太極拳訓練腦效應機制研究進展

王雅君，徐姝蕊，劉 嬌

1福建中醫藥大學康復醫學院，福建 福州 350122；2福建省康復技術重點實驗室，福建 福州 350122；3福建中醫藥大學康復產業研究院，福建 福州 350122；4中醫骨傷及運動康復教育部重點實驗室，福建 福州 350122

太極拳作為我國原創的傳統運動康復療法，根植于我國哲學太極觀念并充分吸收宋明理學理論成果，兼收并蓄道家養生思想，體現儒家以“仁”為本的倫理道德觀。在太極、道學、儒學三大傳統學術思想中誕生的太極拳，練習講求形神合一、內外兼修，練習的最高境界是“調身、調息、調神”三調合一［1］，可達到神志專一、精神內斂。《類經》認為“形者神之體，神者形之用；無神則形不可活，無形則神無以生”，指出形神共養的重要性。太極拳外主動而養形，內主靜而養神，形神共養，在練習過程中動作與意識相互結合，以心志活動帶動形體動作，要求精神意志的自我控制，可提高神經系統的興奮性和對腦功能活動的調節能力。

近年來隨著腦電、近紅外檢測和功能核磁共振等技術的發展，越來越多的研究發現太極拳對多種疾病、功能障礙（如認知功能、情緒、運動障礙等）的改善與調節大腦結構、功能活動相關。本研究擬從太極拳對腦神經環路/網絡影響的角度對太極拳相關的腦效應機制進行綜述，以期為后續更深入的研究提供思路。

1 太極拳訓練對腦電波信號特征的影響

腦電是一種檢測腦細胞群自發性和節律性電活動的高時間分辨率技術，記錄大腦活動時的電波變化，是神經細胞電生理活動在大腦皮層或頭皮表面的總體反映［2］。不同病理狀態或大腦在不同狀態下，各導聯腦電圖信號特征各不相同。目前，太極拳運動對腦電信號特征影響已經被廣泛應用于觀察太極拳神經活動的效應。長期練習太極拳可以提高中老年人安靜閉目狀態下α波功率［3］。研究發現，受試者太極拳運動后心率恢復到安靜狀態時，前額區α波相對功率顯著增高且與練習者積極情緒的改善顯著相關［4］。此外，太極拳訓練還可以降低睡眠剝奪男性受試者腦電信號的低頻成分，干預后受試者δ波、θ波、α1波、α2波、β1波、β2波均值降低［5］，有經驗的太極拳練習者α1、α2節律含有率顯著高于初學者，且太極拳式呼吸前后腦波處于α2節律的優勢狀態，太極拳的意念調節放松后頭部頂葉及枕葉的α2節律含有量也明顯高于放松前［6］。太極拳具有易化練習者腦皮質α波的效應，且與人體內在注意力集中有關［7］。太極拳調身、調息、調心相互作用，練習過程中“用意不用力”，需要注意力持續集中在當下動作，對身體姿勢控制有利于維持注意力的穩定性，對注意目標保持警覺與監控。太極拳練習有助于注意力的提高。以上研究表明太極拳練習過程中對注意力的控制可能與調節大腦皮層α波的節律和活動有關。然而，目前太極拳訓練對腦電波影響的文獻較少，且普遍納入的樣本量較小，如仝飛舟等［5］僅納入6例男性受試者。

2 太極拳訓練對事件相關電位信號特征的影響

事件相關電位是人對客體進行認知加工（如記憶、思維）時，通過平均疊加技術從頭顱表面記錄到的大腦電位，是一個高波幅、長潛伏期互相波，多在刺激后300～500 ms內出現。事件相關電位是心理生理學研究中腦功能的重要客觀指標，是觀察腦內信息加工的窗口［8］。

2.1 太極拳訓練對P300電位的影響

P300是出現在事件刺激后300 ms左右的電位，是大腦對信息的初步認知加工過程，它可以為認知障礙診斷及其嚴重程度判斷提供神經電生理依據［9］。研究發現太極拳訓練可以提高包括慢性阻塞性肺疾病-阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征重疊綜合征、健康老年人在內的不同人群P300峰值，縮短其潛伏期［10-11］。P300與記憶過程和認知資源的分配有關，可以測量在工作記憶/刷新過程中分配資源能力的極限。太極拳訓練后P300潛伏期縮短，表明太極拳訓練者能夠以較高的資源配置能力處理工作記憶過程中的信息，在信息處理中具有更快的認知加工速度。太極拳訓練后P300峰值增加，可能是由于太極拳訓練可以使受試者工作記憶在早期匹配、判斷過程中調用更多的注意資源，加速刺激的評估。

2.2 太極拳訓練對N400電位的影響

N400是出現在事件刺激后400 ms左右以各種語言操作任務誘發出的負相電位，與語言加工過程有關［12］。研究發現對于軍人慢性精神分裂癥患者，太極拳訓練后N400潛伏期縮短，波幅升高［13］。N400潛伏期反映詞語物理特征提取階段認知加工，詞語特征提取加工越快，進入詞語選擇階段認知加工越早；波幅則反映詞匯后信息整合的難易程度，間接代表大腦的感知容量與認知資源。太極拳“以意導形，以意導氣”，練習過程中手、眼、身、步、心（意）內外協調一致，緊密配合，協調動作，在運動中精神高度集中，有利于調用更多的認知資源在目前進行的活動中，提高練習者腦感知容量，加快認知處理過程。

3 太極拳訓練對腦部血流狀態、血氧水平和代謝的影響

腦是機體的高級神經中樞，組織代謝旺盛、耗能多，且腦的葡萄糖代謝幾乎都是需氧代謝，腦組織對缺氧敏感，對缺氧耐受性差。通過觀察腦部血流、血氧和代謝特征可以了解腦的功能狀態。太極拳訓練可以增加老年受試者前額葉氧合血紅蛋白和總血紅蛋白水平［14］。12周太極拳訓練后老年受試者后扣帶回N-乙酰天門冬氨酸/肌酸比率升高［15］，提示太極拳訓練可以改善其相關腦區的代謝水平。與無太極拳鍛煉經驗的受試者比較，長期太極拳練習者（5.5～30年）雙側大腦中動脈、大腦前動脈、大腦后動脈收縮期峰血流速度、舒張末期血流速度和搏動指數顯著升高［16］，長期進行太極拳鍛煉的老年人在腦血管血流動力學指數評分、平均血流速度、動脈阻力指數表現上明顯優于與其年齡、性別、BMI相匹配的對照組，太極拳訓練改善腦血流狀態和腦血管功能［17］。太極拳運動時練習者呼吸運動加強，腹式呼吸和胸式呼吸結合，加大橫膈上升、下降幅度，確保組織器官獲得充足的血液供應。太極拳為中、低等強度的有氧運動，其動作柔和緩慢，連貫圓整，練習中要求動作與呼吸配合，以意念引導動作，具有改善神經內分泌調節功能、改善循環系統機能狀態、促進代謝酶的活性、降低血脂、減少脂肪在血管壁的沉著、改善腦血流速度的作用。

4 太極拳磁共振成像研究

功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）是利用超快速成像技術，根據大腦在受到一定刺激或發生病變時局部磁共振信號的改變而反映腦功能的變化［18］。fMRI的研究涉及單刺激或多刺激的大腦皮層功能定位或不同功能區之間的相互影響及對高級思維和心理活動等高級腦功能多個領域研究。目前國內外許多研究采用功能核磁共振探討太極拳訓練對不同疾病不同狀態的中樞調控效應。

4.1 基于靜息態的太極拳功能核磁成像研究

4.1.1 基于rs-fMRI的太極拳橫斷面研究 橫斷面研究發現，長期太極拳練習可以調節大腦功能網絡，且太極拳對大腦功能網絡的調節與訓練的經驗、認知功能的保護作用顯著相關。研究發現，與不進行太極拳訓練的健康老年人比較，長期［訓練時間（14.6±8.6）年］太極拳訓練老年人右側中央后回功能一致性升高，左前扣帶回皮層和右背外側前額葉皮層的功能一致性降低，右側中央后回功能一致性的增加與太極拳訓練的經驗相關［19］。長期太極拳練習者額中回、中央前回、楔前葉體素鏡像同位連接降低，具有更好的認知表現，且與太極拳訓練的時間顯著相關［20］。太極拳以“形神合一”理論為指導，注重動作與意識相互結合，可提高神經系統的興奮性和對腦功能活動的調控。

4.1.2 基于rs-fMRI的太極拳縱向研究 研究發現，太極拳對認知功能的改善與其調節相關認知神經環路結構和功能有關。與一般有氧運動比較，8周太極拳訓練能顯著提高健康成年人雙側嗅覺皮層和左丘腦的節點聚類系數，降低左顳下回節點聚類系數，提高右側楔前葉和雙側后扣帶回的節點效率，左側丘腦節點聚類系數與認知靈活性表現顯著相關［21］。研究發現，前額葉-紋狀體-丘腦-前額葉（prefrontal cortex-striatum-thalamus-prefrontal cortex，PSTP）神經纖維白質的各向異性分數是太極拳訓練后任務切換錯誤減少評分的獨立預測因子，提示太極拳訓練中執行重復的、有順序的切換任務可能主要依賴于PSTP神經環路［22］。太極拳訓練增強海馬與雙內側前額葉的功能連接，且與受試者記憶商的改變顯著相關［23］，位于邊緣系統的海馬體是記憶形成、鞏固、存儲的重要節點，在空間定位等多種類型的記憶加工中扮演著重要的角色，太極拳改善認知功能可能與調控海馬體的結構和功能網絡有關。此外，研究還發現12周的太極拳訓練可增強背外側前額葉的低頻振幅強度，降低背外側前額葉與前扣帶回的功能連接［24］，調控內側前額葉到顳極、顳中回的功能連接［25］。背外側前額葉是認知控制網絡的重要節點，內側前額葉是前默認網絡的重要節點。這提示，調節認知控制網絡和默認網絡是太極拳延緩老年人認知功能下降的可能機制之一。認知控制網絡負責目標導向行為的認知加工，在認知控制中需要對目標形成計劃，并在過去經驗的基礎上總結當前環境中可以進行的行動，以及從一個計劃轉變到另一個計劃的能力。默認網絡負責靜息狀態下的認知、內省和情感處理等思維活動，在記憶力、執行等認知加工中扮演重要的角色。太極拳練習中“用意不用力”。在練習過程中強調放松、自然，要求身心相隨、內外一致，通過三調合一而達到精神意識的自我控制。

獎賞系統在主觀預期調節疼痛感知、疼痛耐受力等方面具有重要的作用［26］。腹側被蓋區（ventral tegmental area，VTA）是獎賞系統多巴胺分泌的關鍵腦區［27］、中腦水管周圍灰質（periaqueductal gray，PAG）是疼痛下行調控系統的關鍵節點［28］。本課題組前期研究發現12周的太極拳訓練改善膝骨性關節炎疼痛與降低VTA/PAG到眶額葉皮質的功能連接相關，說明調節獎賞系統腦功能網絡可能與太極拳改善KOA患者的疼痛有關［29］。

4.2 基于任務態的太極拳功能核磁成像研究

Stroop色詞測驗任務是評價執行抑制功能的經典范式，n-Back任務反映不同認知負荷下工作記憶的加工。基于任務態功能核磁的研究發現，太極拳訓練對記憶、執行功能加工相關腦區和網絡具有調控作用。病例對照研究發現，與水中有氧運動比較，在Stroop色詞測驗任務中，太極拳訓練組枕外側皮質和枕極功能活動下降；在n-Back任務中，太極拳訓練組右側額極、額上回和枕極活動下降，說明太極拳訓練受試者具有更強的認知表現［30］。WU等［31］研究也發現12周太極拳訓練后老年受試者在執行轉換任務時前額葉活動增強，任務中錯誤發生減少。

4.3 太極拳對腦形態結構的影響

許多研究探討太極拳訓練對腦灰質體積和白質形態結構的影響。具有長期太極拳訓練經驗的受試者海馬灰質體積增加，且可能與其認知功能的保護有關［32］。TAO等［33］研究發現，與健康教育比較，12周的太極拳訓練可以增加健康老年人海馬灰質體積，且與韋氏記憶量表記憶商和視覺再生評分的改變顯著相關。YAO等［34］研究發現，與久坐的受試者比較，長期太極拳訓練者胼胝體壓部各向異性分數值（fractional anisotropy，FA）增高，且與太極拳練習者的技術水平顯著相關。白質網絡圖論分析發現與步行訓練的健康老年女性比較，長期太極拳鍛煉女性具有更高的小世界屬性、聚集系數和局部效率［35］。磁共振彌散張量成像技術可以實現活體觀察組織結構的完整性和連通性，顯示腦白質內神經傳導束的走行方向，判斷白質纖維束的損害程度和范圍。FA值反映組織中水分子的各向異性彌散程度，也可以間接反映出水分子在組織中各向異性彌散速率的大小。這提示，長期的太極拳訓練對腦灰質、白質形態結構均具有可塑性改變作用。

5 太極拳訓練功能性近紅外光譜研究

功能性近紅外光譜（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）技術是一種光學、非侵入性，用于研究皮質血流動力學反應的神經成像技術。fNIRS利用血液的主要成分對600～900 nm近紅外光良好的散射特性，從而獲得大腦活動時氧合血紅蛋白（oxyhemoglobin，HbO2）和脫氧血紅蛋白（deoxyhemoglobin，HbR）的變化情況，并根據修正的比爾-朗伯定律計算反映HbO2和HbR濃度變化的信號來推斷局部大腦激活情況［36］。fNIRS技術抗運動干擾能力較好，可在自由活動中進行，更適合用于各種自然情景下高級認知功能的研究［37］。研究發現，太極拳單腿站立姿勢期間，右背外側前額葉皮層的激活顯著高于瑜伽的單腿站立姿勢［38］，太極拳訓練期間前額葉皮質、運動皮質和枕葉皮質信號顯著改變［39］。執行功能的核心成分包括工作記憶、任務轉換和反應抑制，其所在大腦核心區域是前額葉，太極拳訓練中需要記憶各個動作名稱，掌握動作轉換，同時需集中注意力，排除外界干擾，有助于對執行功能的鍛煉。側翼任務范式fNIRS研究發現，與無太極拳運動組比較，8周太極拳訓練顯著改善老年人抑制控制功能，太極拳訓練組在不相容任務中前額葉氧合血紅蛋白含量升高［40］。

6 小 結

太極拳是同時具有有氧運動和認知訓練成分的一種“復雜”身心運動，具有簡單易學、安全有效的獨特優勢。目前，許多學者基于腦電、功能核磁共振、近紅外光譜等技術從不同的角度探索了太極拳對腦網絡可塑性的影響，在一定程度上闡明了太極拳對功能障礙干預的效應機制。但目前的研究中尚存在以下問題：①太極拳對腦效應機制研究納入的樣本量偏小是目前研究中的一個共性問題［19］。②目前有關太極拳對腦功能機制研究主要以單模態為出發點，不同模態之間具有不同的優缺點，如功能核磁技術空間分辨率高，但時間分辨率低；腦電信號分析時間分辨率高，但空間分辨率低。③缺乏太極拳腦效應機制的縱向研究和長期隨訪，難以評估其長期效應。④目前太極拳應用和推廣缺乏統一的劑量和規范，如太極拳訓練的周期、頻率不一，且太極拳對腦功能影響的效應劑量關系也有待進一步研究。⑤目前太極拳對腦功能影響的研究多是靜息態下觀察太極拳的累積效應，太極拳運動狀態下對腦功能即刻效應的影響尚未可知。因此，下一步研究將圍繞以下幾個方面開展：①開展大樣本量的隨機對照研究及橫斷面的觀察性研究，同時開展多中心的聯合研究，進行不同研究結果的相互驗證，以增加結果的穩定性和可靠性。②進行不同模態的聯合分析研究，如功能核磁共振與腦電的聯合，克服單模態研究的不足，以期更全面地闡釋太極拳的相關機制。③設立多個觀察時間點和長期的隨訪，以評估不同太極拳訓練時間對腦功能狀態的影響。④進行不同劑量（如不同訓練頻率、不同訓練時間）太極拳對腦功能影響的對比研究，以期尋找太極拳訓練的最優效應的劑量及太極拳訓練的量效關系。⑤開展太極拳運動狀態下的腦功能評測系統（如便攜式近紅外腦功能成像）的應用研究，以評估太極拳訓練即刻效應對腦神經活動的影響。