脑卒中患者双重任务能力恢复的神经机制研究进展

杨志，付雨桐，姚黎清

(昆明医科大学第二附属医院康复医学科，云南 昆明)

0 引言

脑卒中是一种世界范围内常见的神经系统疾病，是多种脑血管疾病的严重表现形式，它是全球第二大、中国第一大致死性疾病，不近死亡率高，而且发病率、复发率、致残率也高。对于脑卒中患者重返社会的需求，传统康复训练方法具有局限性，在众多的治疗方法中，结合运动和认知任务的双重任务训练以其多任务、多环境、针对性强等优点成为脑卒中康复治疗最有前景的方法，可弥补目前脑卒中康复治疗的不足，但其神经机制尚不清楚。现将利用功能磁共振成像技术探索双重任务功能恢复的相关神经机制作一综述。

1 脑卒中的康复治疗面临着巨大的挑战

研究显示，随着我国人口老龄化进一步发展，世界各地脑卒中的发病率伴随着65 岁以上老年人群数的增长，正在以每年约9 万人的速度增加[1]，随着我国的国民经济和医疗水平的提高，2013年的GDB 研究最新结果显示，脑卒中的死亡率有所减少，但仍有70%-80%的脑卒中患者因不同程度功能障碍影响独立生活[2]，患病人群的不断增加给家庭、社会、政府带来巨大的经济负担。据统计，2003 年脑卒中总经济负担为198.87 亿，占卫生总支出的3.02%[3]。经过积极有效地康复治疗后，可使患者恢复一定的功能，提高患者日常生活能力及社区融入度。但是大量研究表明，脑卒中患者对重返社会的效果都不太满意[4]。平衡和步行功能的减退或缺失等肢体功能障碍是阻碍他们重返社会的主要因素[5]。大多数卒中患者没有达到日常活动或者社区行走所必需的运动能力，这将限制参与有意义的活动。

2 传统康复具有局限性

大量研究证实[6]，恰当、持续的康复训练能减缓脑卒中患者功能残疾，降低继发性疾病的发生率，加快脑卒中康复的进度，并且提高脑卒中患者社会生存满意度，同时能降低其隐形的医疗费用，节约社会医疗成本。传统脑卒中患者康复治疗方式主要是侧重鼓励患者以健侧带动患侧做被动运动的各种神经发育促进术，如：Bobath 技术、Brunnstrom 技术、Rood 技术、生物反馈治疗等，这些疗法都有助于脑卒中后患者运动功能的恢复[7]。但脑卒中康复治疗的最终目的是使患者回归家庭、回归社会。脑卒中患者进行了系统的康复治疗后依然在日常生活能力等方面存在明显障碍，很难以正常的方式融入家庭、社会生活，甚至简单的通过马路都有较大困难。所以康复治疗不应仅是训练患者提高其肢体功能，还需将环境和社会作为一个整体参与到康复训练中，以利于他们重返社会，但传统的康复治疗技术尚缺乏此类训练，无法实现这一目标。

3 双重任务训练是脑卒中康复治疗的新突破口

运动再学习的理论指出，受损中枢神经系统的功能恢复，依赖于重复性的、多样化的训练。同时执行两个任务即为双重任务(dual-tasking，DT)[8]。双重任务执行通常包含两个任务：主要的运动或平衡任务(例如行走、站立)以及分散注意力所需的次要任务。具备同时做两件或者多件事的能力在日常功能性活动中至关重要。注意力是一个多层面的认知结构，而分散注意力所需的次要任务则可由不同的形式构成，例如运动性任务(端着一杯水，转头)或是认知性任务(数字记忆，词语-颜色辨别)[9]。Al-Yahaya 等学者根据所执行任务的需求及心理过程把认知任务分为：反应时间任务，辨别和决定任务，计算任务，短期记忆和语言流畅性任务[10]。以运动为主的主要任务，分散注意力所需的次要任务，分别与二者结合的双重任务比较，能更好地洞悉初级和次要任务之间是如何互相影响的。双重任务能力被认为是一种评测年龄、疾病相关步态及平衡控制的新方法。除此之外，双重任务能力也被视为一种跌倒风险筛查的新手段[11]。这种治疗模式可根据患者的功能障碍状况，通过特殊任务训练，使患者在改善肢体功能障碍的同时能有效地适应真实社会生活环境。在众多的治疗方法中，结合运动和认知任务的双重任务训练以其多任务、多环境、针对性强等优点成为脑卒中康复治疗最有前景的方法，可弥补目前脑卒中康复治疗的不足。

4 功能磁共振成像技术

目前功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)的基本原理和基本方法是血氧水平依赖(blood oxygenation level dependent，BOLD)。功能性磁共振像是利用磁场的不均匀性，测量衰减信号。人体血氧饱和度及血流量的变化会导致大脑功能磁共振信号的变化，通过大脑能量消耗的情况反映神经元的活动。应用 fMRI 技术为探索人脑功能开辟一条崭新的道路，可以直接获得脑功能区的动态分子影像学数据，这为双重任务功能的神经理论机制提供了许多更直接的依据。

功能性神经影像学研究证明，与基线状态(例如静息状态)相比，一些大脑区域在广泛的认知任务中显示出与任务无关的失活[12]。这些大脑区域包括后扣带皮层，内侧前额叶皮质，腹侧前扣带皮层和侧顶叶皮质。它们被认为是反映大脑功能的默认模式，并构成一个默认模式网络(DMN)[13](图1)。最近的研究表明DMN可能与信息的收集和评估，自我指涉心理活动，情节记忆的提取，情绪和焦虑有关[14]。DMN 与监测内外环境、维持自我意识、自发性思维的产生以及对情景记忆、认知、情绪的加工等密切相关，并且随着年龄的增长而趋于成熟。

图1 静息状态大脑功能连接的默认模式网络

5 双重任务训练结合FMRI 对脑卒中神经恢复机制

虽然DT 行为的行为效应已经得到很好的描述，但在卒中后行走期间认知运动干预的神经基础并不清楚。研究发现，通常有跌倒史和跌倒风险的社区老年人在边走路边说话时(双重任务条件)与其仅需步行时(单一任务条件)相比，这些老年人的步行速度及平衡控制能力明显下降[15]，这正是因为大脑受到双重任务干扰，所有的双重任务情况都需要控制干扰和在两个相互竞争的任务之间切换。两个任务之间的资源重叠量决定了神经激活模式。资源或流程重叠越多，这两个任务之间的干扰就越大。复杂的双重任务干扰需要激活的大脑区域具有大量重叠[16]。研究发现[17]，人们在同时处理两项任务的效力降低可能是由于额叶前部大脑皮层和额上皮层不能正常发挥功能所致。随着任务难度增加，大脑需更多的区域传递活动信息。在执行相对复杂的双重任务时，其他脑区如右侧的小脑蚓部、左小脑前叶和楔前叶较之单一的任务条件下有更多激活[18]。值得注意的是，Szameitat 等[19]在健康人群的研究中发现，参与者在进行运动和认知任务结合训练后激活增加的脑区甚至包含了双侧中央前后回，枕叶梭状回，左侧额极，小脑以及右顶叶。Emad Al-Yahya 等[20]发现与脑卒中患者相比，健康对照组在执行双重任务中显示出增加的正相互作用区域包括双侧舌侧回，小脑右侧回，右楔前叶皮质，左中央后回和右侧颞下回。与健康对照相比，卒中患者中积极相互作用增强的部位包括双侧颞下回，双侧额上回，双侧扣带回和右侧中央前回。

步行能力衰退在脑卒中患者中很常见，在双重任务条件下，例如步行时执行辅助认知干扰任务时，步态表现差。对于脑卒中后患者，有一些下肢运动的fMRI 实验设计，这些研究报告发现大多数患者进行下肢运动时，大脑活化区域一致，即：初级和次级运动和感觉皮层，辅助运动区域，扣带运动区域，小脑和基底神经节[21]。关于执行双重任务期间的大脑激活，研究发现认知控制的额顶叶激活网络。Holtzer 等[22]观察到，在执行双重任务期间额前区域激活增加。Jennifer Yuan 等[23]学者使用静息态功能磁共振成像(fMRI)检查了脑卒中患者单任务(步行)和双重任务(说话时步行)条件下与步态速度相关的大脑功能连通性，发现在两个任务条件下的步态速度与感觉运动，视觉，前庭和左额叶、顶叶皮质区域中的功能连接相关。与单任务条件下的步态速度相比，在双重任务条件下与步态速度相关的大脑网络与辅助运动区域和前额区域中具有更大的功能连通性。

执行功能是一组需要注意配合的过程，用于监控和协调涉及规划，推理，或选择。双重任务能力的表现通常归因于由前额叶皮质所决定的执行功能，尤其受老化的影响[24]。双重任务能力被认为是执行职能的一个具体组成部分，其中包括将注意力分配给相互竞争的任务需求。与年龄相关的执行功能下降，包括双重任务表现，通常归因于前额叶皮层区域的功能效率降低，并且由于卒中患者任务难度增加而导致前额叶皮质激活减少[25]。另一项研究发现在执行双重任务时增加认知任务难度，楔前叶激活增加。当比较复杂的步态任务(例如步行跨越障碍)与较不复杂的步态任务(例如单独步行)对比时，也观察到楔前叶的激活增加[26]。在前额叶皮层区域以及解剖学上与前额叶皮质连接的小脑和楔前叶区域的激活也随着任务难度而增加，并且与执行双重任务期间的运动和认知表现相关[27]。

人类脑功能连接研究的最新证据表明，小脑参与运动控制和在认知过程中涉及皮层的感觉运动区功能连接。随着任务难度的增加，脑区激活情况大多在双侧小脑，双侧楔前叶和额前皮质(右上额回/ SMA，额中回和额下回/前中央)区域[28]。Hamacher 等[29]最近对行走和认知-运动双重任务中的脑激活进行研究确定了大量涉及的大脑区域，并能够将它们分为直接运动路径和间接运动路径。直接运动通路允许通过主要运动皮层，小脑和脊髓调节运动，而间接通路允许通过前额叶皮层，前运动区域和基底神经节调节运动。特别是具有目标导向的双重任务的运动激活与间接途径相关联，并且在包括扣带皮层，顶叶面积和脑岛的额叶神经网络中激活增加。众所周知，执行认知任务激活与其相关联的大脑网络，该网络由一系列共同的额叶-顶叶皮层区域组成[31]，即前扣带皮层/前置运动区域，背外侧前额叶皮层，下额叶连接部，前岛叶皮层，背前运动皮层和后顶叶皮层。一些研究发现这个网络也涉及认知-运动双重任务。

关于大脑水平上的认知-运动双重任务激活情况，顶叶似乎与其他感兴趣区域有所不同。顶叶激活与多任务和任务切换性能相关联，并且在注意力需要分配时起到至关重要的作用。研究表明[32]，参与者在单一任务条件下的变量越多，顶叶区域被激活得越多。在双重任务条件下，缓慢步行的参与者激活顶叶区域到更高的程度。此外，顶叶激活在双重任务期间表现出较低的步行速度和较低的执行控制。

6 展望

脑卒中后皮质运动功能区受损，导致不同程度的运动功能障碍，是其致残的主要原因。大量研究发现通过双重任务训练可以激活相应的脑内运动皮层网络，进而改善患者执行双重任务的能力。基于以上fMRI 研究，双重任务训练和单一任务训练后病人的脑区激活范围均会发生变化，且双重任务训练后脑区激活范围更广。较之单一任务条件下训练，进行双重任务训练，额叶、顶叶皮质区域，右侧的小脑蚓部、左小脑前叶和楔前叶有更多激活。通过fMRI 研究推测，患者执行双重任务时大脑可能通过多模态整合激活相应脑区，以实现更好的神经功能重塑。通过此次的论述希望以探讨双重任务训练后双重任务能力的神经恢复机制，为双重任务疗法的推广提供有效依据，为发展新疗法增添神经重塑循证医学证据。