24 周太極拳對老年女性靜息態功能網絡的影響

陳 爽，岳春林

（1.南京航空航天大學 體育部，江蘇 南京 210016；2.蘇州大學 體育學院，江蘇 蘇州 215000）

我國人口老齡化日益嚴重，隨著年齡的增加，老年人大腦的結構和功能會逐步衰退。 例如皮質萎縮、 神經傳遞功能障礙、血流量減少等。 這會導致老年人通常會出現認知衰退的現象，包括信息處理速度、推理和記憶能力下降，并且患癡呆等認知障礙的風險也在增加［1］。 據估計，到2030 年，全世界患阿爾茲海默病（癡呆）的人數將達到7 500 萬［2］。延緩老年人認知衰退，預防阿爾茲海默癥成為當今研究中的重中之重。 有研究表明，隨著年齡的增長，運動和認知功能的下降與大腦功能網絡的退化有關［3］。缺乏運動鍛煉習慣的老年人大腦功能連接明顯下降［4］。然而，由于人類大腦對特定任務的可塑性和適應性，衰老過程是可逆的［5］。這意味著大腦功能連接重組在老年人中是可能的［6］。 神經成像研究表明，運動技能學習會影響靜息態大腦的內在功能連接［7］。適當的干預措施，如鍛煉和運動訓練，可以促進這些功能網絡的分化［8］，可能抵消與年齡相關的腦功能網絡衰退。 一項老年人和年輕人的靜息態腦網絡對比發現，與拉伸對照組相比， 有氧干預一年后老年人的腦網絡模式改變的更像年輕人的網絡模式。 這可能是有氧鍛煉可能促進新神經元在大腦網絡的集成，導致網絡內部的效率提高［7］。

近年來， 國內外學者提出一種更適合老年人的運動方式——身心運動。 身心運動（mind-body exercise）是指同時鍛煉身體和意識的運動， 該運動的核心是訓練個體用意識控制身體各部分的活動，從而達到身心合一。 太極拳（TCC）、瑜伽及氣功等就是常見的身心運動［9］。 與其他運動形式相比，身心運動的獨特特征包括4 個可識別的元素：專注于思想、運動、呼吸和放松狀態［10］。 最近的一篇綜述總結出身心練習可以對參與注意力、情緒控制和執行認知等大腦系統進行調節，這些系統可用于治療或預防衰老過程中的情緒和認知障礙， 或作為腦健康鍛煉的一種干預方式［11］。 現如今，大量研究證實，太極拳作為運動技能學習的一種類型能夠改善老年人大腦功能網絡，延緩認知衰退［12-14］。 默認模式網絡（DMN）在年齡相關性認知衰退中起著重要作用。 一項研究發現太極拳 （TCC）對DMN 具有積極的調節作用［12］。 另外，感覺運動網絡（SMN）是與運動技能學習密切相關的功能網絡。 Traute 等對21 名老年人進行13 周的多模態認知協調訓練，研究發現感覺運動網絡的頂葉上區功能連接發生顯著的改變［15］。 Wei 等研究發現中央后回功能連接的變化與TCC 鍛煉經驗顯著相關［13］。 本文之前的研究橫向對比高水平太極拳鍛煉者和步行鍛煉者大腦功能網絡的差異。 研究發現太極拳組在DMN 和SMN 與步行組存在差異。為長期太極拳鍛煉對老年人大腦可塑性的影響提供重要證據［16］。大腦可塑性在減緩甚至逆轉衰老過程中發揮著重要作用。為了進一步探討太極拳運動對老年人功能可塑性的潛在機制。本研究在之前的基礎上增加24 周的運動干預時間。本研究假設24 周的運動干預后， 太極拳組與步行組在默認網絡或感覺運動網絡依舊存在顯著的激活差異。并且，相比步行組，24 周太極拳干預可能導致功能網絡的特異性腦區激活。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

通過問卷調查和訪談法，從蘇州市桂花公園、婁門、斜塘等社區的太極拳和快步走協會招募女性老年太極拳練習者和女性老年步行組練習者。 隨機抽取TCC 組20 名和步行組20名老年女性納入研究。篩選標準：1）女性，年齡60～70 歲，受教育程度＞4 年；2）右利手；3）體型適中，近/遠視眼＜500 度，聽力正常，無嚴重軀體疾病；4）無嚴重的神經系統疾病、肌肉骨骼系統疾病或體育運動損傷者；5）無精神疾病及其家族史、精神障礙或藥物、酒精依賴者。 由于本研究的樣本均為老年女性，因此在解釋本研究結果時應謹慎。 在實驗開始前，告知被試本次試驗的目的、注意事項，并簽署知情同意書。 本項目通過了蘇州大學倫理委員會審查（編號：ECSU-2019000209）。

1.2 研究方法

1.2.1 行為學采集

采用簡易精神量表 （MMSE）， 蒙特利爾認知評估量表（MoCA）測量兩組受試者的認知能力。

1.2.2 圖像采集

采用蘇州大學附屬第二醫院影像中心Philips 3.0T 功能磁共振成像系統， 配備有八通道相控陣頭線圈采集磁共振數據。 受試者被要求仰臥，保持冷靜且不要想任何事，頭部兩側用海綿適當固定。 功能像使用梯度回波平面成像序列（gradient echoplanar imagine，EPI） 采集， 掃描參數為：TR＝2000ms，TE＝30ms，FOV＝220mm×220mm，翻轉角度為90°，矩陣64×64，層厚4mm，層間距＝0，共36 層，視野192×192mm，逐層掃描，體素大小為3mm×3mm×3.75mm，掃描時間為400s。

1.2.3 fMRI 數據預處理

實驗中所采集到的圖像數據采用MATLAB2013b 平臺上的SPM12 軟件包進行預處理。 具體流程為：第一步，將所有被試的原始DICOM 數據轉換為NIFTI 數據格式；第二步，去除前10 個時間點， 使得fMRI 信號穩定并且讓受試者適應磁共振掃描，留下190 個圖像數據進行進一步分析；第三步，時間層校正（slice timing），參考層為每個全腦掃描過程中位于中間時間層的第18 層；第四步，頭動校正（realign） ，排除頭動平動大于3mm、轉動大于3°的被試；第五步，空間標準化（spatial normalization），將每個被試的功能像配準到標準EPI 模板，并將每個體素重采樣至3mm×3mm×3mm； 第六步， 高斯平滑（smoothing），降低空間噪聲，半高全寬為8mm。

1.2.4 基于ICA 的內部功能網絡的提取

GroupICA 的方法是基于Matlab2013b 上的Conn18b 和SPM12 軟件包對預處理后的數據進行獨立成分分解。 使用G1fastICA+GICA3 Back-projection 算法進行估計，估計數設為40。 G1fastICA 算法用于評估獨立組件的重復性或穩定性，然后通過G1fastICA 將每個被試分離的獨立成分反構重建并轉換為Z 值［17］，最后得到每個被試特定的空間地圖和時間進程以進行進一步組水平隨機效應分析。

1.3 統計方法

本研究采用SPSS17.0 統計軟件進行處理，太極拳與步行兩組人群的年齡、教育年限計數資料，服從正態分布，方差齊，以均數±標準差作統計描述， 獨立樣本t 檢驗進行統計分析。利用Conn18b 軟件以年齡、受教育年限為協變量，采用2*2 的重復測量方差分析對兩組干預前后和兩組間干預后的差異進行分析，結果通過全腦p＜0.001 的未校正閾值和FDR 校正（p＜0.05）得出。

2 結果

2.1 基礎人口學資料信息和認知功能評分比較

排除4 人頭動幅度過大，3 人中途退出無法完成實驗，最終太極拳組17 人，年齡（63.47±2.45 歲）；步行組16 人，年齡（62.44±2.68 歲）納入實驗研究。 兩組被試在年齡，受教育年限無統計學差異，在總體認知無顯著差異，但研究發現太極拳組MoCA 量表中延遲回憶分值顯著高于對照組（p＜0.05，表1）。

表1 受試者基本資料

2.2 感興趣的獨立成分

圖1 顯示從40 個獨立成分提取具有顯著差異的兩個感興趣網絡（單樣本T 檢驗，未校正閾值p＜0.001，FDR 校正p＜0.05）：感覺運動網絡（SMN）和默認網絡（DMN）。 每個感興趣網絡坐標與前人的研究一致［18］。

圖1 感覺運動網絡和默認網絡的空間分布圖

2.3 兩組24 周運動干預后與基線的比較分析

縱向比較太極拳組和步行組干預24 周前后靜息態功能網絡的改變，研究發現：太極拳組較基線在左側海馬（L hippocampus） 的激活水平顯著增強 （未校正體素水平p＜0.001，FDR 校正p＜0.05）；步行組沒有任何顯著的變化。

圖2 TCC 組時間主效應具有顯著差異的腦區圖

2.4 兩組24 周運動干預后的交互分析

比較兩組干預方式和干預時間兩個因素對老年人功能網絡的影響，研究發現顯著的交互效應。 研究發現，與步行組相比，太極拳組在干預24 周后，楔前葉皮層（precuneus）/中央后回（PosCG）的激活水平顯著減弱（未校正體素閾值p＜0.001，FDR 校正p＜0.05）。

圖3 TCC 組交互效應具有顯著差異的腦區圖

表2 太極拳組與步行組比較結果匯總表

3 討論

本研究采用獨立成分分析的方法探究24 周太極拳干預對健康老年女性大腦功能網絡的影響。 研究發現：1）太極拳組與步行組在感覺運動網絡、默認網絡具有顯著的激活差異；2）太極拳組干預后較干預前在左側海馬的激活顯著增強； 步行組干預前后無顯著差異；3）比較兩組時間*干預方式的交互效應時發現，太極拳組在干預24 周后，楔前葉/中央后回的激活顯著減弱。 這些結果支持“神經效率”假說，為一段時間的太極拳鍛煉是否使老年人在認知方面形成更集中的、 高效的特異性功能網絡的問題提供依據。

行為學的研究發現，與步行組相比，太極拳組在認知功能中延遲回憶的得分更高。 這個結果得到以往的研究的支持，他們解釋為太極拳會增強記憶功能，這可能與太極拳增強注意力和抑制控制能力有關［14，19］。磁共振研究結果也支持這個觀點，研究發現，太極拳組在24 周太極拳干預后，較基線在左側海馬區域激活水平顯著增強。 海馬是記憶功能的重要區域。 有研究表明體育鍛煉會增加海馬的體積［20］并能增加海馬腦血流量［21］。 以往的研究對健康老年人進行12 周的太極拳干預后，受試者雙側海馬和內側前額葉之間靜息態功能連接的增加并且與記憶功能改善顯著相關， 他們這可能是資源重組促進新神經元在記憶學習相關大腦區域集成導致的［14］。 有研究表明，長期太極拳鍛煉能夠促進BDNF 的上調［19］。 長期的太極拳鍛煉鍛煉大腦記憶功能， 激活記憶資源從而積極促進跨本體感覺和運動域的信息整合，使太極拳鍛煉者流暢自如的進行連貫動作。 這可能會促進海馬體和大腦皮層的營養因子上調，BDNF，IGF 被證明能夠促進海馬體新神經元的產生， 促進海馬體的突觸可塑性［7］。 然而，未來的研究需要使用特定的任務和方法來進一步驗證。

本研究發現太極拳組較步行組在默認網絡（楔前葉）和感覺運動網絡（中央后回）的激活水平均顯著減弱。 以往的研究表明，經過長期的運動實踐，大腦內部神經活動下降［7，22-23］。 這些研究表明大腦在靜息狀態下與任務相關腦區之間的功能連接在運動學習的早期階段增加，在后期卻減少。 這與專家與初學者的發現是一致的［22，24］，這些結果可能為長期實踐中大腦激活模式的非線性變化提供依據。 有了這些先前的發現，本研究的結果為降低神經成本和提高大腦功能網絡在控制認知或運動功能方面的效率提供證據。 這種普遍降低的激活模式，可能與大腦適應性重組有關， 反映功能網絡內部神經效率的提高。 一項最近的研究探討長期高強度體操訓練對運動員大腦功能網絡內部的影響。 研究發現，與普通人相比，除了視覺網絡，其他8 個功能網絡內部的大腦激活顯著降低。 他們解釋為這可能因為長期高強度體操訓練使得相應網絡內部神經效率提高［22］。 也有研究表明，隨著特定技能變得更加自動化和控制更少，神經效率的提高與特定大腦區域神經活動的減少有關［25］，長期技能訓練會形成集中的、高效的功能網絡［26］。 本研究支持這個觀點。 這種較低神經活動水平的運動控制提示長期重復性太極拳鍛煉可以使老年人達到非常熟練和運動自動化，反映太極拳鍛煉有助于維持功能網絡的專門化。 楔前葉以及后扣帶回構成默認網絡的一部分， 它涉及到包括自我意識和記憶功能在內的過程。 默認網絡在無任務范式中是活躍的，在大腦執行需要外向注意的任務時呈負激活。 在一項研究中，研究人員發現，與單純冥想的對照組相比，長期進行冥想鍛煉的練習者在DMN 的主要節點的激活較少［27］。另一項研究發現有氧運動訓練降低老年人執行網絡和默認網絡之間的功能連接， 并且楔前葉和內側額上回的神經活動通常是負耦合的［7，28］。這些研究說明運動鍛煉可以抑制默認網絡自發性活動促進其他功能網絡激活以滿足任務需要。 感覺運動網絡主管所有來自軀體的感覺。 中央后回是重要的運動中樞，在軀體感覺知覺中扮演著重要的角色，比如觸覺識別和本體感覺［29］。 交互效應發現太極拳組中央后回的激活水平顯著減弱。 在行為學測試中本研究也發現太極拳組比步行組在下肢平衡具有顯著的優勢。 在一項觸覺識別任務中，研究人員發現訓練組比非訓練組在小腦激活顯著降低， 反映運動員在接受長期射箭訓練后對觸覺識別的內在模型的掌握程度更高［30］。 這提示老年人在進行太極拳訓練后， 感覺運動皮層的神經活動模型變得更簡潔，更高效。 接受一段時間太極拳鍛煉的老年女性能更有效地使用軀體感覺網絡， 而對照組必須投入更多的神經活動才能達到太極拳組的水平。

4 結論

太極拳在延遲回憶和下肢動態平衡顯著優于步行組；24周鍛煉后， 太極拳組和步行組在默認網絡和感覺運動網絡激活水平有顯著差異， 具體表現為太極拳組海馬區域激活水平增強，楔前葉/中央后回激活水平減弱。