身體鍛煉對中老年人空間定向能力的影響：來自P300的證據

高淑青，張連成，王 鈺

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身體鍛煉對中老年人空間定向能力的影響：來自P300的證據

高淑青，張連成，王 鈺

采用ERP技術考察身體鍛煉對中老年人空間定向能力的影響。天津市天塔街社區的中老年參與者26人(鍛煉者與非鍛煉者各13人)參與了實驗。結果顯示，在完成心理旋轉任務時，鍛煉組反應時為1 116.877±258.821 ms，非鍛煉組反應時為1 334.026±275.390 ms，兩組別反應時差異可靠，t=-2.072，P=0.049。腦電方面，中央點Cz上，鍛煉組P3波幅為4.011±1.247 μV，非鍛煉組P3波幅為2.966±1.709 μV；在頂點Pz上，鍛煉組P3波幅為4.666±1.799 μV，非鍛煉組P3波幅為3.225±1.848 μV。混合設計的重復測量方差分析顯示，兩組別的P3波幅差異可靠，F(1,24)=5.155，P=0.032，partial η2=0.177，兩電極點上P3波幅的差異不可靠，F(1,24)=1.632，P>0.05，電極點和組別之間交互作用不可靠，F(1,24)=0.305，P>0.05。綜上，鍛煉者較非鍛煉者在完成空間定向任務時反應更快，P3波幅更大，能夠動員更多的神經元同步興奮。這提示，身體鍛煉可以改善中老年人的腦功能，在認知加工時，認知加工資源動員程度更高。

身體鍛煉，中老年人，空間定向能力，P300

有關成年期認知發展的研究主要集中于基本認知能力和日常認知能力兩大領域，前者是在一般認知活動中展現出的能力，后者是在解決日常生活遇到的問題時展現出的能力，前者是后者的基礎和核心[8,9]。在基本心理能力發展上，除詞語流暢能力外，其他各種能力在50歲以后均呈下降趨勢[8]。空間認知能力作為一項重要的基本認知能力[30,28]，對老年人的日常問題解決能力有著重要影響，在老年人的日常生活中發揮重要作用，同時，空間認知能力伴隨著增齡，也表現出功能衰退的現象，這種老化現象也得到越來越多的心理學家的關注[3,14]。

空間認知能力包括準確知覺外界的能力、對知覺到的客體進行改造和修正的能力以及重建視覺經驗的能力。具體體現為視空間定向、空間旋轉、空間關系和視覺形狀重構等諸要素，其核心是視覺空間表象能力，因而許多學者把視覺空間表象視為空間智能的核心。視覺表象能夠以多種方式進行轉換，其中最為典型的一種，就是以表象為基礎的心理旋轉[6]。心理旋轉(mental rotation)是一種想象自己或客體旋轉的空間表征轉換能力。心理旋轉作為人類空間認知的一種基本操作，對個體的空間能力有較好的預測效度。因此，本研究采用心理旋轉測驗來測查參與者的空間能力。

伴隨全球人口老齡化不斷加劇的社會現實，如何延緩中老年人老化已成為全社會共同關注的熱點問題。而身體鍛煉對中老年人認知功能的積極影響以及延緩其老化的作用逐漸被人們認識。很多研究表明，身體鍛煉可以通過改善鍛煉者大腦的機能來延緩認知老化[16,18,23]。那么，體育鍛煉能否延緩中老年人的空間能力的老化呢？若存在延緩作用，這種延緩作用在大腦活動特點上有怎樣的表現呢？針對以上問題，本研究采用事件相關電位技術研究身體鍛煉對中老年人空間能力的影響，以期獲得身體鍛煉延緩中老年人空間能力老化的大腦活動特點，為身體鍛煉延緩認知老化提供理論支持和實踐指導。

1 研究目的與假設

本研究擬通過事件相關電位技術考察身體鍛煉對空間定向能力老化影響的大腦活動特點，從腦功能層面獲得身體鍛煉延緩空間定向能力老化的證據。

本研究假設：中老年鍛煉組在完成空間定向能力測試時，反應時更短，P300波幅更大，反映出鍛煉者加工速度更快，注意資源分配更多，有效加工資源動員程度更高。

2 研究對象與方法

2.1 研究參與者

來自天津市天塔街社區的中老年參與者30人自愿參與本研究，剔除腦電偽跡過多和測試正確率低于95%的參與者4人，剩余有效參與者26人，鍛煉者13人(男3人，女10人)，年齡在58～64歲之間，平均年齡為60.08±2.22歲。非鍛煉者13人(男3人，女10人)，年齡在58～65歲之間，平均年齡為60.38±2.84歲。參與者的視力或矯正視力正常，均為右利手，均無神經及精神疾病史，身體健康，受教育程度均為高中以上，均為無煙酒或少煙酒，均已婚。

2.2 測驗工具及儀器

1.《鍛煉階段診斷量表》

本研究采用鍛煉階段診斷量表[10,15,26]來判斷研究參與者是否為鍛煉人群。鍛煉階段診斷量表由5道題來判斷個體所處的鍛煉階段，即“請您回想在過去4周內，您是否以至少中等強度，進行每周3次、每次30 min(或至少每周累計1.5 h)的體育活動”？如果回答的是“沒有，且無此打算”或“沒有，不過我正有此考慮”，則處在無意向階段；如果回答是“沒有，不過我已經考慮并有詳細計劃了”，則個體處在意向階段；如果回答是“是的，最近剛開始”或“是的，已有一段時間了”，則個體處在行動階段。

2.腦電儀

采用德國Brain Products公司的ERP記錄與分析系統，按國際10/20系統擴展的64導電極帽記錄EEG信號，參考電極A1、A2，AFz接地，保證電極與頭皮接觸電阻小于5 kΩ，記錄水平眼電(HEOG)和垂直眼電(VEOG)。腦電記錄帶寬0.1～35 Hz，AC采樣，采樣率為1 000 Hz/導。

2.3 刺激呈現方式和ERPs提取

1.刺激呈現方式

空間定向能力采用經典的心理旋轉測驗進行測試。以“R”及其鏡像分別在6個角度(0°、順時60°、順時120°、180°、逆時60°、逆時120°)旋轉后的圖像作為材料，每種材料呈現5次，總計60次。刺激圖像大小為5 cm×5 cm，刺激背景為黑色，刺激為紅色，所有刺激隨機呈現在屏幕中央，刺激呈現時間不限，直至參與者做出反應自動消失，刺激出現間隔時間由計算機隨機控制，400～600 ms不等，要求參與者對刺激盡快做出反應，同時按下反應盒上的相應鍵。

2.ERPs的提取

對腦電數據進行離線分析，應用Analyzer軟件從腦電圖去除偽跡(包括眼動偽跡)，去除標準為波幅≥±100 mV的偽跡信號，進行0.05～30 Hz的濾波。通過平均疊加技術，以刺激出現前200 ms作為平均基線，從腦電圖中提取刺激時的ERPs，空間定向任務的分析時程(epoch)為刺激出現后1 500 ms。認知波主要測量單極導聯Cz、Pz，測量相關ERPs波幅，建立ERPs總平均圖。分別對鍛煉組和非鍛煉組參與者的平均波形作ERPs地形圖分析。

2.4 研究程序

參與者進入實驗室后，主試介紹實驗內容，獲得知情同意，并填寫基本信息登記表。

測試在安靜、舒適的環境中進行，測試過程中要求被檢測者保持安靜，盡量避免眨眼，參與者通過練習完全掌握測試要求后，開始進行正式測試。

正式測試中，參與者完成空間定向能力測驗。通過Recorder軟件記錄腦電信號。

測試結束，感謝參與者的參與并贈送紀念品。

2.5 數據管理與分析

選取測驗成績正確率均高于95%的參與者為有效參與者，對有效數據采用SPSS 16.0軟件包分別對行為學數據和腦電數據進行處理和分析。

3 研究結果

3.1 行為學結果

研究將在《鍛煉階段診斷量表》中回答處于無意向階段和意向階段的參與者作為非鍛煉者，將處于行動階段的參與者視為鍛煉者。對兩組參與者在空間定向能力上測試的反應時進行分析，鍛煉組反應時為1 116.877±258.821 ms，非鍛煉組反應時為1 334.026±275.390 ms，進行獨立樣本t檢驗，結果顯示，兩組別反應時差異可靠，t=-2.072，P=0.049，鍛煉者測試速度快于非鍛煉者。

3.2 腦電結果

P300是心理旋轉的特征波，反映心理旋轉的特性。在心理旋轉過程中，不同對象的心理旋轉所激活的大腦皮層區域存在差異性，通過使用fMRI、腦電技術(EEG)和PET對心理旋轉的研究發現，頂葉、枕葉和額葉是心理旋轉的重要的腦活動區[7]。結合以往研究結果[4-7]和本研究的腦地形圖，本研究選取腦部中央點Cz和頂點Pz所誘發出的P300指標進行分析。本研究中，由于P300(以下稱P3)顯示為雙峰，不適于用波峰值和峰潛伏期來統計[5]，所以統計P3在350～500 ms之間平均波幅，結果見表1所示。兩組參與者在完成空間定向任務時在電極點Cz和Pz誘發的ERP總平均圖如圖1和圖2所示，ERP腦地形圖如圖3所示。

Table 1 Descriptive Statistics of the AverageAmplitude of P3 in the Two Groups

電極鍛煉組(n=13)非鍛煉組(n=13)Cz4.011±1.2472.966±1.709Pz4.666±1.7993.225±1.848

圖 1 兩組完成空間定向任務時Cz點誘發的ERP比較圖

Figure 1. Comparison of ERP Elicited on Cz Points whenTwo Groups Complete the Spatial Orientation Task

圖 2 兩組完成空間定向任務時Pz點誘發的ERP比較圖

Figure 2. Comparison of ERP Elicited on Pz Points whenTwo Groups Complete the Spatial Orientation Task

圖 3 鍛煉者(左)和非鍛煉者(右)在空間定向任務上誘發的ERP地形圖

Figure 3. Comparison of ERP Topographic Map about Exerciser(left)and Non Exerciser(right) when Complete the Spatial Orientation Task

在表1的基礎上，對兩組參與者的P3波幅進行混合設計的重復測量方差分析，結果顯示，兩組別的P3波幅的差異可靠，F(1,24)=5.155，P=0.032，partial η2=0.177，即鍛煉者較非鍛煉者在完成空間定向任務時P3的波幅更大，兩電極點上P3波幅的差異不可靠，F(1,24)=1.632，P>0.05，電極點和組別之間交互作用不可靠，F(1,24)=0.305，P>0.05。

4 分析與討論

行為學結果方面，鍛煉者在心理旋轉任務上的反應時短于非鍛煉者，表明鍛煉者較非鍛煉者的認知加工效率更高，能夠準確而快速地完成認知任務，身體鍛煉能夠促進個體的認知加工速度，從而提高個體完成認知任務的能力。加工速度表征個體執行不同認知操作的快慢程度，是衡量心理能力的重要指標[11]。加工速度在很大程度上解釋了增齡對認知功能的影響，研究表明，加工速度在認知能力年老化過程中起決定作用[2]，身體鍛煉可以通過提高加工速度來延緩基本心理能力的老化[1]。本研究與以往研究結果一致，同時也支持了Salthouse(1985)提出的加工速度理論(processing speed theory)，即加工速度減慢是認知功能發生老化的重要原因[27]。

腦電結果方面，本研究采用經典的心理旋轉測驗來測查參與者的空間定向能力，心理旋轉的事件相關電位研究最初是Wijers等[31]1989年開始的，研究認為，在心理旋轉過程中，頂葉區域出現明顯的P300，且隨著旋轉角度的增加，P300波幅減小。在心理旋轉測驗的ERP的研究中，頭皮頂區分布的P300或P3b成分是最重要的，因為它們和事件分類的認知加工過程相關[13]。本研究結果顯示，在完成心理旋轉任務時，鍛煉者較非鍛煉者的P3波幅更高，表明注意資源分配更多[21,22]，能夠動員更多的神經元來完成任務，同時，鍛煉組P3波幅高也表明個體的工作記憶能力更強[19]，而工作記憶又會影響心理旋轉任務的完成[12]，這與以往研究中工作記憶是鍛煉與基本心理能力之間的中介變量的研究結果是一致的[1]。身體鍛煉可以影響鍛煉者完成任務時P3的波形，即改善了鍛煉者完成空間任務的腦功能。從兩組參與者腦地形圖的比較可見，鍛煉者能夠更迅速地啟動認知資源進行認知任務的操作，在刺激出現后的350～500 ms之間，鍛煉者較非鍛煉者大腦的活躍程度更高，參與認知加工的神經元激活數量更多，完成任務的參與腦區更廣泛。以上結果表明，身體鍛煉加強了大腦協同工作的能力，并產生神經元功能的可塑性變化。總之，身體鍛煉提高了中老年人完成空間任務時的中樞神經系統的功能，使個體能夠動員更多的認知加工資源完成當前認知任務。這與最新的綜述研究結果是一致的[24]。

本研究選取的是55歲以上的中老年參與者進行的考察，這個群體從事的鍛煉項目主要有健身操、太極拳、廣場舞和走步等，屬于有氧鍛煉的形式，因此，本研究認為，有氧鍛煉是延緩中老年人空間定向能力老化的重要鍛煉方式。這與前人的研究結果是一致的[17,20,25]。

總之，有氧鍛煉可以促進個體的認知健康，這其中的機制在于有氧鍛煉可能會增加“認知儲備”[29]，使個體完成認知任務時能夠動員的加工資源更多，加工能力更高。有氧鍛煉促進了大腦的功能，進而延緩認知老化的發生。

5 結論

鍛煉者較非鍛煉者在完成空間定向任務時反應更快，P300波幅更大，能夠動員更多的神經元同步興奮。這提示，身體鍛煉可以改善中老年人的腦功能，在認知加工時，認知加工資源動員程度更高。

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Effect of Physical Exercise on Middle-aged and Elder People’s Spatial Orientation Ability:Evidence from P300

GAO Shu-qing,ZHANG Lian-cheng,WANG Yu

ERP technical was used to test the effect of physical exercise on middle-aged and elder people’s spatial orientation ability.Twenty-six middle-aged and elder people from Tianjin Tower Street Community were invited to participate in this study.The results showed that exercise group reacted faster than non-exercisers in spatial orientation(1 116.877±258.821 ms vs.1 334.026±275.390 ms;t=-2.072,P=0.049).EEG results showed that exercise group’s amplitude of P300 in central point of Cz was 4.011±1.247 μv,and 2.966±1.709 μv in non-exercise group,as well as exercise group’s amplitude of P300 in brain vertex Pz was 4.666±1.799 μv,and 3.225±1.848 μv in non-exercise group; Repeated measures ANOVA showed that there were significant differences between exercise group and non-exercise group on amplitude of P300[F(1,24)=5.155,P=0.032，partial η2=0.177].But,there were no significant between two electrodes’ P300 amplitude[F(1,24)=1.632，P>0.05],also interaction between electrodes and groups[F(1,24)=0.305,P>0.05].Conclusion: Exercise group,which can mobilize more excited neurons synchronization,have faster speed and stronger amplitude of P300 than non-exercise group when complete spatial orientation task.Those results suggested that physical exercise can improve brain function in the middle-aged and elder people,which can promote mobilization of cognitive processing resource at the moment of cognitive processing.

physicalexercise;middle-agedandelderpeople’s;spatialorientationability;P300

1002-9826(2016)04-0059-04

10.16470/j.csst.201604008

2015-12-18；

2016-06-08

教育部人文社會科學研究青年基金項目(13YJC-ZH246)；天津市高等學校創新團隊培養計劃資助項目；天津市“131”創新型人才培養工程項目。

高淑青(1981-)，女，山西省人，講師，博士，研究方向為運動心理學，E-mail：gaoshuqing2600@163.com；張連成(1981-)，男，內蒙古人，副教授，博士，研究方向為運動心理學，E-mail：zlc-hhht@163.com；王鈺(1984-)，女，安徽省人，講師，博士，研究方向為運動認知神經科學，E-mail：450672779@qq.com。

天津體育學院，天津 300381 Tianjin University of Sport，Tianjin 300381,China.

G804.8

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