身體活動對老年人認知靈活性的影響及其大腦激活特征

陳彥璋 金晶 周成林

關鍵詞：身體活動：老年人：工作記憶：認知靈活性：中介效應

隨著我國人口老齡化進程的持續加快，預計到2035年，我國老年人人口比例將達30%左右，進入重度老齡化階段。人口年齡結構的改變使得老年神經退行性疾病，如認知下降、輕度認知障礙以及阿爾茨海默病等患者數量比例大幅度增加。如何延緩認知衰老，降低老年神經退行性疾病的發生率，是應對重度老齡化社會的重要難題之一。

與衰老有關的認知下降通常源于大腦前額葉、顳葉和頂葉皮層的白質和灰質組織退化，外顯出的常見認知衰退主要發生于執行功能。其中就包括工作記憶，作為編碼、儲存和整合外部刺激信息的中樞，是完成其他高級認知功能的基礎。健康老年人相比于年輕人的工作記憶能力出現顯著下降，有研究猜測，衰老會導致負責工作記憶關鍵腦區的神經發生減少。由此推測，與衰老有關的工作記憶能力下降可能是導致執行功能其他子成分衰退的重要因素。有研究探討了工作記憶訓練能否提升執行功能中的認知靈活性成分，結果發現參加工作記憶訓練的兒童，其威斯康辛卡片分類任務的成績更高，證實了工作記憶對認知靈活性的直接影響關系。對此，我們分析，工作記憶能力較差的個體，其在短期內對信息儲存與處理的能力也較差。研究也發現，工作記憶能力較強的人，會在不同的條件下做出更有效率的靈活選擇，而工作記憶能力較差的人，無法靈活地調整決策以提升工作效率。進一步推測，延緩認知靈活性等高級認知功能的衰退，核心在于提升工作記憶能力。

基于腦可塑性原理，認知衰退的發生并非不可逆，身體活動（physical activity，PA）的參與可以使認知發展轉移到更積極的軌跡上，改變認知功能下降的曲線軌跡，延緩由衰老導致的認知功能發展水平下降。這主要源于PA能夠促進認知功能和腦功能發育有關的生理生化改變。已有研究表明，執行功能對PA的干預效應較為敏感，保持長期、規律的PA能夠提高工作記憶表現，尤其對于老年人群體，具有中到大的效應。并且，研究還發現，PA對老年人前額葉和顳葉的功能和結構的影響更大，而這些位置功能或結構的改變與執行功能有關。目前對PA與老年人執行功能關系的研究尚顯不足，PA對老年人執行功能的促進作用是否源于工作記憶能力的提升還未可知。因此，本研究以工作記憶和認知靈活性為切人點，結合功能性核磁共振成像技術（functional mag-netic resonancelmaglng．fMRI），通過橫向對比研究，探討了老年人的執行功能和腦功能衰退表現及其與PA的關系；同時，關注工作記憶在PA與認知靈活性關系中的中介作用，以期揭示PA促進老年人執行功能及其相關腦功能的關鍵過程，也為倡導身體活動等積極生活方式提供數據支持。

1研究對象與方法

1.1研究對象

招募遼寧某地區22名健康青年人和31名健康老年人作為測試對象。向其介紹整個實驗過程，并填寫實驗知情同意書。納入標準：漢族；青年人年齡為18～30歲，老年人年齡為59～79歲；教育年限≥10年；沒有明顯的認知下降，MoCA得分≥19分；無聽力、視覺或交流的障礙；沒有嚴重的身體或精神疾病。

1.2研究方法

1.2.1問卷調查法

個人基本情況問卷包括年齡、性別、身高、體質量、教育年限及身體和精神情況。身體活動量表采用國際體力活動問卷短卷（IPAQ-S）評估被試PA水平。IPAQ -S記錄過去7d內每周步行、中等強度、高強度以及總體活動水平，計算總代謝當量（metabolic equivalents，METs）；同時，還調查了這7d的身體活動與過去3個月身體活動的對比情況，以推測被試的長期PA習慣，被試回答均為“差不多”。身體活動（PA）水平標準為：低中PA水平為每周至少有600METs·min·wk-1，高PA水平為每周至少3000 METs·min·wk-1。該問卷具有較高的效度信度。使用中文版蒙特利爾認知評估量表（MoCA）評估受試者認知能力，以確保2組被試的總分均在19分及以上，無明顯認知下降。

1.2.2工作記憶任務和認知靈活性任務

n-back任務是評估工作記憶表現的典型實驗任務。本實驗任務共包括0-back、1-back和2-back等3個條件。刺激材料為英文字母，在3種條件中偽隨機出現。0-back條件要求看到字母X就用食指按鍵，其他字母用中指按鍵；1-back和2-back負荷條件要求被試將當前字母與前1個（1-back）或前面第2個（2-back）字母比較，相同，則食指按鍵，不同，則中指按鍵。任務采用block設計，3種條件各包括4個block，任務共包括12個block，blockJ||頁序完全隨機。1個block內，首先呈現8s的注視點（+），然后出現對應條件的指導語（如0-back條件：“字母是X嗎？是，食指按鍵；不是，中指按鍵”）4s，最后連續呈現8個該條件的試次。在每個試次內，首先呈現字母刺激1000ms，隨后呈現空屏2000ms，從字母刺激出現開始，被試即可進行按鍵（見圖1）。

Switching任務是評估認知靈活性的典型實驗任務。任務刺激材料為顏色和形狀組成的圖形，顏色為紅色和藍色；形狀為正方形和圓形。2個圖形上方會標有“形狀”或“顏色”字樣，出現“形狀”，則要求被試判斷2個圖形的形狀是否相同，相同，則食指按鍵；不同，則中指按鍵。出現“顏色”，則要求被試判斷2個圖形的顏色是否相同，相同，則食指按鍵；不同，則中指按鍵。任務采用block設計，包括非轉換條件和轉換條件。非轉換條件包括2類判斷任務：形狀判斷和顏色判斷。轉換條件中，形狀判斷和顏色判斷隨機出現。轉換和非轉換條件組成1個run，任務共包括4個run。每個run中，包括1個非轉換條件形狀判斷block、1個非轉換條件顏色判斷block和1個轉換條件block。第1個run中，3個block按如上順序依次呈現，隨后的3個run中，3個block的順序完全隨機出現。目的是通過第1個run熟悉不同判斷任務的要求。每個block均包括8個試次，隨機出現。每個試次中，首先同時出現2個圖形1500ms，之后呈現1500ms的空屏，刺激開始出現時，被試即可按鍵（見圖2）。

1.2.3核磁數據采集

使用遼寧師范大學腦與認知神經科學研究中心GE 3.0T磁共振成像系統采集圖像（GE DiscoveryMR-750 3.0T scanner， GE Medical Systems， Wauke-sha．WI）。通過快速擾相梯度回波（FSPGR）獲得無間隔三維全腦T1結構像：掃描共176層，層厚1mm，層間距為1mm，體素大小為1mm x1mm×1mm，TR為8.156ms，TE為3.18ms，翻轉角為8°，掃描視野為256mm×256mm。通過平面回波成像序列獲得功能像：掃描共43層，層厚3.2mm，層間距為0mm，體素大小為3.44mm×3.44mm×3.2mm，TR為2000ms，TE為30ms，翻轉角為90°，掃描視野為220mmx220mm。

1.2.4數據處理

（1）被試基本情況。采用獨立樣本t檢驗比較2組受試者（青年組、老年組）之間的基線特征（性別、年齡、身高、體質量和教育年限）和PA水平差異。

（2）行為數據處理。在工作記憶方面，以教育年限作為協變量，通過2（年齡組：老年組、青年組）×2（PA：高PA、中低PA）×2（條件：1-back、0-back，2-back、0-back）的三因素重復測量方差分析，比較不同年齡組、PA水平組在不同工作記憶負荷條件下的反應時和正確率。在認知靈活性方面，以教育年限作為協變量，通過2（年齡組：老年組、青年組）×2（PA：高PA、中低PA）的雙因素方差分析，比較不同年齡組和PA水平組在轉換相比于非轉換條件下的反應時和正確率。

（3）核磁數據處理。采用DPARSF對數據進行預處理，包括時間層矯正、頭動矯正、圖像均標準化至MNI空間，重采樣后體素大小為3mmx3mm×3mm，被試頭動大于2mm將不納入最后的分析。標準化圖像采用半高全寬（full width at half maxlma，FWHM）為6mmx6mmx6mm的平滑核完成高斯卷積空間平滑。

預處理后，采用SPM8對數據做進一步處理，首先用一般線性模型對每個被試建立刺激矩陣（1時level），根據假設計算每個被試感興趣的對比值（n-back任務：1-back、0-back，2-back．0-back;switching任務：轉換顏色和形狀）。隨后進入二階分析（2n（1level），對每個任務，采用獨立樣本t檢驗計算年齡組（青年組、老年組）、PA水平組（低中PA水平、高PA水平）的組間對比值（青年組低中PA水平一高PA水平、老年組低中PA水平一高PA水平），并對每組的全腦激活情況分別做單樣本t檢驗（以0為比較值）。最后基于GRF理論對全腦分析數據結果進行多重比較校正，體素水平P<0.01，團簇水平P<0.05。

（4）回歸與中介效應分析。使用SPSS 23.0軟件，以PA值作為自變量，分別以認知靈活性和工作記憶表現作為因變量進行回歸分析；以PA值和工作記憶表現作為自變量，以認知靈活性作為因變量進行回歸分析；使用Process 3.2軟件，以工作記憶行為表現及其腦成像指標作為中介變量，分析其在PA與認知靈活性之間的中介效應。

2結果

2.1被試基本情況

實驗過程中，有1名青年人未完成核磁掃描，有1名老年人未完成問卷測試，5名老年人未參加核磁掃描，另有4名老年人核磁掃描中途放棄實驗，最終，21名青年人（青年組）和20名老年人（老年組）完成了所有實驗，其基本信息見表1。2組人群在年齡（P<0.001）、體質量（P=0. 030）和教育年限（P<0.001）存在顯著差異；性別、身高、身體活動水平不存在組間差異（P>0.05）。

2.2行為結果

2.2.1工作記憶

2（年齡組）×2（PA）x2（條件）三因素重復測量方差分析結果發現，對于正確率，年齡組主效應顯著（F（1，36）=7.716，P=0．009，n2=0.176），青年組對不同工作記憶負荷條件間正確率的反應差異顯著高于老年組，表明青年組區分不同負荷條件的敏感性更強；PA×條件的交互作用顯著（F（1，36）=4.381，P=0.043，n2=0.108），簡單效應分析只發現了中低PA組2-back條件下的正確率顯著低于1-back條件下的正確率（P=0.003），未發現高PA組2種負荷條件下正確率的顯著差異。對于反應時，未發現主效應和交互作用顯著。

2.2.2認知靈活性

2（年齡組）×2（PA）的雙因素方差分析發現，正確率和反應時均未發現主效應和交互作用顯著。

2.3核磁結果

2.3.1工作記憶。

全腦分析結果顯示（見表2和圖3）：1-back和2-back條件下，青年低中PA水平組均在左右側扣帶回中部（Cingulum_Mid_L、Cingulum_Mid_R）和右側中央前回（Precentral_R）的激活顯著大于高PA水平組；在1-back和2-back條件下，老年低中PA水平組均在左側額中回（Frontal_Mid_L）的激活顯著大于高PA水平組。

2.3.2認知靈活性

從全腦分析結果可以發現（見表3和圖4）：青年低中PA水平組在右側眶部額上回（Frontal_Sup_Orb_R）、右側眶部額中回（Frontal_Mid_Orb_R）、右側眶部額下回（Frontal Inf Orb_R）、右側舌回（LinguaLR）、小腦蚓部（Vermis_4 _5）、左側前扣帶和旁扣帶回（Cingulum_Ant_L）以及右側內側和旁扣帶回（Cingulum_Mid_R）的激活顯著大于高PA水平組；老年低中PA水平組在右側額中回（Frontal_Mid_R）、左側額上回（Frontal_Sup_L）和右側扣帶回前部（Cingulum Ant_R）的激活顯著大于高PA水平組。

2.4中介效應分析

2.4.1行為表現

對于老年組，以PA值作為自變量，以轉換任務中轉換條件的反應效率作為因變量，進行線性回歸分析，結果發現，該回歸模型不顯著（F=0.211，P=0.651）；以PA值作為自變量，以工作記憶任務中1-back和2-back條件反應效率的均值作為因變量，進行線性回歸分析，結果發現，該回歸模型不顯著（F=0.245，P=0.626）；以PA值及工作記憶任務中1-back和2-back條件反應效率的均值作為自變量，以轉換任務中轉換條件的反應效率作為因變量，進行線性回歸分析，結果發現，該回歸模型顯著（F=6.434，P=0.008），但只有工作記憶表現的回歸系數顯著（t=3.539，P=0.003），PA的回歸系數不顯著（t=0.175，P=0.863）。以上回歸分析只發現了工作記憶對認知靈活性的預測效應。工作記憶表現在PA與認知靈活性之間的中介效應不顯著（間接效應為0.0027，對效應貢獻率為69.23%，Bootstrap 95%CI=[-0.003 2，0.0419]）.

對于青年組，以PA值作為自變量，以轉換任務中轉換條件的反應效率作為因變量，進行線性回歸分析，結果發現，該回歸模型不顯著（F=1.177，P=0.292）；以PA值作為自變量，以工作記憶任務中1-back和2-back條件反應效率的均值作為因變量，進行線性回歸分析，結果發現，該回歸模型邊緣顯著（F=4.225．P=0.054），回歸系數邊緣顯著（t=2.055，P=0.054）；以PA值及工作記憶任務中1-back和2-back條件反應效率的均值作為自變量，以轉換任務中轉換條件的反應效率作為因變量，進行線性回歸分析，結果發現，該回歸模型顯著（F=4.104，P=0.034），但只有工作記憶表現的回歸系數顯著（t=2.584，P=0.019），PA的回歸系數不顯著（=0.016，P=0.987）。以上回歸分析發現了PA對工作記憶的預測效應，以及工作記憶對認知靈活性的預測效應。工作記憶表現在PA與認知靈活性之間的中介效應不顯著（間接效應為0.0116，對效應貢獻率為98.31%，Bootstrap 95%CI=[-0.0020，0.0283]）。

2.4.2核磁指標

對于老年組，以PA值作為自變量，以轉換任務中轉換條件的腦激活參數值作為因變量，進行線性回歸分析，結果發現，該回歸模型不顯著（F=0.802，P=0.382）；以PA值作為自變量，以工作記憶任務中1-back和2-back條件的腦激活參數值作為因變量，進行線性回歸分析，結果發現，該回歸模型不顯著（F=0.024，P=0.878）；以PA值及工作記憶任務中1-back和2-back條件的腦激活參數值作為自變量，以轉換任務中轉換條件的腦激活參數值作為因變量，進行線性回歸分析，結果發現，該回歸模型不顯著（F=0.411，P=0.670）。工作記憶表現在PA與認知靈活性之間的中介效應不顯著（間接效應小于0.0001，對效應貢獻率接近于1，Bootstrap 95% CI最小值和最大值均接近于0）。

對于青年組，以PA值作為自變量，以轉換任務中轉換條件的腦激活參數值作為因變量，進行線性回歸分析，結果發現，該回歸模型不顯著（F=2.189，P=0.155）；以PA值作為自變量，以工作記憶任務中1-back和2-back條件的腦激活參數值作為因變量，進行線性回歸分析，結果發現，該回歸模型不顯著（F=0.004，P=0.949）；以PA值及工作記憶任務中1-back和2-back條件的腦激活參數值作為自變量，以轉換任務中轉換條件的腦激活參數值作為因變量，進行線性回歸分析，結果發現，該回歸模型不顯著（F=2.038，P=0.159）。工作記憶表現在PA與認知靈活性之間的中介效應不顯著（間接效應小于0．000１，對效應貢獻率接近于1，Bootstrap 95% CI最小值和最大值均接近于0），中介效應分析結果如圖5。

3討論

本研究探討了年齡和身體活動對工作記憶及認知靈活性的影響及其大腦激活特征，同時，探索了工作記憶在身體活動與認知靈活性之間的中介效應。結果主要發現了老年組的工作記憶衰退，以及PA對不同負荷工作記憶的影響。老年人的工作記憶衰退已經被眾多研究所證實，而本研究利用橫向對比不同PA水平的青年和老年人，發現中低PA組2-back條件下的正確率顯著低于1-back條件下的正確率，未發現高PA組在2種負荷條件下的顯著差異，這意味著PA對不同負荷難度工作記憶的表現有顯著影響，以上結果可能提示高PA有選擇性地提升了更高負荷難度下的工作記憶表現，從而消除了不同負荷條件之間的差異。該結果與前人研究關于PA與認知功能關系的探討是一致的，同樣發現了PA的效益主要體現在較高任務難度的認知加工過程中。有研究者采用電生理技術，發現身體活動干預相比于休息后，2-back條件額區alpha事件相關去同步化比1-back條件更大，反映了PA能夠促進大腦自上而下的注意控制過程，以完成更高任務難度的2-back任務。

結合核磁結果進一步分析，我們發現，1-back和2-back條件下，青年低中PA水平組均在左右側扣帶回中部和右側中央前回的激活顯著大于高PA水平組；在1-back和2-back條件下，老年低中PA水平組均在左側額中回的激活顯著大于高PA水平組。以上結果表明，隨年齡增長，PA影響個體完成工作記憶時涉及的腦區范圍有所減少，并且，不經常參與PA的個體需要激活更多的腦區以完成工作記憶任務，主要集中在額葉和運動皮層區域，這與對本研究行為結果的解釋是一致的。同時，該結果支持執行功能衰退的去分化假說，認為隨著年齡的增加，工作記憶衰退導致老年人在任務過程中無法調動相關腦區的激活，而運動能夠有效地調節額葉功能與年齡有關的工作記憶下降。進一步發現，PA降低了工作記憶激活腦區的活動水平，反映出PA提升了相關腦神經的活動效率，這與前人研究結果也是一致的，發現長期參加身體活動會降低背外側前額葉皮層的激活水平。

然而，本研究未發現年齡和PA對認知靈活性的顯著影響，這與前人研究的結果并不一致，同樣在一項探討年齡（青年人、老年人）和PA（活動、久坐）影響Switching任務表現的橫向研究中顯示，青年人比老年人反應時更快、準確率更高，PA對青年人和老年人的任務轉換表現都有著積極的影響。但也有研究未發現PA與認知靈活性之間的關系，在一項調查健康老年人習慣性PA與認知功能之間關系的研究中顯示，老年人定期參加PA與轉換（switching）無關。另一項縱向研究也發現，經過21周有氧運動干預后，老年人的認知靈活性并未出現顯著提升。上述研究結果與本研究結果的矛盾，可能源于對PA的定義，即身體活動方式、強度、頻率和時間不同。如：有研究發現8周的瑜伽練習相比于拉伸運動，更有利于switching的任務表現；另一項研究也得出相似的結論，發現開放式運動與更好的抑制、視覺追蹤和認知靈活性相關，而封閉式的運動與更好的選擇性注意和視覺空間感知相關。在運動強度上，有研究提出高強度運動能夠有效提升認知靈活性。而本研究中的PA包括了所有日常的活動方式，與干預類研究中采用的嚴格運動分類并不一致，可能降低了認知靈活性對PA的敏感性，未能發現PA對認知靈活性的影響。今后研究還需區分運動的4要素，尤其是運動方式和強度，以明確PA與認知靈活性的關系。

從核磁結果來看，全腦分析發現青年低中PA水平組在右側眶部額上回等前額葉皮層及右側舌回等視覺皮層的激活顯著大于高PA水平組；老年低中PA水平組同樣在右側額中回等前額葉皮層的激活顯著大于高PA水平組。同樣也發現了PA提升了認知靈活性相關腦區活動的神經效率，即低PA組需要調動腦區更強的激活以完成認知任務。同時，PA對認知靈活性的影響主要集中在前額葉，與Kimura等人研究結果相似，該研究探討了PA與執行功能大腦激活的相關性，關注了任務轉換能力與背外側前額葉皮層之間的關系，結果顯示中等PA組前額葉的激活水平低于低PA組。但由于未發現PA對老年人認知靈活性行為表現的顯著影響，因而無法推測上述腦區激活強度的改變與行為表現之間的關系。

基于工作記憶這一認知過程在認知靈活性等高級認知功能中的重要作用，本研究創新性地探討了工作記憶在PA與認知靈活性間的中介效應，這在以往研究中鮮有探究。但無論對于青年組還是老年組，從行為指標和核磁指標上均未發現顯著的中介效應，僅發現了工作記憶與認知靈活性間的顯著相關。我們推測可能是由于本研究對PA的操控所致，利用IPAQ量表無法精確、客觀、標準化地量化PA水平，今后研究可采用加速度器以得出客觀的PA值，進而驗證本研究提出的工作記憶可能在PA與認知靈活性等高級認知功能間的中介效應。

4結論

年齡增長會導致工作記憶的衰退，而日常身體活動能夠提高老年人的工作記憶，并且能夠提升工作記憶相關前額葉皮層等腦區的神經效率，但未發現身體活動對老年人認知靈活性的促進作用以及工作記憶在其中的中介效應。