基于VBM研究长期太极拳锻炼对老年人工作记忆的影响
王嘉慧
关键词：VBM 研究；
太极拳；
锻炼；
工作记忆
1 研究背景
衰老作为一种自然的生物过程，通常会导致脑萎缩、脑功能改变。衰老与神经退行性疾病相关，其中最常见的就是阿尔兹海默病（AD），其作为全球第五大死亡原因，对公众健康构成重大威胁。海马作为AD 诊断中最有效、最易获得且广泛使用的生物标记物之一，其结构和功能的改变一直是研究的重点。通过锻炼及治疗来对抗AD，有利于改善海马结构。在学习和记忆的过程中，海马结构和功能是否完整非常重要，因为该结构特别容易受到衰老过程的影响。
工作记忆是认知功能的核心部分，是指暂时储存和加工信息的有限资源。N-back 任务范式则被认为是测量工作记忆的重要范式。作为我国的一项传统身心运动，太极拳以中国古代的哲学为基础，有着悠久而丰富的历史。由于其中低等运动强度的特点和缓慢放松的性质，在练习过程中强调动作、呼吸相互配合，注重“天人合一”的理念，太极拳已日益流行，并迅速传播到50 多个国家。已有大量研究表明练习太极拳的老年人记忆功能有所改善，且大脑体积也会相应增加。选择何种适当的锻炼方式以增强大脑的记忆能力，改善老年人的认知功能，在现代社会受到了广泛的关注，而太极拳凭借其优势和实践效果，成为众多老年人的首要选择。
然而长期太极拳锻炼改善工作记忆的机制仍不清楚，太极拳对海马结构和功能的改善也正处于探索阶段。磁共振成像作为一项成熟的检测技术，已大量运用在认知神经科学研究中。VBM 是一种基于全脑的分析技术，可用于检测大脑灰质、白质、脑脊液等的体积差异。本研究结合VBM 方法探究长期太极拳锻炼者与步行锻炼者的灰质体积差异，通过2-back 测试发现太极拳组与对照组的反应时、正确率差异，从而可以反映出两组在工作记忆上的不同。通过行为学研究和磁共振检查相结合的方法，探讨出太极拳是否可以有效改善老年人工作记忆，从而改善脑结构和功能。
2 研究对象与方法
2.1 研究对象
本研究最初招募了46 名老年受试者，所选受试者均为女性，且均无任何心血管疾病、神经系统疾病或运动、认知障碍的病史（例如MoCA 得分低于26 分）。所选受试者均为右利手，听力正常，无严重躯体疾病，体形适中，近/ 远视眼<500 度。此外，我们还筛查了那些不能在磁共振环境中进行测试的受试者（ 例如有干扰测试的金属植入物的受试者以及患有幽闭恐惧症的受试者）。最后，由于1 人有严重的幽闭恐惧症，3 人在磁共振测试中头动过大而被排除，本研究的最终受试者为42 人。其中，太极拳组共20 人，步行组共22 人。为实时监测运动强度，所有受试者在进行运动时都佩戴了心率表，其运动强度在最大心率的50%—75%。在对受试者进行干预时，太极拳组的受试者需要每周至少打杨式太极拳5 次，且每次的练习时间至少为一小时。对照组的受试者需要每周进行步行锻炼至少5 次，每次步行时间为一小时以上。
所有受试者都在实验开始前被告知了本次实验的研究目的、研究过程和注意事项，且都自愿签订了知情同意书。苏州大学伦理委员会已批准该研究。
2.2 研究方法
本研究采用基于倒数n 项测验范式的N-back 任务进行行为学测试。从第ｎ个刺激开始，受试者需要判断接下来呈现的刺激是否与前面刚呈现过的倒数第ｎ个刺激相一致。N-back 可测试受试者工作记忆中的更新功能。有研究者发现，在所有高级认知功能中，工作记忆的更新功能最为重要，且与人类的生活质量关系最为紧密。
在本项研究中的行为学实验采用的是2-back 范式。该研究可以通过计算机自动控制每个刺激材料的呈现，并且能如实及时地记录下每个被试者的反应。本实验的刺激材料和程序均由E-prime2.0 软件编码和运行。实验的刺激材料为1—9 的数字，大小为20cm×20cm。本实验采用的是event 实验设计，每个trial 的时间序列为：注视点“＋”，呈现时间为300—600ms，刺激呈现500ms，两个刺激之间的呈现时间是随机的2400—2700ms。在实验时，受试者需要判断出当前的数字是否与上一个数字一样，并准确进行按键反应。
实验过程：每个受试者处于安静的实验室中，并且做实验时无其他人员的干扰。首先是练习实验，受试者需要集中注意力，尽可能准确地识别计算机屏幕上的刺激内容，并尽可能快速地进行反应。当受试者完全了解该实验内容后进行正式实验。
2.3 磁共振采集
本研究的磁共振数据由苏州大学第二附属医院应用MRI 磁共振室的飞利浦3.0T 磁共振扫描仪进行采集。结构像使用矢状面3DT1W1 高分辨率磁化准备快速梯度回波序列进行全脑扫描。TR=7.1ms，TE=2.98ms，flipangle=9°，皮层厚度=1.0mm，FOV=256mm×256mm，矩阵=256×256，体素大小=0.625mm×0.625 mm×1mm。
2.4 磁共振数据处理
本研究的结构像数据采用基于Matlab2013b 平台的spm12 软件包及CAT12 软件包进行分析处理。预处理包括：（1）删除前十个时间点；
（2）时间层校正；
（3）空间标准化；
（4）结构像图像切割：将每个受试者的结构像进行切割，分成灰质、白质和脑脊液；
（5）平滑：对所有受试者的灰质图像进行８mm 的半高全宽平滑。
2.5 统计学方法
本研究采用的是SPSS.26 统计软件。通过统计软件对太极拳组和对照组的人口学资料进行双样本t 检验，且P 值为0.05。对两组的磁共振数据采用SPM 软件进行独立样本t 检验，通过统计比较太极拳组与对照组的灰质体积差异。最终的磁共振数据并未进行多重校正，而是进行相对严格的AlpahSim 校正，其中P 值小于0.01，且voxel>50 的腦区被定义为有统计学差异的脑区，年龄、性别作为协变量。
3 结果
3.1 太极拳组与步行组的一般资料比较
在这项研究中，通过独立样本t 检验发现太极拳组和对照组在年龄（p=0.89）上并没有显著性差异。行为学数据发现，2-back 任务中，太极拳组与步行组在正确率和反应时间方面存在显著性差异（P<0.01，P<0.05）。与步行组相比，太极拳组2-back 测试正确个数更多，同时，太极拳组反应时间较短，因此我们可以判定太极拳组的行为学成绩比步行组的更好。见表1。
3.2 太极拳组与步行组灰质体积差异
通过对太极拳组与步行组灰质体积比较，我们发现，与步行组相比，太极拳组的左侧颞中回、海马旁回灰质体积较大。但是，太极拳组的小脑灰质体积较小。该结果与我们所猜测的结果一致。见表2，图1。
4 讨论
4.1 长期太极拳锻炼对老年人工作记忆功能的影响
本研究发现，长期进行太极拳锻炼对老年人的工作记忆功能产生显著的积极作用，可以改善老年人工作记忆的行为表现。该结果与先前的研究结果一致。张楠楠等通过对正确记忆数字的位数测试，发现长期进行太极拳锻炼的老年人短时记忆功能明显优于对照组，且工作记忆容量也明显高于对照组。太极拳作为一项结合了复杂技术动作和完整训练形式的有氧运动，对老年人的工作记忆有着积极作用。在锻炼过程中，老年人需要记住太极拳套路，在完成前一个动作时，就立马想起并做出下一个技术动作。此外，在进行太极拳锻炼时，老年人需要转换空间方位，在不同的空间方位中多次进行动作技术的转变，从而促进工作记忆的提高。本研究显示，在2-back 任务中，太极拳组的正确率显著高于步行组，且反应时也显著快于步行组。由此说明，老年人在进行太极拳锻炼时，将不同招式进行整合，快速刷新技术动作，从而促进了工作记忆功能。
4.2 长期练习太极拳对老年人灰质体积的影响
大量研究表明，适当的有氧锻炼能够影响大脑的灰质体积，从而影响其认知功能，并且不同的锻炼方式会对不同的脑区产生相应的影响。太极拳作为一项大多数中老年人喜爱的有氧运动，其对认知功能的影响研究非常重要。VBM 技术作为一种基于体素对脑结构MRI 进行全方面的分析技术，可同时定量检测整个脑组织的体积。本研究通过VBM 技术全面比较太极拳组与步行组脑灰质体积的差异。研究发现，与步行组相比，太极拳组在颞中回、海马旁回等特定区域表现出更大的灰质体积，提示长期太极拳锻炼者存在灰质结构改变。
海马主要功能包括巩固情景记忆和情景依赖性空间学习，以及调节情绪行为。海马旁回在工作记忆功能方面更是发挥着重要作用，与人类的学习、记忆功能密切相关。TAO 等人发现12 周的太极拳锻炼可以使左侧海马旁体积增大，且改善海马与mFPC 之间的相互作用，表明太极拳锻炼对海马灰质体积的影响。上述研究结果与本研究一致，本研究发现，与步行组相比，太极拳组在颞中回、海马旁回区域灰质体积有着显著的增加，太极拳组的行为学数据也表明其工作記忆测试的成绩较好，通过长期的太极拳锻炼可以有效改善海马的激活水平，从而促进其记忆能力改善。太极拳锻炼是一种身心锻炼，其灵活性、敏捷性的特质有助于改善老年人的工作记忆功能。老年人在进行太极拳锻炼时，视觉先发挥作用，随后是数次的实践模仿，在不断的练习中，其动作表象逐渐清晰，记忆范围不断扩大。老年人不断对太极拳的动作路线加深记忆，也深化了对太极拳技术动作的理解。在这样长期的太极拳锻炼中，老年人的海马自发神经活动得以增强，其神经系统活性改善，从而使海马灰质体积增加。
此外，相比于太极拳组，步行组的小脑灰质体积更大。小脑系统的主要作用是运动的协调与平衡。在临床干预试验中，有报道称太极拳练习可以减少老年人跌倒和增加平衡，但因果关系并不明确，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。在样本筛查方面，本次实验对象都为女性，所以性别因素是否能够影响太极拳练习对于脑灰质体积的作用需要进一步的探究。此外，本研究只分析了20 例太极拳练习者、22 例步行组的磁共振数据，样本量不多，今后的研究需要更多的样本进行分析研究。
5 结语
本研究利用VBM 方法探讨长期太极拳练习对老年人工作记忆的影响。最终得出结论：与步行组相比，太极拳组的左侧颞中回、海马旁回灰质体积较大。太极拳组的小脑灰质体积较小。与步行组相比，太极拳组行为学数据较好，其中表现在正确率更高，且反应时更短。太极拳组海马旁回灰质体积较大，可提示长期太极拳锻炼可能促进海马结构改善，进而引起认知脑功能变化。通过太极拳锻炼，老年人可以有效改善脑结构，从而使工作记忆得到改善。长期的太极拳锻炼对老年人的积极影响尚需要探索，在今后的研究中可以进一步探讨。
猜你喜欢锻炼工作记忆太极拳太极拳：入静和放松的养生效果基层中医药(2021年9期)2021-06-05太极拳的『绝世秘籍』金桥(2021年3期)2021-05-21太极拳的“教”与“学”应“以点带面”武术研究(2020年2期)2020-04-21工作记忆怎样在大脑中存储科学(2020年2期)2020-01-08情绪影响工作记忆的研究现状与发展动向中国生物医学工程学报(2017年6期)2017-02-10在数学中锻炼高中生意志新一代(2016年15期)2016-11-16浅析体育教学实效性新一代(2016年15期)2016-11-16影响学生参加体育锻炼因素分析研究体育时空(2016年9期)2016-11-1042式太极拳少林与太极(2014年3期)2014-04-08语言研究新视角*——工作记忆的理论模型及启示外语学刊(2011年4期)2011-01-22