作記憶的影響

王嘉慧

關(guān)鍵詞：VBM 研究；太極拳；鍛煉；工作記憶

1 研究背景

衰老作為一種自然的生物過程，通常會導(dǎo)致腦萎縮、腦功能改變。衰老與神經(jīng)退行性疾病相關(guān)，其中最常見的就是阿爾茲海默?。ˋD），其作為全球第五大死亡原因，對公眾健康構(gòu)成重大威脅。海馬作為AD 診斷中最有效、最易獲得且廣泛使用的生物標(biāo)記物之一，其結(jié)構(gòu)和功能的改變一直是研究的重點(diǎn)。通過鍛煉及治療來對抗AD，有利于改善海馬結(jié)構(gòu)。在學(xué)習(xí)和記憶的過程中，海馬結(jié)構(gòu)和功能是否完整非常重要，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)特別容易受到衰老過程的影響。

工作記憶是認(rèn)知功能的核心部分，是指暫時儲存和加工信息的有限資源。N-back 任務(wù)范式則被認(rèn)為是測量工作記憶的重要范式。作為我國的一項(xiàng)傳統(tǒng)身心運(yùn)動，太極拳以中國古代的哲學(xué)為基礎(chǔ)，有著悠久而豐富的歷史。由于其中低等運(yùn)動強(qiáng)度的特點(diǎn)和緩慢放松的性質(zhì)，在練習(xí)過程中強(qiáng)調(diào)動作、呼吸相互配合，注重“天人合一”的理念，太極拳已日益流行，并迅速傳播到50 多個國家。已有大量研究表明練習(xí)太極拳的老年人記憶功能有所改善，且大腦體積也會相應(yīng)增加。選擇何種適當(dāng)?shù)腻憻挿绞揭栽鰪?qiáng)大腦的記憶能力，改善老年人的認(rèn)知功能，在現(xiàn)代社會受到了廣泛的關(guān)注，而太極拳憑借其優(yōu)勢和實(shí)踐效果，成為眾多老年人的首要選擇。

然而長期太極拳鍛煉改善工作記憶的機(jī)制仍不清楚，太極拳對海馬結(jié)構(gòu)和功能的改善也正處于探索階段。磁共振成像作為一項(xiàng)成熟的檢測技術(shù)，已大量運(yùn)用在認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)研究中。VBM 是一種基于全腦的分析技術(shù)，可用于檢測大腦灰質(zhì)、白質(zhì)、腦脊液等的體積差異。本研究結(jié)合VBM 方法探究長期太極拳鍛煉者與步行鍛煉者的灰質(zhì)體積差異，通過2-back 測試發(fā)現(xiàn)太極拳組與對照組的反應(yīng)時、正確率差異，從而可以反映出兩組在工作記憶上的不同。通過行為學(xué)研究和磁共振檢查相結(jié)合的方法，探討出太極拳是否可以有效改善老年人工作記憶，從而改善腦結(jié)構(gòu)和功能。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

本研究最初招募了46 名老年受試者，所選受試者均為女性，且均無任何心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病或運(yùn)動、認(rèn)知障礙的病史（例如MoCA 得分低于26 分）。所選受試者均為右利手，聽力正常，無嚴(yán)重軀體疾病，體形適中，近/ 遠(yuǎn)視眼<500 度。此外，我們還篩查了那些不能在磁共振環(huán)境中進(jìn)行測試的受試者（ 例如有干擾測試的金屬植入物的受試者以及患有幽閉恐懼癥的受試者）。最后，由于1 人有嚴(yán)重的幽閉恐懼癥，3 人在磁共振測試中頭動過大而被排除，本研究的最終受試者為42 人。其中，太極拳組共20 人，步行組共22 人。為實(shí)時監(jiān)測運(yùn)動強(qiáng)度，所有受試者在進(jìn)行運(yùn)動時都佩戴了心率表，其運(yùn)動強(qiáng)度在最大心率的50%—75%。在對受試者進(jìn)行干預(yù)時，太極拳組的受試者需要每周至少打楊式太極拳5 次，且每次的練習(xí)時間至少為一小時。對照組的受試者需要每周進(jìn)行步行鍛煉至少5 次，每次步行時間為一小時以上。

所有受試者都在實(shí)驗(yàn)開始前被告知了本次實(shí)驗(yàn)的研究目的、研究過程和注意事項(xiàng)，且都自愿簽訂了知情同意書。蘇州大學(xué)倫理委員會已批準(zhǔn)該研究。

2.2 研究方法

本研究采用基于倒數(shù)n 項(xiàng)測驗(yàn)范式的N-back 任務(wù)進(jìn)行行為學(xué)測試。從第ｎ個刺激開始，受試者需要判斷接下來呈現(xiàn)的刺激是否與前面剛呈現(xiàn)過的倒數(shù)第ｎ個刺激相一致。N-back 可測試受試者工作記憶中的更新功能。有研究者發(fā)現(xiàn)，在所有高級認(rèn)知功能中，工作記憶的更新功能最為重要，且與人類的生活質(zhì)量關(guān)系最為緊密。

在本項(xiàng)研究中的行為學(xué)實(shí)驗(yàn)采用的是2-back 范式。該研究可以通過計(jì)算機(jī)自動控制每個刺激材料的呈現(xiàn)，并且能如實(shí)及時地記錄下每個被試者的反應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)的刺激材料和程序均由E-prime2.0 軟件編碼和運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)的刺激材料為1—9 的數(shù)字，大小為20cm×20cm。本實(shí)驗(yàn)采用的是event 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個trial 的時間序列為：注視點(diǎn)“＋”，呈現(xiàn)時間為300—600ms，刺激呈現(xiàn)500ms，兩個刺激之間的呈現(xiàn)時間是隨機(jī)的2400—2700ms。在實(shí)驗(yàn)時，受試者需要判斷出當(dāng)前的數(shù)字是否與上一個數(shù)字一樣，并準(zhǔn)確進(jìn)行按鍵反應(yīng)。

實(shí)驗(yàn)過程：每個受試者處于安靜的實(shí)驗(yàn)室中，并且做實(shí)驗(yàn)時無其他人員的干擾。首先是練習(xí)實(shí)驗(yàn)，受試者需要集中注意力，盡可能準(zhǔn)確地識別計(jì)算機(jī)屏幕上的刺激內(nèi)容，并盡可能快速地進(jìn)行反應(yīng)。當(dāng)受試者完全了解該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)。

2.3 磁共振采集

本研究的磁共振數(shù)據(jù)由蘇州大學(xué)第二附屬醫(yī)院應(yīng)用MRI 磁共振室的飛利浦3.0T 磁共振掃描儀進(jìn)行采集。結(jié)構(gòu)像使用矢狀面3DT1W1 高分辨率磁化準(zhǔn)備快速梯度回波序列進(jìn)行全腦掃描。TR=7.1ms，TE=2.98ms，flipangle=9°，皮層厚度=1.0mm，F(xiàn)OV=256mm×256mm，矩陣=256×256，體素大小=0.625mm×0.625 mm×1mm。

2.4 磁共振數(shù)據(jù)處理

本研究的結(jié)構(gòu)像數(shù)據(jù)采用基于Matlab2013b 平臺的spm12 軟件包及CAT12 軟件包進(jìn)行分析處理。預(yù)處理包括：（1）刪除前十個時間點(diǎn)；（2）時間層校正；（3）空間標(biāo)準(zhǔn)化；（4）結(jié)構(gòu)像圖像切割：將每個受試者的結(jié)構(gòu)像進(jìn)行切割，分成灰質(zhì)、白質(zhì)和腦脊液；（5）平滑：對所有受試者的灰質(zhì)圖像進(jìn)行８mm 的半高全寬平滑。

2.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

本研究采用的是SPSS.26 統(tǒng)計(jì)軟件。通過統(tǒng)計(jì)軟件對太極拳組和對照組的人口學(xué)資料進(jìn)行雙樣本t 檢驗(yàn)，且P 值為0.05。對兩組的磁共振數(shù)據(jù)采用SPM 軟件進(jìn)行獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)，通過統(tǒng)計(jì)比較太極拳組與對照組的灰質(zhì)體積差異。最終的磁共振數(shù)據(jù)并未進(jìn)行多重校正，而是進(jìn)行相對嚴(yán)格的AlpahSim 校正，其中P 值小于0.01，且voxel>50 的腦區(qū)被定義為有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異的腦區(qū)，年齡、性別作為協(xié)變量。

3 結(jié)果

3.1 太極拳組與步行組的一般資料比較

在這項(xiàng)研究中，通過獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)太極拳組和對照組在年齡（p=0.89）上并沒有顯著性差異。行為學(xué)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2-back 任務(wù)中，太極拳組與步行組在正確率和反應(yīng)時間方面存在顯著性差異（P<0.01，P<0.05）。與步行組相比，太極拳組2-back 測試正確個數(shù)更多，同時，太極拳組反應(yīng)時間較短，因此我們可以判定太極拳組的行為學(xué)成績比步行組的更好。見表1。

3.2 太極拳組與步行組灰質(zhì)體積差異

通過對太極拳組與步行組灰質(zhì)體積比較，我們發(fā)現(xiàn)，與步行組相比，太極拳組的左側(cè)顳中回、海馬旁回灰質(zhì)體積較大。但是，太極拳組的小腦灰質(zhì)體積較小。該結(jié)果與我們所猜測的結(jié)果一致。見表2，圖1。

4 討論

4.1 長期太極拳鍛煉對老年人工作記憶功能的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，長期進(jìn)行太極拳鍛煉對老年人的工作記憶功能產(chǎn)生顯著的積極作用，可以改善老年人工作記憶的行為表現(xiàn)。該結(jié)果與先前的研究結(jié)果一致。張楠楠等通過對正確記憶數(shù)字的位數(shù)測試，發(fā)現(xiàn)長期進(jìn)行太極拳鍛煉的老年人短時記憶功能明顯優(yōu)于對照組，且工作記憶容量也明顯高于對照組。太極拳作為一項(xiàng)結(jié)合了復(fù)雜技術(shù)動作和完整訓(xùn)練形式的有氧運(yùn)動，對老年人的工作記憶有著積極作用。在鍛煉過程中，老年人需要記住太極拳套路，在完成前一個動作時，就立馬想起并做出下一個技術(shù)動作。此外，在進(jìn)行太極拳鍛煉時，老年人需要轉(zhuǎn)換空間方位，在不同的空間方位中多次進(jìn)行動作技術(shù)的轉(zhuǎn)變，從而促進(jìn)工作記憶的提高。本研究顯示，在2-back 任務(wù)中，太極拳組的正確率顯著高于步行組，且反應(yīng)時也顯著快于步行組。由此說明，老年人在進(jìn)行太極拳鍛煉時，將不同招式進(jìn)行整合，快速刷新技術(shù)動作，從而促進(jìn)了工作記憶功能。

4.2 長期練習(xí)太極拳對老年人灰質(zhì)體積的影響

大量研究表明，適當(dāng)?shù)挠醒蹂憻捘軌蛴绊懘竽X的灰質(zhì)體積，從而影響其認(rèn)知功能，并且不同的鍛煉方式會對不同的腦區(qū)產(chǎn)生相應(yīng)的影響。太極拳作為一項(xiàng)大多數(shù)中老年人喜愛的有氧運(yùn)動，其對認(rèn)知功能的影響研究非常重要。VBM 技術(shù)作為一種基于體素對腦結(jié)構(gòu)MRI 進(jìn)行全方面的分析技術(shù)，可同時定量檢測整個腦組織的體積。本研究通過VBM 技術(shù)全面比較太極拳組與步行組腦灰質(zhì)體積的差異。研究發(fā)現(xiàn)，與步行組相比，太極拳組在顳中回、海馬旁回等特定區(qū)域表現(xiàn)出更大的灰質(zhì)體積，提示長期太極拳鍛煉者存在灰質(zhì)結(jié)構(gòu)改變。

海馬主要功能包括鞏固情景記憶和情景依賴性空間學(xué)習(xí)，以及調(diào)節(jié)情緒行為。海馬旁回在工作記憶功能方面更是發(fā)揮著重要作用，與人類的學(xué)習(xí)、記憶功能密切相關(guān)。TAO 等人發(fā)現(xiàn)12 周的太極拳鍛煉可以使左側(cè)海馬旁體積增大，且改善海馬與mFPC 之間的相互作用，表明太極拳鍛煉對海馬灰質(zhì)體積的影響。上述研究結(jié)果與本研究一致，本研究發(fā)現(xiàn)，與步行組相比，太極拳組在顳中回、海馬旁回區(qū)域灰質(zhì)體積有著顯著的增加，太極拳組的行為學(xué)數(shù)據(jù)也表明其工作記憶測試的成績較好，通過長期的太極拳鍛煉可以有效改善海馬的激活水平，從而促進(jìn)其記憶能力改善。太極拳鍛煉是一種身心鍛煉，其靈活性、敏捷性的特質(zhì)有助于改善老年人的工作記憶功能。老年人在進(jìn)行太極拳鍛煉時，視覺先發(fā)揮作用，隨后是數(shù)次的實(shí)踐模仿，在不斷的練習(xí)中，其動作表象逐漸清晰，記憶范圍不斷擴(kuò)大。老年人不斷對太極拳的動作路線加深記憶，也深化了對太極拳技術(shù)動作的理解。在這樣長期的太極拳鍛煉中，老年人的海馬自發(fā)神經(jīng)活動得以增強(qiáng)，其神經(jīng)系統(tǒng)活性改善，從而使海馬灰質(zhì)體積增加。

此外，相比于太極拳組，步行組的小腦灰質(zhì)體積更大。小腦系統(tǒng)的主要作用是運(yùn)動的協(xié)調(diào)與平衡。在臨床干預(yù)試驗(yàn)中，有報道稱太極拳練習(xí)可以減少老年人跌倒和增加平衡，但因果關(guān)系并不明確，所以平衡能力留作今后再研究。

4.3 研究展望

本研究存在一些局限性和不足。在樣本篩查方面，本次實(shí)驗(yàn)對象都為女性，所以性別因素是否能夠影響太極拳練習(xí)對于腦灰質(zhì)體積的作用需要進(jìn)一步的探究。此外，本研究只分析了20 例太極拳練習(xí)者、22 例步行組的磁共振數(shù)據(jù)，樣本量不多，今后的研究需要更多的樣本進(jìn)行分析研究。

5 結(jié)語

本研究利用VBM 方法探討長期太極拳練習(xí)對老年人工作記憶的影響。最終得出結(jié)論：與步行組相比，太極拳組的左側(cè)顳中回、海馬旁回灰質(zhì)體積較大。太極拳組的小腦灰質(zhì)體積較小。與步行組相比，太極拳組行為學(xué)數(shù)據(jù)較好，其中表現(xiàn)在正確率更高，且反應(yīng)時更短。太極拳組海馬旁回灰質(zhì)體積較大，可提示長期太極拳鍛煉可能促進(jìn)海馬結(jié)構(gòu)改善，進(jìn)而引起認(rèn)知腦功能變化。通過太極拳鍛煉，老年人可以有效改善腦結(jié)構(gòu)，從而使工作記憶得到改善。長期的太極拳鍛煉對老年人的積極影響尚需要探索，在今后的研究中可以進(jìn)一步探討。