舞蹈動作視頻游戲對老年人工作記憶的影響

王麗巖，董傳升，王麗娟，蔡 明，趙 李，王洪彪

隨著人口老齡化的到來，與衰老有關的認知功能下降成為重要議題。學者們思考，采用何種有效、低成本的方法來延緩老年人認知下降呢[1]？他們發現了一種新的技術手段——動作視頻游戲[2]，該技術整合了身體運動和視頻游戲特點，利用感應裝置捕捉三維空間被試的運動，進行人機交互，動作視頻游戲交互的操作方式受到老年人的歡迎[2]。動作視頻游戲對老年人訓練干預已經得到部分研究者的關注。TORIL等[4]使用元分析對發表的20 篇視頻游戲訓練改善老年人認知研究進行探討，表明使用視頻游戲訓練老年人認知，在反應時間、注意、記憶和一般認知上具有中等積極意義的效果量，但是對執行功能并沒有改善效益。A.LAMPIT 等[4]的元分析也發現這些積極的效益，但這些效益受到部分變量的調節，如年齡、訓練的計劃和訓練的持續時間或訓練頻率等。最新的綜述也報告了一些動作視頻游戲訓練研究的積極結果[5]，即通過動作視頻游戲訓練可以提升認知能力[6]。

最近研究表明，商業性動作視頻游戲訓練可以改善健康老年人的執行功能和加工速度等認知功能[7-9]。這種獲益不僅表現在認知上，在神經機制上也進行了探索。ANGUERA 等[10]使用NeuroRacer 汽車駕駛游戲探討了多任務處理能力對老年人神經心理機制的影響，發現持續訓練6 個月后，老年人額葉中線theta頻率能量增強和額葉theta頻率的相干性增加，前額中線theta 能量的增加預測訓練導致的持續注意力提高和多任務處理能力的保存，汽車駕駛游戲訓練導致大腦前額葉的可塑性。然而，商業性動作視頻游戲是否可對健康老年人認知功能有遷移影響仍存在爭論，內在的神經機制仍不明確。需要更多的研究實踐來證明。

工作記憶是與日常生活相關的非常重要的能力。到目前為止，僅有少數研究探討老年人視頻游戲訓練與工作記憶之間的關系[11-13]。W.R.BOOT等[14]發現，動作視頻游戲訓練后未發現空間記憶任務的轉移，認為未來的研究需要關注特定工作記憶任務是否能發生變化。因此，有必要進一步評估動作視頻游戲訓練與工作記憶任務之間的聯系。鑒于工作記憶對老年人日常生活的重要性，考慮到BALLESTEROS 等[12]基于非動作視頻游戲干預的結果，本研究使用舞蹈動作游戲進行干預，探討舞蹈動作視頻游戲訓練對老年人工作記憶的影響和潛在的神經心理機制。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

通過在社區服務站張貼廣告募集年齡55 歲以上的健康老年人30 名。被試納入標準：年齡≥55 歲；中國版蒙特利爾認知評估≥26；抑郁量表得分＜16分；右利手；日常生活活動量表≤16分；沒有任何精神疾病和創傷性腦損傷。試驗過程中，試驗組流失1人，對照組流失1 人，最終實際統計人數為試驗組14 人，對照組14 人（見表1）。所有參加者在試驗前簽署知情同意書，本研究通過某學院倫理委員會審查批準。

表1 樣本基本情況一覽表Table 1 Demographic Information About Participants in Each Group

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計 采用隨機前后測對照組試驗設計，使用Microsoft Excel 2007生成隨機數，分配30名參與者分別進入舞蹈動作視頻游戲組和對照組。本研究采用混合試驗設計，組間變量分為試驗組和對照組，組內變量為測試時間（干預前測t1 和干預后測t2），因變量為游戲的運動技能成績、工作記憶任務行為數據的反應時和正確率、alpha腦電頻率的事件相關去同步化（Event-related desynchronization，ERD）和事件相關同步化（Event-related synchronization，ERS）值。

1.2.2 試驗儀器 采用外星科技ET-07 體感游戲機（深圳，2006），用于呈現游戲。采用TOSHIBA 投影儀（TLP-X3000C，分辨率1 024×768）將游戲畫面放大9倍投影到幕布上，清晰呈獻給參加者，使其更接近現實中的視覺感。采用E-prime2.0心理程序設計軟件編制和呈現工作記憶測試程序材料。64 導Neuro-scan腦電記錄系統。2 臺Dell 臺式機，分別用于呈現刺激和記錄腦電信號。

1.2.3 動作視頻游戲的干預方案 試驗在某體育學院運動健康實驗室進行。通過USB 接口將ET-07 體感游戲機連接到電腦，通過投影儀顯示到幕布上，游戲開始時屏幕上的箭頭向上滾動，當箭頭達到頂端固定光柵時參加者在舞蹈墊上及時準確地進行踩踏。參考前人研究[15]，通過舞蹈動作游戲的音樂控制強度，節拍控制32～127 次/min，即保持中等強度，佩戴Geonaute 胸帶式心率運動手表（On Rhythm 310 Access型號）監控心率。第1周中采用2支較慢音樂進行指導培訓，以確保參加者對于游戲任務的理解，1周后進行干預訓練，每次訓練結束記錄游戲得分。在每次訓練中，參加者完成4～6 支音樂，音樂平均長度約3 min，每支音樂后休息1 min。音樂速度由慢到快，每2周換不同音樂。每次訓練干預時間為40 min，具體包括5 min 準備活動，30 min 舞蹈動作視頻游戲任務，5 min 拉伸放松活動，每周3 次，共12 周（見圖1）。

圖1 試驗干預的過程Figure1 The Process of Experimental Intervention

參考前人研究[16]，對照組進行每周2 次健康知識學習，每次40 min。不進行與試驗任務有關的干預。

1.2.4 試驗任務 N-back 任務是讓被試瀏覽依次呈現的刺激，要求判斷每一個出現的刺激是否與此前剛呈現過的前面第n個刺激相匹配[17]，包含4 個block（2個1-back 任務和2 個2-back 任務）。采用心理程序軟件E-prime 2.0 在計算機屏幕上呈現2-back 任務，同時記錄反應時間和反應正確率。被試坐在距離計算機屏幕50 cm 處，雙手在鍵盤上進行相應的按鍵反應。試驗指導語：歡迎參加本試驗，首先屏幕中央呈現1個白色“+”符號注視點，之后在屏幕的8 個位置會隨機在其中1 個位置呈現1 個小四邊形，如果小四邊形出現在屏幕左上方時為目標刺激，請用右手食指按“J”鍵，非目標刺激時按“F”鍵；明白指導語后，請按任意鍵開始，整體持續時間約為10 min（見圖2）。

圖2 2-back任務Figure2 2-back Tasks

1.2.5 ERP 的記錄 采用Neuro-scan（美國）腦電記錄系統記錄腦電信號，標準為國際10-20 系統擴展的64 導電極帽，電極帽的電極為Ag/AgCI 電極，參考點FCz，接地點為AFz，參考電極置于雙側乳突。左眼上下記錄垂直眼電，雙眼外側記錄水平電極眼電。每個電極處的頭皮電阻小于5 kΩ，濾波帶通為0.01～100 Hz，采樣頻率為1 000 Hz。

1.2.6 數據的采集與處理 舞蹈動作視頻游戲技能得分，包括踩踏正確點的總數、沒有踩踏上的個數和正確踩踏的百分率。

E-prime 軟件采集工作記憶任務行為數據，剔除平均值加減3倍標準差之外的異常值，隨后采用SPSS 20.0 對數據進行統計處理，采用重復測量方差分析進行處理。

腦電數據預處理。基于Matlab2014a 平臺，使用EEGLAB 數據包對腦電數據進行預處理：主要包括轉換參考、去除眨眼偽跡、濾波、去除市電干擾、剔除波幅大于100 μV 的偽跡，對EEG 片段進行基線校正后對所有電極進行疊加平均。選取F3、F4、C3、C4、P3、P4、O1和O2 8個電極進行分析，提取每個電極帶寬alpha 頻率為8～13 Hz。

將去偽跡分段后的腦電基于FFT進行轉換。FFT使用韋爾奇技術，變換的窗口類型設置為Hanning windowing（1 Hz 分辨率）。為了確定alpha 帶寬，依據W.KLIMESCH[18]方法確定個人alpha 頻率的峰值（individual alpha frequency，IAF），IAF定義為在腦電頻率8～13 Hz內頻譜的最大能量值。參照IAF，本研究感興趣的alpha 頻段為：低頻alpha 波段的帶寬從IAF-2 Hz到IAF，高頻alpha波段的帶寬從IAF到IAF＋2 Hz。

ERD/ERS的獲得表現為在指定頻率范圍內，腦電中與特定事件相關的腦電頻率能量的衰減過程；與之相反的是ERS，表現為能量的上升過程[19]。根據ERD/ERS 的定義，計算事件相關腦電在特定頻率內相對于事件發生前的能量比，以確認是否存在ERD/ERS。依據G.PFURTSCHELLER 等[20]的 公 式 計 算ERD/ERSERD（IV）用來計算ERD/ERS 值，ERD 正向表示能量的減少過程，負向表示能量的增加過程。

本研究考慮2 個時間段，刺激前200 ms 到刺激開始時間（-200～0 ms）定義為事件前200 ms，刺激視頻呈現時間（0～1 000 ms）為事件時間1 s。為了了解工作任務過程中大腦活動變化，本研究對ERD/ERS 的值以300 ms 為間隔從刺激開始到刺激結束（0～1 000 ms）分成3 個時間窗。用每個時間窗頻率能量與事件前時間段頻率能量的比值獲得ERD 或ERS（見公式（2）），評估大腦活動模式。

EEG 數據統計。對腦電數據進行初期統計后，采用重復測量方差分析進行處理，采用Mauchley’s test球型檢驗評估方差分析的齊性，對不滿足球型檢驗的統計量采用Greenhouse-geisser 法矯正自由度和P值，事后比較采用LSD法，a水平定義為P＜0.05。依據前人研究和本試驗目的，選擇額區（F3、F4）、中央皮層（C3、C4）、頂區（P3、P4）、枕區（O1、O2）共8個電極點進行分析。按照COHEN標準[21]，確定效應量（effect size）達到0.15、0.06和0.01時，分別屬于強效應、中等效應和弱效應。本研究只對有統計學意義的結果進行分析。

2 結 果

2.1 舞蹈動作視頻游戲技能結果

舞蹈動作視頻游戲訓練組第1周成績和第12周成績配對樣本T檢驗發現：舞蹈動作視頻游戲的失誤得分存在差異（t=9.126，P=0.00），經過12周訓練后，舞蹈失誤得分顯著減少；舞蹈動作視頻游戲正確率存在顯著差異（t=-9.644，P=0.00），經過12周訓練后，舞蹈正確率顯著提高；舞蹈動作視頻游戲得分存在差異（t=-6.528，P=0.00），經過12周訓練后，舞蹈得分數顯著提高；經過12周訓練后，舞蹈動作技能顯著提升（見圖3）。

圖3 試驗組舞蹈動作視頻游戲技能得分比較Figure3 Comparison of Scores of Dance Games in Experimental Group

2.2 工作記憶任務反應時結果

組別為組間變量，測試時間為組內變量，2-back反應時為因變量進行重復測量方差分析顯示：組別的主效應顯著[F（1，27）=5.655，P＜0.05，partialη2=0.212]；時 間 主 效 應 顯 著[F（1，27）=1.711，P＞0.05，partialη2=0.013]；組別與時間交互作用顯著[F（1，27）=5.484，P＜0.05，partialη2=0.248]。簡單效應檢驗發現，干預后2組反應時間存在差異（P＜0.05），試驗組[M=（901±102）ms]顯著快于對照組[M=（1 009±88）ms]。提示，舞蹈動作視頻游戲訓練干預后，老年人工作記憶任務反應時間變快。

2.3 工作記憶任務反應正確率結果

組別為組間變量，測試時間為組內變量，2-back任務反應正確率為因變量進行重復測量方差分析果顯示：2-back 任務反應正確率不存在顯著差異；組別與時間交互作用不顯著[F（1，27）=1.484，P＞0.05，partialη2=0.08]；組別和時間的主效應也不顯著。

2.4 腦電結果

行為結果發現，只有試驗組干預后的行為反應存在統計學意義，所以本研究只對試驗組干預前后參加者不同腦區電極點低頻／高頻alpha的ERD/ERS的值進行統計（見表2）。

表2 低頻／高頻alpha不同腦區不同時間窗干預前后的ERDERS值/%（M±SD）Table2 ERDERS Values Pre-re test in Different Brain Regions of Different Time Windows

（1）試驗組不同時間窗低頻alpha 的ERDERS。時間2（前測和后測）×8 腦區（F3、F4、C3、C4、P3、P4、O1、O2）×3 時間窗（300、600、900 ms）為變量進行重復方差測量顯示：時間主效應顯著[F（1，42）=11.661，P＜0.01，partialη2=0.328]；腦區主效應顯著[F（7，42）=6.418，P＜0.05，partialη2=0.296]；時間窗主效應顯著[F（2，42）=4.067，P＜0.05，partialη2=0.112]；時間與腦區交互作用顯著[F（1，14）=9.547，P＜0.01，partialη2=0.390]。進一步簡單效應檢驗發現：干預前后額葉、中央區和頂葉3個腦區存在顯著差異（P＜0.05），枕葉腦區干預前后工作記憶任務不存在顯著差異（P＞0.05）；時間窗和腦區存在顯著的交互作用[F（3，42）=3.49，P＜0.05，partialη2=0.14]。交互作用后簡單效應檢驗發現，在300 ms時間窗干預前后P3存在顯著差異（P＜0.05），干預后表現為低頻alpha的ERD；600 ms時間窗干預前后F3、O1、O2存在顯著差異（P＜0.05），干預后表現為F3、O1、O2 腦區低頻alpha ERS 增強；900 ms 時間窗干預前后P3、O1、O2 存在顯著差異（P＜0.05），干預后P3 腦區向ERD 轉化，O1、O2 腦區向ERS 增強轉換（見圖4）。顯示在干預后表現為枕葉低頻alpha同步化（ERS）活動，還顯示額葉和右側顳葉區域的變化，由最初測試時以ERD為主的模式，到后測時以ERS為主的模式。

圖4 試驗組不同時間窗低頻alpha的ERDERS結果Figure 4 Means of the Low Frequency alpha ERD/ERS

（2）試驗組不同時間窗高頻alpha 的ERDERS。時間2（前測和后測）×8 腦區（F3、F4、C3、C4、P3、P4、O1、O2）×3 時間窗（300、600、900 ms）為變量進行重復方差測量顯示：時間主效應顯著[F（1，42）=7.355，P＜0.01，partialη2=0.269]；腦 區 主 效 應 顯 著[F（7，42）=8.199，P＜0.01，partialη2=0.387]；時 間 窗 主 效 應 顯 著[F（2，42）=1.159，P＞0.05，partialη2=0.010]；腦區和時間之間存在顯著交互作用[F（7，14）=3.28，P＜0.05，partialη2=0.20]，時間、腦 區 和 時 間 窗 之 間 存 在 顯 著 交 互 作 用[F（7，42）=4.45，P＜0.05，partialη2=0.14。交互作用后的簡單效應檢驗發現：300 ms 時間窗干預前后P4 存在顯著差異（P＜0.05），表現為右側額葉ERD；600 ms 時間窗干預前后P3、P4、O2 存在顯著差異（P＜0.05），表現為頂葉和右側枕葉腦區ERD；900 ms 時間窗干預前后F3、C3、P3、P4、O2 存在顯著差異（P＜0.05），表現為左側額頂葉和中央皮層ERD 增強和右側頂枕葉ERD。表明，在動作視頻游戲干預后，試驗組工作記憶任務大腦活動右半球頂枕葉高頻alpha ERD增加存在偏側化現象，在時間段上表現出高頻alpha ERD 由早期右側頂枕葉腦區到600～900 ms之間擴展的整個左半球（見圖5）。

圖5 試驗組不同時間窗的高頻alpha的ERDERS結果Figure 5 Amplitude of the High Frequency alpha ERD/ERS

3 討 論

本研究目的是探討舞蹈動作視頻游戲訓練對健康老年人工作記憶的影響，進而了解對老年人工作記憶影響的神經心理機制。結果表明，試驗組經過12周訓練，提高了工作記憶任務測試的反應時間，這可能與舞蹈動作視頻游戲干預手段有關。舞蹈動作視頻游戲需要參加者在看到箭頭時，在有限時間內用腳對正確位置進行點踏，對時間和準確性都有要求，在通過這種訓練可能提高了老年人工作記憶任務反應。本研究結果與前人關于視頻游戲對老年人認知效益結果相一致[10，17]。BASAK 等使用實時策略性游戲干預老年人發現，訓練23.5 h 后老年人工作記憶任務得到改善。ANGUERA等使用Neuroracer駕駛游戲對老年人進行為期4 周的干預發現，試驗組老年人任務處理能力提高，而且訓練效益也擴展到工作記憶任務，工作記憶反應時得到提升，并在訓練停止6 個月后工作記憶能力仍能保持。

老年人工作記憶改善機制可能來源于腦區神經電生理活動模式的變化。腦電結果發現，動作視頻游戲訓練后，工作記憶任務低頻alpha 額葉腦區事件相關同步化和頂葉腦區事件相關去同步化表現為額葉腦區神經振蕩能量上升和頂葉腦區神經振蕩能量降低。高頻alpha 顯示為事件相關同步化，這種同步化比較集中在額頂葉腦區，從早期右側頂枕葉腦區活動到600～900 ms擴展到整個左側半球，即表現為神經振蕩能量上升的過程。

已有研究證明神經振蕩過程與工作記憶過程相聯系[20-22]，工作記憶過程中theta波和alpha波的去同步化，反映了在進行具體信息處理過程中提供神經的最優化。W.KLIMESCH 等[23]認為，高頻alpha 神經振蕩與長時記憶過程有關，alpha頻段的去同步化與任務操作的績效有關。試驗干預后，alpha頻段去同步化強度增加，表明參加者工作記憶任務操作績效明顯提升。研究者認為，alpha同步活動不僅反映了大腦皮層的失活，也反映了自上而下的加工過程，是對大腦區域的選擇性抑制[24]。類似于BADDELEY（1992 年）提出的工作記憶和注意控制的執行過程，注意控制功能是通過抑制與任務無關的大腦區域來維持任務相關腦區的關注，因此工作記憶系統有具體自上而下的過程，該過程可能基于theta和高頻alpha頻段管理信息的存取和操作[25]。

游戲干預后，對工作記憶任務大腦神經電生理活動影響表現為早期低頻alpha 事件相關同步化，到600～900 ms 更明顯的左半球腦區高頻alpha 去同步化的增加，具體表現在額葉和頂枕葉腦區。早期額頂葉腦區同步化反映了alpha 波編碼和檢索過程（頂葉）的特征，也反映了中央執行和注意控制期間（額葉）的特征[26]。考慮到低頻alpha的注意功能，在枕葉腦區的活動可能暗示了抑制過程，即枕葉視覺皮層抑制了與任務無關的信息，進而導致工作記憶過程更快[27]。特別是工作記憶后期alpha 振蕩活動增強，代表視覺皮質的抑制功能，因為alpha 振蕩功率增加是視覺皮質抑制的標志[28]。工作記憶機制是通過枕區alpha 能量振蕩防止感覺信息的輸入來影響內部信息處理，控制自上而下的信息，維持短時記憶的有效加工。訓練后，工作記憶神經電生理活動隨著時間推移發生了很大變化。動作視頻游戲訓練后，工作記憶任務神經電活動表現為600～900 ms由右側頂葉高頻alpha事件相關去同步化向左側半球事件相關去同步化增強的模式，說明這期間老年人注意力資源的快速動員。左半球高頻alpha 事件相關去同步化表明，與長時記憶相關的過程也受到影響，在頂葉區域內快速募集神經元，展現了工作記憶編碼和維持階段的神經電生理活動特征。

本研究由于樣本量有限，未探討動作視頻游戲對不同性別老年人認知能力的影響，未來應開展動作視頻游戲對不同性別老年人腦健康的促進效益。

4 結 論

舞蹈動作視頻游戲訓練可以促進老年人工作記憶能力的改善。老年人工作記憶任務過程中大腦活動模式由額葉和頂枕葉腦區的低頻alpha 事件相關同步化，到左半球腦區的高頻alpha去同步化增加。