基于sLORETA脑成像技术探究太极拳运动对中老年人安静状态下脑波影响的研究

吕墨竹，郭 峰

（1．沈阳体育学院 武术与舞蹈学院，辽宁 沈阳110102；2．沈阳体育学院 运动人体科学学院，辽宁 沈阳110102）

目前全世界老年性痴呆人数高达1 200万，因此，老年人脑认知功能的研究备受关注。老年人出现的认知功能下降与个人差异（教育、心血管机能）以及生活方式（身体锻炼方式，社会交往等）有关。在众多因素中，运动锻炼对老年人脑认知功能影响得到了广泛关注，有学者进行了前瞻性研究，观察了高水平健身爱好者与脑认知功能之间的关系，结果发现长期从事有氧健身运动能够降低脑认知损伤的发生率。目前，大多数有关运动锻炼对脑认知功能影响的研究主要集中在有氧运动，但是其他形式的身体锻炼，尤其是以中国传统武术中太极拳运动对中老年人脑功能影响的研究尚未发现。

目前，国内外学者对有氧健身运动对老年人脑认知功能影响做了大量的研究［1-4］，其中也有学者观察了太极拳运动对老年人脑认知功能的影响。例如Tao等人观察了传统的太极拳和八段锦练习改变了老年人认知控制网络的功能性联系［4］；Kim 等人［5］通过P300指标评价了练习太极拳运动对老年人认知功能的影响，发现长期练习太极拳运动可以使老年受试者的P3b幅值显著增高，认为这是长期练习太极拳运动对脑执行功能的一种积极效应；Fong等人［6］也通过ERP-P300指标观察了有氧耐力运动和太极拳运动对老年人脑认知功能的影响，研究表明有氧运动和太极拳运动可以提高老年人练习者的脑执行功能。

尽管学者们发现太极拳运动可以改善老年人练习者的脑执行功能，但尚未有学者研究长期的太极拳练习对老年人静息状态下的脑波产生影响以及这些影响发生在哪些脑区，因此使用脑源定位分析技术探究太极拳运动对老年人脑波影响的脑源机制也是今后研究的重点。标准化低分辨率电磁扫描成像技术（sLORETA）是一种脑源成像技术，该技术利用采集到的EEG数据通过逆运算（inverse solution）求解大脑皮质内神经元电活动发生源［7］。sLORETA脑功能成像技术可以作为一种探测人体不同活动时大脑脑源的方法，而且有研究表明该研究方法的准确度很高［8］。目前，有很多学者将sLORETA技术与其他的脑源计算方法做了比较，结果发现sLORETA技术更精准［9］。实际上，很多学者将sLORETA脑源技术应用在了神经中枢机制的研究中［10-11］。

因此，笔者以长期练习太极拳的中老年人为观察对象，采集他们安静状态下的脑电波，使用sLORETA脑成像技术观察长期太极拳练习对其安静状态下的脑波影响以及脑源机制，力图为进一步推广我国太极拳健身活动提供一定的科学理论依据。

1 研究对象与方法

1．1 研究对象

测试对象来自辽宁省老年大学南风国际俱乐部，共选取了36名受试者，但是其中有2名受试者不能完成脑电测试，被排除掉；其余34名受试者能够完成本实验测试，其中实验组受试者中男性受试者为8人、女性受试者为10人；实验组受试者练习太极拳的年限为6年以上，平均每天锻炼时间为（1．5±0．3）h，每周锻炼4～5次。对照组为长期久坐组的中老年人，全部来自社区，其中男子7人、女子9人。各组受试者的自然情况如表1，其中各组受试者之间的年龄没有统计学差异。

表1 受试者的自然情况

1．2 研究方法

1．2．1 文献资料法

通过CNKI在线数据库，搜索有关太极拳运动对中老年人脑功能和认知功能影响的相关文献。共查找到外文文献30篇、中文文献22篇。同时也查找了关于脑电波分析方法的相关文献，作为本研究的理论和技术方法支撑。

1．2．2 实验法

1．2．2．1 仪器设备 使用Neuroscan 64导脑电仪采集受试者的脑电信号（version 4．5，NeuroScan，El Paso，Texas，USA）。该脑电仪的具体参数如下：每个Headbox有64导单极导联，Neuroscan脑电仪具有较高的共膜抑制比110 dB。

1．2．2．2 实验设计 将受试者分为两组，试验组受试者为长期练习太极拳的中老年人，对照组为长期久坐很少参加锻炼的同年段中老年人。为了观察长期练习太极拳对中老年人安静状态下脑波的影响，选取受试者在闭眼安静状态下脑电，观察EEG中不同波段脑波的功率谱特征以及不同波段脑波产生的差异。观察了受试者安静状态下δ（1．5-6 Hz）、θ（6．5-8 Hz）、α1（8．5-10 Hz）、α2（10．5-12 Hz）、β1（12．5-18 Hz）、β2（18．5-21 Hz）、β3（21．5-30 Hz）共7个波段的脑电波的脑源位置。1．2．2．3 脑电信号的采集与分析 使用Neuroscan 64导脑电仪，采集受试者在安静闭目状态下的EEG信号。采用碱性洗发水给受试者洗头，吹干头发后佩戴脑电帽。接地电极选取前额区Fz和FCz之间位置，参考电极选右侧颞骨乳突连线。在每一个电极位置注射导电膏（GT5，格林泰克，武汉）。该导电膏为磨砂导电膏，能够快速降低头皮阻抗。通过调整在头皮上的导电膏量，使64个电极导联的阻抗都降低到5千欧姆以下。采样频率设置为1 000 Hz。在测试任务过程中要求受试者身心放松，闭目养神。1）安静状态不同脑电波的功率谱分析。连续采集受试者3 min的闭目安静状态脑电。数据采集完成后，使用NeuroScan 4．5软件进行脑电信号的离线分析。首先手动去除伪迹干扰，这部分伪迹是由于大量的肌电干扰引起的。但是在本研究中，由于受试者仅仅是闭目状态，没有身体动作，所示原始脑电信号质量较高，基本没有肌电干扰的成分，所以将部分有干扰的脑电信号去除掉。2）原始脑电的脑源sLORETA分析。sLORETA是一种脑功能性成像技术，它是通过特殊的计算方法计算大脑中高度同步化突触后电位神经元的脑内空间位置。sLORETA是通过逆运算的方法计算原始的头皮EEG的脑内三维空间解［12］。sLORETA对脑源进行逆运算的前提，是假设大脑是一个由三层组织构成的头模型，包括脑内组织、颅骨、头皮。这三层结构组织被数字化处理，通过扫描152个人的脑MRI图谱平均值作为标准，成为MNI152［13］。其中脑组织被数字化标定为6 239个立体像素。每一个像素都对应着一个三维的XYZ坐标，同时也会有一个电流密度值。在进行sLORETA脑源分析时，头皮脑电EEG的电极配布需要按照10／20、10／10或者10／5分布方式［14］，本研究使用的脑电电极配布为国际标准的10／10。有学者已经证明sLORETA的精准性［17］，而在抗噪声方面sLORETA具有较强的优越性［15］。另外，还有很多学者通过与其他脑源定位设备相比较发现问题，例如与功能性核磁共振相比时发现sLORETA逆推解的定位精度很高［16-17］。为了计算受试者闭眼安静状态下不同频率段脑波的sLORETA脑源特征，需要将原始的脑电信号进行相关预处理。由于本研究设计中要求受试者处于闭目状态，所以在原始脑电信号中基本没有眼电干扰，但是部分受试者在测试过程中有身体移动的情况，身体移动产生的肌电干扰了脑电信号，因此，首先将这些受干扰的脑电信号进行伪迹去除，即去掉该部分脑电信号，然后将原始的脑电信号进行分段处理。在本研究中将原始无干扰的脑电信号按照10 s进行分段处理，然后再对经过分段处理的脑电信号进行阈值法去除伪迹，阈值设置为±50μV，经过阈值法去除伪迹干扰后，最终剩下没有伪迹干扰的分段数位（16．4±2．1）个。在利用sLORETA对原始EEG脑电分段数据进行脑源分析之前，要将头皮脑电电极位置坐标与MRI头模型进行数字化匹配［18］。另外，在sLORETA计算中MNI坐标需要被校正转化为Talairach坐标［19］。在对不同频率段脑电数据进行sLORETA分析前，还要对分段的脑电数据进行平均化参考，将平均化参考后的分段脑电进行频谱分析，再利用sLORETA转换矩阵来计算每一名受试者某一个频率段内sLORETA值。

1．2．3 统计学分析

常规的统计学方法不能解决图像中不同像素之间的统计学差异问题。本研究使用统计学非参数图谱（statistical non-parametric mapping，SnPM），对两组不同受试者安静状态下不同频率段脑波脑源位置以及电流密度之间的差异进行研究［20］。为了降低多重比较带来的假阳性误差，本研究使用非参数单一阈值检验法。如果某一个立体像素处的电流密度在某个显著性水平下超过统计阈值，那就说明这两组受试者之间在该像素位置的电流密度有统计学差异。而如果两组受试者之间在某一个像素位置上的电流密度差异值低于统计阈值，则说明两组之间在该像素位置上的电流密度没有统计学差异。在本研究中将显著性标准设置为0．05。

2 结果与分析

2．1 安静状态下不同频段脑电功率谱

从图1、图2中可以看出，在安静状态下，太极拳实验组中老年人的不同区域的脑波更加同步化，而且对照组的脑波功能的同步化程度低于太极拳实验组，还能够看出太极拳实验组中老年人其低频成分θ波要低于对照组中老年人。对6～8 Hz的θ波的功率进行了统计学分析，太极拳vs对照组，-8．3±2．3 vs．2．1±0．6，P＜0．05，说明在安静状态下实验组θ波的功率水平更低，这是一种良好的表现。同时，实验组中老年人α波8-12Hz总体功率也要显著高于对照组中老年人，太极拳vs对照组，11．7±3．3 vs．8．1±2．6，P＜0．05。进一步分析，发现两组受试者其α波峰值功率对应的频率也有较大差异。对照组α峰值功率为（9．1±1．4）Hz，实验组α峰值功率出现的频率为（10．5±1．7）Hz，尽管两组之间没有统计学差异，但是我们能够推测可能是实验组中老年人保持较高的α峰值功率以及对应较高的alpha频率值。这都是一种良好的表现和状态，有研究表明安静状态下较低的θ波功率以及较高的α功率与认知能力高度相关。

图1 太极拳对照组受试者安静状态下脑电功率谱

图2 太极拳实验组受试者安静状态下脑电功率谱

2．2 不同脑波的sLORETA脑源分析

图3中太极拳实验组和对照组受试者安静状态下不同波段脑波sLORETA的脑源δ（1．5～6 Hz）、θ（6．5～8 Hz）、α1（8．5～10 Hz）、α2（10．5～12 Hz）、β1（12．5～18 Hz）、β2（18．5～21 Hz）、β3（21．5～30 Hz）。

从图3中能够看出，delta波在全脑都有分布，但在前额区的功率水平更高，其最高的电流密度出现在双侧的前额区，为145 uv／mm，但是电流密度在枕区很弱。

图3 太极拳实验组安静闭目状态下脑电δ波（1.5）6 Hz）的sLORETA脑源

图4 太极拳实验组安静闭目状态下脑电θ波（6.5-8 Hz）的sLORETA脑源

对于6．5～8 Hz来说，在全脑都有分布，但是主要集中出现在顶后区皮质，其最大电流密度为44 uv／mm，见图4。

但是对于alpha而言，大脑分布具有独特的分布样式，对于alpha1来说，主要分布在顶后区和枕区。其最大的电流密度分布在枕后区，其电流密度为151 uv／mm，见图5。

对于alpha2来说，集中分布在双侧的枕区。其最大的电流密度分布在枕后区，其电流密度为84．1 uv／mm，见图6。

太极拳实验组安静闭目状态下脑电β1波（12．5～18 Hz）的sLORETA脑源显示，在全脑都有β1波的分布，但是出现在前额叶皮质，其最高电流密度为57．9 uv／mm，见图7。

安静闭目状态下脑电β2波（18．5～21 Hz）开始趋近于集中分布，主要出现在双侧前额区皮质，其最高电流密度为41．1 uv／mm，见图8。

对于高频波（21．5-30 Hz）来说，分布更加集中，仅仅分布在双侧前额区皮质处，最高的电流密度为142 uv／mm，见图9。

图10～图16是对照组安静状态闭目状态下不同波段脑波δ（1．5～6 Hz）、θ（6．5～8 Hz）、α1（8．5～10 Hz）、α2（10．5～12 Hz）、β1（12．5～18 Hz）、β2（18．5～21 Hz）、β3（21．5～30 Hz）sLORETA的脑源：

图5 太极拳实验组安静闭目状态下脑电α1波（8.5-10 Hz）的sLORETA脑源

图6 太极拳实验组安静闭目状态下脑电α2波（10.5-12 Hz）的sLORETA脑源

图7 太极拳实验组安静闭目状态下脑电β1波（12.5-18 Hz）的sLORETA脑源

图8 太极拳实验组安静闭目状态下脑电β2波（18.5-21 Hz）的sLORETA脑源

图9 太极拳实验组安静闭目状态下脑电β3波（21.5-30 Hz）的sLORETA脑源

图10 对照组安静闭目状态下脑电δ波（1.5-6 Hz）的sLORETA脑源

图11 对照组安静闭目状态下脑电θ波（6.5-8 Hz）的sLORETA脑源

图12 对照组安静闭目状态下脑电α1波（8.5-10 Hz）的sLORETA脑源

图13 对照组安静闭目状态下脑电α2波（10.5-12 Hz）的sLORETA脑源

图14 对照组安静闭目状态下脑电β1波（12.5-18 Hz）的sLORETA脑源

图15 对照组安静闭目状态下脑电β2波（18.5-21 Hz）的sLORETA脑源

图16 对照组安静闭目状态下脑电β3波（21.5-30 Hz）的sLORETA脑源

对照组中老年人的脑波分布与实验组中老年人脑波分布的样式基本一致，没有差别，但是两者在电流强度上有差别。表现为对照组中老年人慢波成分的最大电流密度要高于实验组中老年人，例如对照组慢波δ（1．5～6 Hz）和θ（6．5～8 Hz）对应的最大电流密度分别为150 uv／mm和116uv／mm，而实验组δ（1．5～6 Hz）为145 uv／mm和θ（6．5～8 Hz）为44 uv／mm，尤其对于theta波来说，差异非常大。

而对于alpha来说刚好相反，对照组alpha1和alpha2的最大电流密度分别为94．6 uv／mm和37．8 uv／mm，实验组alpha1和alpha2的最大电流密度分别为151 uv／mm和84．1uv／mm。两者之间存在显著性的差异。

对于beta波来说，实验组中老年人β1、β2、β3对应的最大电流密度分别为57．9 uv／mm、41．1 uv／mm、142 uv／mm，而对照组中老年人β1、β2、β3对应的最大电流密度分别为88．2 uv／mm、55．3 uv／mm、206 uv／mm，可见对于反映大脑兴奋的β波来说，对照组在安静状态下要显著高于实验组的中老年人，这其实是大脑机能能力不同的一种反映，说明长期练习太极拳更有利于使大脑处于平静放松状态。

在本研究中，经过统计学非参数图谱统计分析后，得到的是一个由t值组成的脑图谱，即脑图谱中每一个立体像素对应着一个t值，而不再是sLORETA标准化电流密度值。在脑图谱中不同的t值会对应着不同的颜色尺度，具有统计学差异的立体像素会对应着比较深的颜色。由立体像素组成的t值呈现在脑空间分布图谱中，这就构成了统计学非参数图谱。而具有统计学差异的立体像素与布罗德曼分区相对应，这样可以跟踪到具体的神经解剖学位置［20］。

图17 实验组与对照组中老年人α1波的非参数图谱差异

图18 实验组与对照组中老年人α2波的非参数图谱差异

从图17α1波的非参数图谱差异中能够看出，实验组和对照组中老年人相比，其左侧前额叶皮质以及枕叶皮质处α1波存在显著性的差异，即对照组中老年人左前额叶皮质区的α1波功率要显著高于实验组，而实验组其枕后区α1波的功率要显著高于对照组中老年人。α1波源于枕后区，可见长期太极拳练习增强了中老年人枕后区的alpha波的功率，这对于脑功能是有好处的。长期的太极拳练习可能使练习者大脑皮质的α波得到易化，这种易化可能与下丘脑功能增强有关。人体内在注意力集中时会使大脑α波的同步化增强［21］。实际上，太极拳练习会提高受试者的注意力，而这种注意力集中属于内在注意力，所以经过一段时间的太极拳练习使得练习者内在注意力集中的能力增强。

同样，实验组和对照组中老年人之间的α2波频段也存在显著性的差异，10．5～12 Hz频段的alpha波差异主要出现在枕后区，通过长期太极拳练习可以增强中老年人安静状态下alpha波成分，见图18。

3 结论

本研究数据表明长期坚持太极拳练习可以让中老年人在安静状态下有更多的α波以及更少的θ波，这是对脑功能调节是一个好的表现。另外，发现长期练习太极拳运动能使中老年人在安静状态下大脑处于一种放松状态。相对来说，对照组中老年人在安静状态下其β波功率更高。所以，长期练习太极拳能够使中老年人的脑功能得到一定的改善。