太極拳和廣場舞鍛煉對女性老年人工作記憶的影響：一項ERP研究

楊子燚，梅 劍，陳 爽，潘宜康，袁小英，何 華，岳春林

隨著我國老年人口的逐漸增多，人口老齡化帶來的問題也日益凸顯，表現為認知加工能力、工作記憶等能力的下降。身體鍛煉對老年人大腦可塑性的積極作用被越來越重視[1]。在眾多的認知干預方法中，認知訓練對認知功能提高的轉化影響相比身體活動來說更加受限，身體活動對認知領域有廣泛的影響，且不受人群的制約[2]。S.COLCOMBE等[3]通過Meta-分析發現，通過運動的方式，執行功能比進行其他認知任務練習如加工速度、空間任務等有更多的提高，這表明身體鍛煉對心理功能特異性的影響，即身體活動對認知的影響可能是選擇性敏感的。

工作記憶（working memory），是指個體在執行認知任務中，對信息暫時儲存與操作的能力[4-5]。有研究結果表明，工作記憶具有可塑性[6]，隨著年齡的增長，老年人大腦組織與功能會發生退行性變化，工作記憶功能的衰退就是特點之一，其工作記憶的衰退主要發生在中央執行系統這個成分[7]。本研究旨在考察不同運動是否可以預防與延緩老年人工作記憶的退化。

N-back范式是評估工作記憶功能的一個常用方法[8]，這一任務范式需要信息的保持、持續刷新、信息處理速度等能力。使用N-back任務的腦老化研究表明，維持和檢索記憶表征的多個記憶內容是導致老年人功能記憶缺陷的因素[9]。

事件相關電位（Event-related potentials），是一種具有高度時間敏感性的神經電生理技術，可以反應認知過程中的大腦神經電生理變化，其內源性刺激電位反應大腦在執行認知任務時的處理過程，也被稱為認知電位。在N-back任務中，N2成分被認為反映呈現的刺激與記憶中的表征之間的失匹配[10]。P3成分的波幅反映了分配給刺激的注意力資源的數量，P3的潛伏期與刺激檢測的效率和信息處理的速度有關[11]。

運動對不同年齡段人群的工作記憶能力有積極影響。研究發現，較高身體活動水平兒童，比較低身體活動水平兒童有更高的反應正確率和更短的反應時。較高身體活動水平兒童有更小的P3波幅，延遲條件下的波幅比較低身體活動水平兒童非延遲條件更小。較高身體活動水平兒童有更大的晚期正成分positive slow wave（PSW）。身體活動水平與反應時成負相關，與延遲條件下的P3波幅和PSW波幅成正相關[12]。高有氧適能年輕人的N-back行為學指標比低有氧適能年輕人更高，高有氧適能年輕人的P3波幅比低有氧適能年輕人更高。在P3波幅和最大攝氧量之間有顯著的相關性，且在較大工作記憶負荷的條件下，運動的益處不明顯[13]。閉鎖式運動老年人、開放式運動老年人N-back任務中變現提高，2個運動組在額葉-頂葉皮層區域的P3潛伏期延長，且不同的運動模式對工作記憶功能產生了不同程度的神經心理效應[14]。以上研究說明，不同程度和方式的運動，對不同人群的工作記憶功能有提高作用，并且這種提高作用在不同模式運動之間的差異較大。既然運動可以提高工作記憶能力，這種效應的可能生理機制是什么？哪些運動方式可以產生這種效應？

運動中，認知需求的增加可能促進認知，復雜的環境對嚙齒動物在新皮質和神經化學水平上的認知能力有積極的影響，包括皮質厚度增加，神經發生增加和突觸神經傳遞增強。K.FABEL等[15]在動物模型中指出，輪滑和環境富集條件會刺激成年小鼠海馬神經發生，這一發現與認知能力的提高有關，當輪滑和環境富集條件相結合時，小鼠的前體細胞增殖和神經發生比單獨2種條件都增加了30%。在人類身上也發現了類似的結果，在一項比較經驗豐富的擊劍運動員和非擊劍運動員的研究中，擊劍經驗和體能水平增強了抑制控制[16]。楊氏太極拳練習時動作舒緩，強調“意運轉，氣領行，形相隨”，屬于運動冥想；廣場舞鍛煉則要編排各種動作，完成協調統一的、復雜的成套集體舞蹈動作。相對于步行鍛煉，太極拳和廣場舞練習者都接受到更大的認知刺激。

研究發現，采用SECF、HAMD和聽覺odd-ball任務對每個被試進行測試，舞蹈組的老年被試P2、N2、P3潛伏期和反應時間縮短，波幅顯著提高[17]。太極拳組在干預開始6個月后，視覺odd-ball任務中P2、N2、P3的潛伏期和反應比對照組明顯減小。12個月后，焦慮癥狀和抑郁程度顯著降低，對照組則顯著提高[18]。這些研究表明，太極拳和廣場舞鍛煉均可以對老年人的認知功能有改善作用，那么這2種鍛煉方式的效應相同嗎，或者說作用的方式有無區別？

本文擬探討參與一般有氧運動（散步）、太極拳、廣場舞練習的老年人在N-back任務上的表現差異，分析不同組被試腦電的ERP特征，以確定體育活動的形式是否影響體育活動和認知之間的關系。

1 研究對象與方法

1.1 試驗對象

采用問卷調查和訪談法，在蘇州市社區、體育局招募被試。隨機選取蘇州工業園區20名健步走女性老年人，蘇州市體育局廣場舞協會20名女性老年人，蘇州市體育局武術協會20女性老年人。年齡在60～70歲之間，學歷在小學五年級以上，蒙特利爾認知評估量表得分不低于正常值，無嚴重軀體疾病，無腦梗阻及神經系統疾病病史，無藥物和酒精依賴史或其他有可能影響大腦的疾病，無精神障礙及遺傳病史，且目前精神狀況良好，被試視力或矯正視力正常，非色盲或色弱。按照年齡和鍛煉方式招募被試，分為3組：老年女性楊氏太極拳組（太極拳組）、老年女性廣場舞組（廣場舞組）和老年女性步行對照組（對照組）。太極拳組的干預方案為：被試參加為期6個月的太極拳訓練干預，國家級太極拳社會體育指導員進行教授，每周不少于5次，每次75 min，運動時間為每天早晨6∶45—8∶00，試驗期間只允許參加預定的太極拳運動。廣場舞組的干預方案為：被試參加為期6個月的廣場舞鍛煉干預，國家級廣場舞社會體育指導員進行教授，每周不少于5次，每次75 min，運動時間為每天早晨6∶45—8∶00，試驗期間只允許參加預定的廣場舞運動。對照組保持正常生活，每周至少步行運動3次，每次運動30 min，不允許進行太極拳或廣場舞和其他認知訓練。由于對照組有3人退出，太極拳組有4人退出，廣場舞組有1人退出，最終統計人數為太極拳組被試16名，廣場舞組被試19名，對照組被試17名。所有被試在簽署試驗知情同意書后進行測試，被試者按100元/次獲得報酬（見表1）。

表1 被試者基本情況（M±SD）Table1 Basic Situation of The Subjects（M±SD）

1.2 試驗設計

試驗采用單因素前后測設計，對太極拳、廣場舞和對照組3組的行為學數據與腦電數據進行前后測的比較。

1.3 試驗方法

刺激材料：使用阿拉伯數字1～9作為N-back任務的刺激材料。

試驗程序（見圖1）：本試驗使用N-back任務，采用Event設計。采用低（n=1）、高（n=2）2種工作記憶負荷，要求被試將當前出現的刺激數字與它前面的第n個刺激數字進行比較，并即快又準地判斷2個數字是否相同。當n=1時，被試判斷當前數字與它前1個數字是否相同，相同按“F”鍵，不同按“J”鍵；當n=2時，被試判斷當前數字與它前面第2個數字是否相同，相同按“F”鍵，不同按“J”鍵。對按鍵“F”“J”進行被試間平衡。刺激數字大小為3×3 cm，刺激數字的視角為1.7°×1.7°，被試距離屏幕50 cm。刺激使用E-prime2.0軟件呈現，并記錄被試的正確率和反應時。1個trail的時間序列為：注視點“+”呈現時間隨機在300～600 ms之間，數字刺激呈現500 ms，到下1個刺激出現前隨機的2 400～2 700 ms為反應時間。1-back與2-back任務相同，共120個trails，每個任務前20個trails為練習，正式測試為100個trails。其中，匹配刺激與不匹配刺激比例為1∶1，以偽隨即順序呈現。正式試驗前，使用屏幕指導語為老年被試語言講解，確保被試理解試驗要求并練習至80%正確率以上。每個被試先進行1-back任務，然后進行2-back任務，整個試驗共需30 min。

圖1 N-back任務流程圖Figure1 N-back Task Flow Chart

1.4 數據采集與處理

腦電數據采用國際10-20系統擴展的32導電極帽，以Brain Products系統記錄EEG信號。TP9、TP10電極的平均作為參考電極，以位于右眼上下的電極記錄垂直眼電（VEOG），位于雙眼外側1.5 cm處的電極記錄水平眼電（HEOG），濾波帶通為0.05～100 HZ，A/D采樣頻率為1 000 Hz，頭皮與電極之間的阻抗小于5 KΩ。離線分析數據時，剔除大于±100 μV的偽跡波段，疊加每個同類型trail的腦電并進行比較。Time-lock數據分析的總時程為1 200 ms，包括刺激前基線200 ms，刺激后1 000 ms。

1.5 數據統計

所有行為學數據剔除平均數±3個標準差之外的值，使用SPSS22.0軟件進行處理，重復測量方差分析前均進行球形檢驗，并以Huynh-Feldt系數進行自由度調整。在試驗前，以每組被試的每個任務正確率和反應時采用重復測量方差分析法進行比較，討論3組試驗前的行為學差異。ERP分析選取額區Fz、中央區Cz和頂區Pz 3個電極點[19]。6個月的試驗結束后，對每組被試、每個任務前后測的正確率和反應時采用重復測量方差分析進行比較；對后測每個任務的正確率和反應時進行組間重復測量方差分析；對每組被試、N-back范式前后測的的主要特征波N2、P3的波幅和潛伏期采用重復測量方差分析進行比較，討論各組試驗前后的行為學與ERP差異。N2的時間窗口為132～304 ms，P3的時間窗口為246～628 ms[20]。

2 研究結果

2.1 行為學結果

在干預前，3組間1-back、2-back任務的正確率與反應時差異均無統計學意義（P＞0.05）（見表2）。

6個月干預后，對照組1-back、2-back任務正確率和反應時差異均無統計學意義（P＞0.05）；太極拳組1-back任務正確率、反應時差異無統計學意義（P＞0.05），2-back任務正確率[F（1，15）=5.209，P=0.036，ηp2=0.246]、反應時[F（1，15）=4.451，P=0.048，ηp2=0.220]差異顯著；廣場舞組1-back任務正確率差異無統計學意義（P＞0.05），1-back 任務反應時[F（1，18）=20.886，P=0.000，ηp2=0.537]差異顯著，2-back任務正確率[F（1，18）=7.308，P=0.015，ηp2=0.289]、反應時[F（1，18）=4.487，P=0.047，ηp2=0.221]差異顯著（見表2）。

對干預后3組1-back任務正確率單因素重復測量方差分析顯示，組間主效應顯著[F（2，49）=16.021，P=0.000，ηp2=0.516]；成對檢驗結果顯示，太極拳組1-back任務正確率高于對照組（P＜0.05）。3組1-back任務反應時單因素重復測量方差分析顯示，組間主效應顯著[F（2，49）=7.509，P=0.002，ηp2=0.334]；成對檢驗結果顯示，廣場舞組1-back任務反應時短于對照組（P＜0.001）與太極拳組（P＜0.01）。3組2-back任務正確率重復測量方差分析顯示，組間主效應顯著[F（2，49）=3.785，P=0.030，ηp2=0.179]；成對檢驗結果顯示，太極拳組（P＜0.05）與廣場舞組（P＜0.05）2-back任務正確率高于對照組。3組2-back任務反應時單因素重復測量方差分析顯示，組間主效應顯著[F（2，49）=4.538，P=0.019，ηp2=0.232]；成對檢驗結果顯示，廣場舞組2-back任務反應時短于對照組（P＜0.05）（見表2）。

2.2 ERP結果

比較對照組、太極拳組和廣場舞組，在前、后測N-back范式中額區（Fz）、中央區（Cz）和頂區（Pz）各個電極主要特征波N2、P3的波幅和潛伏期差異。

對照組干預前后N-back任務特征波的波幅、潛伏期重復測量方差分析顯示，2-back任務中的Cz[F（1，16）=8.288，P=0.011，ηp2=0.341]與Pz[F（1，16）=7.200，P=0.016，ηp2=0.310]電極處的P3波幅增加，其余均無差異P＞0.05（見圖2）。

表2 對照組、太極拳組、廣場舞組n-back任務前、后測比較（n=52）（M±SD）Table2 Control Group、Tai Chi Group、Square Dance Group N-back Comparison of Pre-and Post-mission Measurements（n=52）（M±SD）

圖2 對照組干預前后N-back任務ERP成分比較Figure2 Comparison of ERP Components of N-back Tasks Before and After Intervention in Control Group

太極拳組干預前后N-back任務特征波的波幅、潛伏期重復測量方差分析顯示：1-back任務中，Fz電極的N2波幅增加[F（1，15）=7.417，P=0.015，ηp2=0.317]，Cz 電極的N2波幅增加[F（1，15）=31.281，P=0.000，ηp2=0.662]，Cz電極P3潛伏期減少[F（1，15）=5.360，P=0.033，ηp2=0.229]；2-back任務中，Cz電極N2波幅增加[F（1，15）=8.187，P=0.011，ηp2=0.338]，Pz電極的P3 波幅增加[F（1，15）=16.517，P=0.001，ηp2=0.479]；其余均無差異P＞0.05（見圖3）。

圖3 太極拳組干預前后N-back任務ERP成分比較Figure3 Comparison of ERP Components of N-back Tasks Before and After Intervention in Tai Chi Group

廣場舞組干預前后N-back任務特征波的波幅、潛伏期重復測量方差分析顯示：1-back任務中，Fz電極P3波幅增加[F（1，18）=14.575，P=0.001，ηp2=0.447]，Cz電極N2波幅減小[F（1，18）=10.290，P=0.005，ηp2=0.364]、P3 波幅增加[F（1，18）=18.547，P=0.000，ηp2=0.507]，Pz電極P3波幅增加[F（1，18）=8.299，P=0.010，ηp2=0.316]；2-back任務中，Fz電極N2波幅減小[F（1，18）=28.269，P=0.000，ηp2=0.624]；Cz電極N2波幅減小[F（1，18）=20.201，P=0.000，ηp2=0.543]、P3波幅增加[F（1，18）=15.357，P=0.001，ηp2=0.475]；Pz電極P3波幅增加[F（1，18）=8.593，P=0.010，ηp2=0.378]；其余均無差異P＞0.05（見圖4）。

圖4 廣場舞組干預前后N-back任務ERP成分比較Figure4 Comparison of ERP Components of N-back Tasks Before and After Intervention in Square Dance Group

3 分析與討論

本研究目的是評估太極拳與廣場舞對老年人工作記憶的影響。采用N-back范式結合ERP技術來評估行為和神經相關的工作記憶。行為學結果顯示：6個月的干預后，對照組N-back任務正確率、反應時差異均不顯著；太極拳組2-back任務正確率、反應時有顯著提高，1-back任務正確率高于對照組；廣場舞組1-back任務反應時與2-back任務正確率、反應時提高，1-back任務反應時短于對照組與太極拳組；太極拳組與廣場舞組2-back任務正確率高于對照組，廣場舞組2-back任務反應時短于對照組。

干預前后，對照組2-back任務中Cz、Pz電極P3波幅增加；太極拳組1-back任務中Fz、Cz電極N2波幅增加、P3潛伏期減少，2-back任務中Cz電極N2波幅增加，Pz電極P3波幅增加；廣場舞組1-back任務中Fz電極P3波幅增加，Cz電極P3波幅增加、N2波幅減小，Pz電極P3波幅增加，2-back任務中Fz、Cz電極N2波幅減小，Cz、Pz電極P3波幅增加。

3.1 行為學結果分析

本研究中，3組老年被試在N-back任務中正確率隨工作記憶負荷的增加而降低，反應時則隨著負荷的增加而增加。1-back任務時，需要不斷刷新工作記憶的單個刺激內容，同時將這個刺激進行短時儲存，2-back任務則需要在視覺空間模板（短時記憶）[21-22]不斷加工和儲存新的刺激，同時中央執行系統處理與刺激進行匹配、注意資源的協調、策略的選擇與計劃[5，23-24]，對工作記憶的要求大大提高，正確率也隨之降低。視覺空間模板（短時記憶）和中央執行系統在對刺激數字進行編碼、刺激匹配，以及做出相應反應的時間延長，使得總體反應時延長，這與以往認知神經科學與腦研究中被試的表現一致[10，25-26]。干預后，太極拳組被試工作記憶能力顯著提高，且高于對照組，這與前人研究結果一致[27-29]；廣場舞組被試工作記憶能力顯著提高，且高于對照組，這與前人研究結果一致[15，30-31]。在負荷較低、難度較小的任務中，對新異刺激的編碼時間較短，做出反應的時間相對穩定，反應時主要受刺激匹配時間的影響[32]，太極拳組與廣場舞組被試在N-back任務中的正確率、反應時均有提高，說明這些老年被試在工作記憶負荷任務時的刺激匹配時間較短，可以體現出這2種運動對中央執行系統的益處，在后續研究中可以圍繞這一問題進行探究。

3.2 ERP結果分析

3.2.1 N2成分 J.R.FOLSTEIN等[33]對視覺模態下的頭前部N2成分的產生提供了可信的解釋，認為由于當前呈現的刺激與記憶中儲存的項目之間不匹配，從而產生N2。我們假設，在對目標進行決策/更新時，早期處理過程中的退化或延遲可能會影響可用信息的質量。在這種視覺模態中，前部N2成分對刺激與已經保持記憶間的失匹配或沖突是敏感的[34]。在老年人中，有更多前部N2成分的分布，而在高-低表現老年被試間P3波幅的差異可能對N2成分有顯著的影響。在其他研究中，也有新異視覺刺激對與年齡有關的前部N2成分的影響[20，35]。我們猜測，工作記憶任務中頭前部越強的N2成分，代表了對刺激處理能力越高，隨后的P3成分代表的處理階段則更加輕松，P3波幅與潛伏期會更小。

在本研究中，太極拳組被試在1-back任務中的前額電極和中央區電極的N2成分波幅顯著增加，并且太極拳被試和廣場舞被試在工作記憶負荷更大的2-back任務中表現出更大的N2波幅，說明太極拳與廣場舞被試在N-back任務中識別當前刺激與已儲存記憶內容間的識別度更高，這與前人研究結果一致[36-38]。如果老年被試沒有明顯的N2成分，認為刺激是否不匹配/匹配，這可能會給隨后的慎重決策過程增加負擔，所以可能會要求額外的資源投入。我們猜測，隨著N-back任務需求的增加，刺激呈現與記憶存儲之間的延遲將導致N2響應的減慢。可能的機制是，在太極拳和廣場舞的練習過程中，都需要學習和掌握相應的技術動作，并且在音樂環境下，與其他同伴保持一致的動作節奏和統一的隊列位置，而這一過程均需要不斷地進行注意、識別、判斷和匹配等認知過程，使得太極拳和廣場舞練習可以促進信息早期處理過程中的編碼、檢索和識別能力。并且太極拳更加強調對呼吸的調節、體內氣息的融會貫通，這與冥想促進認知能力有相同的作用[39]。在這一過程中，多種因素共同作用，使被試出現N2成分的顯著影響。

隨著N-back任務難度的遞增，對照組在2-back任務中具有中央區N2相對減小，而前額N2相對增加的趨勢，并且中央區與前額葉N2成分潛伏期的差異，也支持后-前轉移的老化假說[40]。也就是說，低表現被試N2成分的潛伏期延長，和工作記憶的負荷有關，需要額外資源來參與隨后的處理階段，產生了較大的P3波幅，這使得低表現被試很快達到他們能力的極限，這些處理過程被認為依賴于前扣帶皮層（ACC）、雙側前額葉背外側皮層（DLPFC）和雙側前額葉腹外側（VLPFC）等腦區的活動或它們的連接[10，41-44]。這些腦區的活動或他們之間的連接是否與太極拳和廣場舞練習的有益影響有關，還需要進一步的功能磁共振（fMRI）試驗來驗證。

3.2.2 P3成分 P3與記憶過程和認知資源的分配有關[45]，它可以測量在工作記憶/刷新過程中分配資源能力的極限[10]。為了獲得與更好表現被試相同水平的準確性，能力較低被試表現出需要分配更多的資源和在較長時間內完成完整的認知操作，這個推論可以用P3指標更小的波幅、更短的潛伏期來說明。在本研究中，較低工作記憶負荷的1-back任務條件下，對照組前后測P3成分波幅潛伏期均無差異，太極拳組P3波幅無差異，具有減小的趨勢，在中央區電極上P3潛伏期變短，但廣場舞組前額葉、中央區和頂葉P3波幅均有顯著提高。可能的機制是，太極拳組被試在1-back任務中較高的早期N2導致P3相對減小與中央區潛伏期變短，從而減小了認知過程的壓力與資源分配的負荷；而廣場舞組較高的P3波則與行為學表現的結果一致，廣場舞組1-back任務反應時短于太極拳組與對照組，正是由于其P3波幅高于其他2組，反映了廣場舞組被試能夠以較高的資源分配能力處理工作記憶過程中的信息，在信息處理中期有更快的速度，才能在行為學體現出較大的差異。

頂葉P3，被認為反映了一般過程的注意控制，刺激分類，并努力選擇之間的競爭刺激或反應[46-48]。隨著工作記憶負荷的增加，較高表現被試有能力來集合額外的資源來做決策或進行刷新，而較低表現被試只有較少的資源分配，而可獲取資源和任務需求水平之間的不匹配，表現為準確性下降與更高的P3波幅和更長的潛伏期。本研究中，在較高工作記憶負荷的2-back任務條件下，對照組被試在中央區與頂葉均有P3波幅的增加，而行為學結果沒有相應的提高，說明對照組被試體現出了老年人腦老化的特征，可分配資源較少，且可獲取資源和任務需求水平之間的差距使得他們在中央區和頂葉均表現出較高的P3。而太極拳組和廣場舞組被試在較高工作記憶負荷的2-back任務中，頂葉P3增加，同時正確率更高、反應時更短，證明他們有足夠的資源來進行分配。太極拳組被試中央區P3無差異，說明太極拳組被試在提高其行為學正確率的基礎上，并沒有更多向前募集認知資源，與后-前轉移的老化假說不一致，證明太極拳練習對老年人正常腦老化過程有抵抗作用。廣場舞組被試的中央區P3增加，可能與其在任務中更高的資源分配與認知處理有關，太極拳組被試并沒有在較高工作記憶負荷的2-back任務表現相對對照組更快的反應速度，但廣場舞組被試的2-back任務反應時比對照組顯著變短，可能原因是他們具有更高的資源分配能力和處理信息產生的功率變高。

4 結論

綜上所述，本研究補充了太極拳在以工作記憶為特征的認知方面的影響，并首次以廣場舞作為干預手段來探討其對認知功能的作用。對長期練習太極拳、廣場舞的女性老年人與她們的工作記憶之間的關系進行探究，提供長期練習太極拳、廣場舞對老年女性影響的實證，表明練習太極拳、廣場舞可以提高老年人工作記憶能力，延緩認知老化，尤其是2組在較低工作記憶負荷下N2、P3成分和較高負荷的任務中N2成分的優勢表現。本研究結果表明，太極拳、廣場舞練習可使工作記憶的早期匹配、判斷過程中調用更多的注意資源，加速刺激的評估，并且分配更多的認知資源。未來的探究可采用更先進、可視化的技術（如fMRI、PET等）來探究太極拳、廣場舞對老年人其他認知功能的可塑性影響。