老年人在认知-平衡双任务下的皮质激活特征

阚超杰， 郭川， 朱仕哲， 眭有昕， 王庆雷， 庄任， 耿阿燕， 王彤

1.南京医科大学康复医学院，江苏南京市 210000；2.常州市德安医院，江苏常州市 213000；3.南京医科大学第一附属医院，江苏南京市 210000

0 引言

世界范围内老年人跌倒的发生率逐年增高[1]，因跌倒造成的老年人残疾和死亡也成为一个重要的公共卫生问题[2]。平衡功能衰退是导致老年人跌倒的主要因素之一[3]。

平衡是在运动或受外力干扰时，自动调整姿势并保持身体稳定的能力[4]，需要视觉、前庭觉和本体感觉等感觉信息传入大脑皮质，经整合后输出至骨骼、肌肉等运动系统得以实现[5]。老年人肌肉和大脑皮质均会发生萎缩，运动、感觉和认知功能也随之衰退，导致平衡功能受损，增加跌倒发生风险[6]。

实际生活中，平衡控制往往伴随着认知任务，如站立时思考、行走时说话，这种额外的认知负荷会影响大脑对运动和感觉系统信息整合的能力，提升了平衡控制的难度，增加跌倒风险[7-9]。认知-平衡双任务范式可以探索认知对平衡控制的影响[10-11]，测量身体压力中心(center of pressure, COP)的位移、摇摆速度和摇摆轨迹、维持或恢复平衡所需时间等[12-15]。

功能性近红外光谱技术(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)是一种无创脑成像工具，可检测大脑氧合血红蛋白(oxy-hemoglobin, HbO)、还原血红蛋白(reduced hemoglobin, HbR)和总血红蛋白(total hemoglobin, HbT)的水平，实时监测多种任务过程中大脑皮质各功能区的激活[16]。因其具有较好的抗运动干扰特点，可以在认知-平衡双任务期间实时、同步观测感兴趣区(regions of interest, ROI)血氧浓度变化，已成为双任务范式研究的新兴技术[17-19]。

本研究采用fNIRS 观察老年人执行单任务和双任务时平衡和大脑皮质激活程度，探索老年人认知-平衡双任务的潜在中枢机制。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2023 年1 月至4 月，于社会不定向招募健康老年人。

纳入标准：①年龄≥ 60 岁；②小学及以上学历；③能独立站立10 min以上；④自愿参与本研究。

排除标准：①中枢神经系统疾病；②下肢运动功能障碍；③视觉、前庭觉和本体感觉障碍；④蒙特利尔认知评估量表(Montreal Cognitive Assessment, Mo-CA) ＜ 26分。

最终纳入20例，其中男性9例，女性11例；年龄(66.10±4.59)岁；体质量指数(22.91±2.31) kg/m2；Mo-CA评分(27±0.75)分。

本研究经常州市德安医院伦理委员会审批(No.CZDALL-2023-002)，并在医学研究备案登记信息系统备案(No.MR-32-23-037205)。所有受试者均签署知情同意书。

1.2 方法

1.2.1 双任务测试

认知任务采用心算报数任务。任意选择一个超过200 的3 位数，让受试者在规定时间内尽可能快速、准确地报出连续减7 的答案，记录正确减7 答案的次数。

平衡任务采用改良感觉整合和平衡临床测试(modified Clinical Test of Sensory Interaction on Balance, mCTSIB)。

两者结合，设置6 项任务，每项任务均持续120 s；前40 s 和后40 s 均为休息任务睁眼稳定平面站立；中间40 s 为测试任务，分别为闭眼稳定平面站立(close eyes & fixed platform, CF)、闭眼稳定平面站立同时进行认知任务(close eyes & fixed platform & cognitive task, CFc)、睁眼不稳定平面站立(open eyes &sway-referenced platform, OS)、睁眼不稳定平面站立同时进行认知任务(open eyes & sway-referenced platform & cognitive task, OSc)、闭眼不稳定平面站立(close eyes & sway-referenced platform, CS)以及闭眼不稳定平面站立同时进行认知任务(close eyes & swayreferenced platform & cognitive task, CSc)。

1.2.2 行为学数据采集

使用Balance SD 动静态平衡测试训练系统(美国BIODEX公司)采集任务过程中的平衡数据，记录总稳定性指数(overall stability index, OSI)。OSI越大，平衡能力越差。

Balance SD 可以提供稳定站立平面和难度为1～12的不稳定站立平面，本研究不稳定平面选取最低难度12。受试者佩戴fNIRS 采集帽，双眼正视前方，双手垂于身体两侧，双足自然分开，舒适站立于平衡仪上。40 s 后，受试者按要求执行单任务或双任务。单任务要求受试者尽量保持平衡，双任务中平衡任务和认知任务不设置优先级，受试者尽量在保持平衡的同时完成计算任务。

1.2.3 fNIRS数据采集与分析

采用NirSmart-3000A 型便携式近红外成像设备(丹阳慧创医疗设备有限公司)，采集帽由19 个发射探头和16 个接收探头组成46 通道，通道距离3 cm，参考国际脑电图10-20 系统定位，ROI 为左侧感觉运动区(left sensorimotor cortex, LSMC)、右侧感觉运动区(right sensorimotor cortex, RSMC)、左侧运动前区(left premotor cortex, LPMC)、右侧运动前区(right premotor cortex, RPMC)、左侧前额叶区(left prefrontal cortex, LPFC)和右侧前额叶区(right prefrontal cortex, RPFC)。见图1。采样频率≥ 11 Hz，光源波长730 nm 和850 nm。

图1 fNIRS通道和ROI定位

采用NirSpark 软件进行fNIRS 数据分析。样条插值法去除运动伪迹，信号标准差阈值为6，峰阈值为0.5。0.01～0.1 Hz 带通滤波过滤心跳、呼吸、梅尔波等生理噪声。采用修正的Beer-Lamber 定律将滤波后的光密度数据转换为HbO 的浓度。设定基线为-10～0 s，区块长40 s，使用区块平均对HbO 浓度数据进行处理。采用一般线性模型计算β 值，作为衡量对应通道区域激活的指标。

1.3 统计学分析

采用SPSS 25.0 进行统计学分析。采用Shapiro-Wilk 检验数据的正态分布，计量资料符合正态分布，以(±s)表示，采用配对样本t检验；不符合正态分布，以M(Ql,Qu)表示，采用两相关样本Wilcoxon符号秩和检验。由于存在多个ROI，结果采用Benjaminiand Hochberg 法进行多重比较矫正。显著性水平α= 0.05。

2 结果

2.1 OSI

CFc 时OSI 大 于CF 时(P＜ 0.05)；OSc 和OS 时OSI 无 显 著 性 差 异(P＞ 0.05)；CSc 时OSI 小 于CS 时(P＜ 0.05)。见表1。

表1 单任务与双任务时OSI比较(n = 20)

2.2 ROI激活

CFc 时双侧各ROI 的β 值均大于CF 时(P＜ 0.05)；OSc 时双侧ROI 的β 值均大于OS 时(P＜ 0.05)；CSc 时仅RSMC 的β 值大于CS 时(P＜ 0.05)，其余ROI的β 值无显著性差异(P＞ 0.05)。见表2。

表2 单任务与双任务时ROI的β值比较

2.3 心算结果

CSc 时计算正确次数最低(P＜ 0.05)；CFc 和OSc时，计算正确次数无显著性差异(P＞ 0.05)。见表3。

表3 心算报数任务计算正确次数比较

3 讨论

mCTSIB 可以反映被试在睁眼、闭眼或站立平面稳定、不稳定的情况下的平衡能力，从而分析视觉和本体感觉对平衡能力的影响[20]。本研究显示，在仅视觉受限时，老年人双任务时较单任务时平衡功能下降；在视觉和本体感觉同时受限时，老年人双任务时平衡功能反高于单任务时，但此时的认知任务表现却比仅视觉或仅本体感觉受限时更差。Lacour 等[21]的注意资源竞争模型提出，注意力资源有限，在执行双任务时认知任务和平衡任务竞争注意力资源，导致其中一项或两项任务表现下降。当平衡任务难度提升时，双任务下老年人可能更关注自身姿势的稳定性，预防跌倒，平衡能力反较单任务时更高，而认知任务表现则相对较差。此前研究显示，双任务下，健康老年人会优先考虑安全姿势和平衡控制[22]。段林茹等[14]也认为，在认知-平衡双任务中，被试会优先优化与平衡相关的感觉系统。

SMC、PMC、PFC 与认知-平衡双任务密切相关。SMC 包含初级感觉皮质区(S1)和初级运动皮质区(M1)，同时负责肢体运动时感觉信息的接收和处理以及运动指令的传达[23]。PMC 负责运动准备和感觉引导，直接参与人体的姿势控制[24]。PFC 与认知和执行功能相关，负责平衡过程中的姿势调整策略[25]。St-Amant 等[26]认为，双任务时由于认知负荷，老年人需要募集更多的皮质资源同时完成认知和平衡任务。Fujita等[27]也发现，老年人在执行认知-平衡双任务时，RPFC 激活较单任务更明显。本研究显示，仅限制视觉或本体感觉时，双任务下，双侧SMC、PMC 和PFC 的激活程度均要高于同类型单任务，与前人研究结果一致；如果同时限制视觉和本体感觉的双任务中，仅RSMC 较同类型单任务激活更多。这可能是由于高难度平衡任务已经使老年人脑区激活达到较高水平，施加认知负荷并不能进一步提高激活程度。St George 等[28]发现，随着老年人双任务难度增加，当皮质资源的使用接近极限时，PFC 激活趋于稳定，平衡任务和认知任务表现均下降。但Marusic 等[29]发现，随着平衡任务难度提升，老年人背外侧前额叶区激活程度高于年轻人。大脑皮质激活程度可能与双任务中平衡任务的类型和难度相关，低难度时皮质激活程度增加，高难度时皮质激活程度趋于稳定。双任务干预训练可以更有效降低执行双任务期间的跌倒风险[30]。双任务训练可以改善老年人平衡能力，预防跌倒发生[31-32]。

本研究样本量较小。未来将扩大样本量，区分认知任务难度和类型，进一步探索老年人在双任务下大脑皮质激活特征，为老年人跌倒预防提供更多参考。

4 结论

老年人在双任务下平衡能力下降，大脑皮质激活增加。随着平衡任务难度提升，老年人在双任务下会优先保持姿势平衡，认知表现下降，大脑皮质激活程度也不再增加。

利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。