基于VBM研究長期太極拳鍛煉對老年人工作記憶的影響

王嘉慧

關鍵詞：VBM 研究；太極拳；鍛煉；工作記憶

1 研究背景

衰老作為一種自然的生物過程，通常會導致腦萎縮、腦功能改變。衰老與神經退行性疾病相關，其中最常見的就是阿爾茲海默病（AD），其作為全球第五大死亡原因，對公眾健康構成重大威脅。海馬作為AD 診斷中最有效、最易獲得且廣泛使用的生物標記物之一，其結構和功能的改變一直是研究的重點。通過鍛煉及治療來對抗AD，有利于改善海馬結構。在學習和記憶的過程中，海馬結構和功能是否完整非常重要，因為該結構特別容易受到衰老過程的影響。

工作記憶是認知功能的核心部分，是指暫時儲存和加工信息的有限資源。N-back 任務范式則被認為是測量工作記憶的重要范式。作為我國的一項傳統身心運動，太極拳以中國古代的哲學為基礎，有著悠久而豐富的歷史。由于其中低等運動強度的特點和緩慢放松的性質，在練習過程中強調動作、呼吸相互配合，注重“天人合一”的理念，太極拳已日益流行，并迅速傳播到50 多個國家。已有大量研究表明練習太極拳的老年人記憶功能有所改善，且大腦體積也會相應增加。選擇何種適當的鍛煉方式以增強大腦的記憶能力，改善老年人的認知功能，在現代社會受到了廣泛的關注，而太極拳憑借其優勢和實踐效果，成為眾多老年人的首要選擇。

然而長期太極拳鍛煉改善工作記憶的機制仍不清楚，太極拳對海馬結構和功能的改善也正處于探索階段。磁共振成像作為一項成熟的檢測技術，已大量運用在認知神經科學研究中。VBM 是一種基于全腦的分析技術，可用于檢測大腦灰質、白質、腦脊液等的體積差異。本研究結合VBM 方法探究長期太極拳鍛煉者與步行鍛煉者的灰質體積差異，通過2-back 測試發現太極拳組與對照組的反應時、正確率差異，從而可以反映出兩組在工作記憶上的不同。通過行為學研究和磁共振檢查相結合的方法，探討出太極拳是否可以有效改善老年人工作記憶，從而改善腦結構和功能。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

本研究最初招募了46 名老年受試者，所選受試者均為女性，且均無任何心血管疾病、神經系統疾病或運動、認知障礙的病史（例如MoCA 得分低于26 分）。所選受試者均為右利手，聽力正常，無嚴重軀體疾病，體形適中，近/ 遠視眼<500 度。此外，我們還篩查了那些不能在磁共振環境中進行測試的受試者（ 例如有干擾測試的金屬植入物的受試者以及患有幽閉恐懼癥的受試者）。最后，由于1 人有嚴重的幽閉恐懼癥，3 人在磁共振測試中頭動過大而被排除，本研究的最終受試者為42 人。其中，太極拳組共20 人，步行組共22 人。為實時監測運動強度，所有受試者在進行運動時都佩戴了心率表，其運動強度在最大心率的50%—75%。在對受試者進行干預時，太極拳組的受試者需要每周至少打楊式太極拳5 次，且每次的練習時間至少為一小時。對照組的受試者需要每周進行步行鍛煉至少5 次，每次步行時間為一小時以上。

所有受試者都在實驗開始前被告知了本次實驗的研究目的、研究過程和注意事項，且都自愿簽訂了知情同意書。蘇州大學倫理委員會已批準該研究。

2.2 研究方法

本研究采用基于倒數n 項測驗范式的N-back 任務進行行為學測試。從第ｎ個刺激開始，受試者需要判斷接下來呈現的刺激是否與前面剛呈現過的倒數第ｎ個刺激相一致。N-back 可測試受試者工作記憶中的更新功能。有研究者發現，在所有高級認知功能中，工作記憶的更新功能最為重要，且與人類的生活質量關系最為緊密。

在本項研究中的行為學實驗采用的是2-back 范式。該研究可以通過計算機自動控制每個刺激材料的呈現，并且能如實及時地記錄下每個被試者的反應。本實驗的刺激材料和程序均由E-prime2.0 軟件編碼和運行。實驗的刺激材料為1—9 的數字，大小為20cm×20cm。本實驗采用的是event 實驗設計，每個trial 的時間序列為：注視點“＋”，呈現時間為300—600ms，刺激呈現500ms，兩個刺激之間的呈現時間是隨機的2400—2700ms。在實驗時，受試者需要判斷出當前的數字是否與上一個數字一樣，并準確進行按鍵反應。

實驗過程：每個受試者處于安靜的實驗室中，并且做實驗時無其他人員的干擾。首先是練習實驗，受試者需要集中注意力，盡可能準確地識別計算機屏幕上的刺激內容，并盡可能快速地進行反應。當受試者完全了解該實驗內容后進行正式實驗。

2.3 磁共振采集

本研究的磁共振數據由蘇州大學第二附屬醫院應用MRI 磁共振室的飛利浦3.0T 磁共振掃描儀進行采集。結構像使用矢狀面3DT1W1 高分辨率磁化準備快速梯度回波序列進行全腦掃描。TR=7.1ms，TE=2.98ms，flipangle=9°，皮層厚度=1.0mm，FOV=256mm×256mm，矩陣=256×256，體素大小=0.625mm×0.625 mm×1mm。

2.4 磁共振數據處理

本研究的結構像數據采用基于Matlab2013b 平臺的spm12 軟件包及CAT12 軟件包進行分析處理。預處理包括：（1）刪除前十個時間點；（2）時間層校正；（3）空間標準化；（4）結構像圖像切割：將每個受試者的結構像進行切割，分成灰質、白質和腦脊液；（5）平滑：對所有受試者的灰質圖像進行８mm 的半高全寬平滑。

2.5 統計學方法

本研究采用的是SPSS.26 統計軟件。通過統計軟件對太極拳組和對照組的人口學資料進行雙樣本t 檢驗，且P 值為0.05。對兩組的磁共振數據采用SPM 軟件進行獨立樣本t 檢驗，通過統計比較太極拳組與對照組的灰質體積差異。最終的磁共振數據并未進行多重校正，而是進行相對嚴格的AlpahSim 校正，其中P 值小于0.01，且voxel>50 的腦區被定義為有統計學差異的腦區，年齡、性別作為協變量。

3 結果

3.1 太極拳組與步行組的一般資料比較

在這項研究中，通過獨立樣本t 檢驗發現太極拳組和對照組在年齡（p=0.89）上并沒有顯著性差異。行為學數據發現，2-back 任務中，太極拳組與步行組在正確率和反應時間方面存在顯著性差異（P<0.01，P<0.05）。與步行組相比，太極拳組2-back 測試正確個數更多，同時，太極拳組反應時間較短，因此我們可以判定太極拳組的行為學成績比步行組的更好。見表1。

3.2 太極拳組與步行組灰質體積差異

通過對太極拳組與步行組灰質體積比較，我們發現，與步行組相比，太極拳組的左側顳中回、海馬旁回灰質體積較大。但是，太極拳組的小腦灰質體積較小。該結果與我們所猜測的結果一致。見表2，圖1。

4 討論

4.1 長期太極拳鍛煉對老年人工作記憶功能的影響

本研究發現，長期進行太極拳鍛煉對老年人的工作記憶功能產生顯著的積極作用，可以改善老年人工作記憶的行為表現。該結果與先前的研究結果一致。張楠楠等通過對正確記憶數字的位數測試，發現長期進行太極拳鍛煉的老年人短時記憶功能明顯優于對照組，且工作記憶容量也明顯高于對照組。太極拳作為一項結合了復雜技術動作和完整訓練形式的有氧運動，對老年人的工作記憶有著積極作用。在鍛煉過程中，老年人需要記住太極拳套路，在完成前一個動作時，就立馬想起并做出下一個技術動作。此外，在進行太極拳鍛煉時，老年人需要轉換空間方位，在不同的空間方位中多次進行動作技術的轉變，從而促進工作記憶的提高。本研究顯示，在2-back 任務中，太極拳組的正確率顯著高于步行組，且反應時也顯著快于步行組。由此說明，老年人在進行太極拳鍛煉時，將不同招式進行整合，快速刷新技術動作，從而促進了工作記憶功能。

4.2 長期練習太極拳對老年人灰質體積的影響

大量研究表明，適當的有氧鍛煉能夠影響大腦的灰質體積，從而影響其認知功能，并且不同的鍛煉方式會對不同的腦區產生相應的影響。太極拳作為一項大多數中老年人喜愛的有氧運動，其對認知功能的影響研究非常重要。VBM 技術作為一種基于體素對腦結構MRI 進行全方面的分析技術，可同時定量檢測整個腦組織的體積。本研究通過VBM 技術全面比較太極拳組與步行組腦灰質體積的差異。研究發現，與步行組相比，太極拳組在顳中回、海馬旁回等特定區域表現出更大的灰質體積，提示長期太極拳鍛煉者存在灰質結構改變。

海馬主要功能包括鞏固情景記憶和情景依賴性空間學習，以及調節情緒行為。海馬旁回在工作記憶功能方面更是發揮著重要作用，與人類的學習、記憶功能密切相關。TAO 等人發現12 周的太極拳鍛煉可以使左側海馬旁體積增大，且改善海馬與mFPC 之間的相互作用，表明太極拳鍛煉對海馬灰質體積的影響。上述研究結果與本研究一致，本研究發現，與步行組相比，太極拳組在顳中回、海馬旁回區域灰質體積有著顯著的增加，太極拳組的行為學數據也表明其工作記憶測試的成績較好，通過長期的太極拳鍛煉可以有效改善海馬的激活水平，從而促進其記憶能力改善。太極拳鍛煉是一種身心鍛煉，其靈活性、敏捷性的特質有助于改善老年人的工作記憶功能。老年人在進行太極拳鍛煉時，視覺先發揮作用，隨后是數次的實踐模仿，在不斷的練習中，其動作表象逐漸清晰，記憶范圍不斷擴大。老年人不斷對太極拳的動作路線加深記憶，也深化了對太極拳技術動作的理解。在這樣長期的太極拳鍛煉中，老年人的海馬自發神經活動得以增強，其神經系統活性改善，從而使海馬灰質體積增加。

此外，相比于太極拳組，步行組的小腦灰質體積更大。小腦系統的主要作用是運動的協調與平衡。在臨床干預試驗中，有報道稱太極拳練習可以減少老年人跌倒和增加平衡，但因果關系并不明確，所以平衡能力留作今后再研究。

4.3 研究展望

本研究存在一些局限性和不足。在樣本篩查方面，本次實驗對象都為女性，所以性別因素是否能夠影響太極拳練習對于腦灰質體積的作用需要進一步的探究。此外，本研究只分析了20 例太極拳練習者、22 例步行組的磁共振數據，樣本量不多，今后的研究需要更多的樣本進行分析研究。

5 結語

本研究利用VBM 方法探討長期太極拳練習對老年人工作記憶的影響。最終得出結論：與步行組相比，太極拳組的左側顳中回、海馬旁回灰質體積較大。太極拳組的小腦灰質體積較小。與步行組相比，太極拳組行為學數據較好，其中表現在正確率更高，且反應時更短。太極拳組海馬旁回灰質體積較大，可提示長期太極拳鍛煉可能促進海馬結構改善，進而引起認知腦功能變化。通過太極拳鍛煉，老年人可以有效改善腦結構，從而使工作記憶得到改善。長期的太極拳鍛煉對老年人的積極影響尚需要探索，在今后的研究中可以進一步探討。