太极拳与步行对脑网络的影响

太极拳（运动‐认知训练）与步行对脑网络的不同影响：一项针对60岁中国女性的静息态fMRI研究

摘要

背景 ：本横断面研究旨在探讨长期参与不同类型的体育锻炼是否会对静息态脑网络产生不同的影响。特别是，我们研究了长期练习太极拳或步行的老年女性在静息态功能连接指标上是否存在差异。
方法 ：我们招募了20名定期练习太极拳的（TCC组）老年女性和22名定期步行的（步行组）老年女性。TCC组和步行组均接受了静息态功能磁共振成像（rs‐fMRI）扫描。所有参与者的rs‐fMRI数据采用独立成分分析进行分析。年龄和受教育年限被作为协变量纳入分析。
结果 ：TCC组与步行组在rs‐fMRI的默认网络、感觉运动网络和视觉网络中存在显著差异（p < 0.05）。
结论 ：当前研究的结果表明，长期练习不同类型的体育锻炼（太极拳 vs. 步行）对老年女性的脑功能网络和脑功能可塑性具有不同的影响。我们的研究结果鼓励进一步研究探讨静息态功能连接的这些差异是否因体育锻炼类型的不同而对神经系统疾病的预防具有意义。

关键词 ：锻炼；太极；独立成分分析；脑功能；认知

1. 引言

认知障碍是当今最大的健康威胁之一，导致老年人日常生活能力丧失和生活质量下降[1,2]。大多数成年人随着年龄增长会出现认知衰退[3–7]，而超出正常年龄相关范围的认知表现下降则与痴呆和阿尔茨海默病等神经系统疾病相关。痴呆和阿尔茨海默病已成为中国常见的慢性疾病[8,9]。有趣的是，文献中有充分的证据表明，在阿尔茨海默病等神经系统疾病中，静息态功能连接（例如，默认模式网络（DMN））存在显著变化[10–16]。这些静息态功能连接的变化非常重要，因为它们与认知表现的变化相关联[13,14,17,18]。这些静息态功能连接的变化似乎也与日常生活任务（如活动能力）高度相关，因为在患有轻度认知障碍（MCI）的个体中，已观察到默认模式网络和感觉运动网络连接的变化与生活空间移动性的变化相关。

为了预防轻度认知障碍（MCI）和阿尔茨海默病等神经系统疾病，建议改变生活方式因素，其中提高习惯性身体活动水平[20]被认为具有重要作用。增加习惯性身体活动水平通常通过体育锻炼来实现，而体育锻炼总体上可促进身体素质的提升，并对神经认知产生积极影响[21]。在静息态功能连接指标方面，先前的研究表明，较高的心肺适能水平与默认模式网络（DMN）增强相关，且DMN中功能连接水平的提升介导了心肺适能水平与认知表现之间的关系[22]。此外，研究还发现，12周步行训练可提高轻度认知障碍个体的功能连接[23]。上述证据表明，体育锻炼（如步行等有氧运动）通常有助于提高体能（如心肺适能），对改善功能连接有益，进而可能有助于预防或延缓阿尔茨海默病的发生。有趣的是，文献中也有证据显示，运动‐认知训练（如太极拳）在改善认知功能方面优于单纯的有氧运动（如步行）；然而，迄今为止，关于长期运动‐认知锻炼（如太极拳）如何影响大脑功能参数（如静息态功能连接）的研究仍相对较少[24]。

太极拳（TCC）是一种东方多组分锻炼形式，结合了有氧运动、持续专注、深呼吸和放松。太极拳的特征是柔和、缓慢的动作以及身心合一。因此，在练习方面，太极拳吸引了更多的老年人。如今，太极拳已在世界范围内得到广泛认可。根据美国国立卫生研究院的统计，过去一年中有230万美国成年人在练习太极拳[3]。步行是一种安全、便捷且实用的锻炼方式，正在吸引全球越来越多的人群。适度步行可为身体带来诸多益处，例如促进血液中的葡萄糖利用、增加动脉弹性、改善外周血液循环、消除组织中的血流沉积，并帮助成年人保持良好情绪[25]。脑成像研究表明，体育锻炼或社交活动有助于提高老年人的认知能力，并优化大脑结构和功能[26]。然而，太极拳和步行锻炼如何对人脑及其功能产生不同影响的具体机制尚不明确。鉴于静息态连接作为大脑功能参数的重要性[27]，本研究旨在探讨长期太极拳训练和步行训练对静息态功能连接指标的影响，这可能增进我们对长期练习不同类型体育锻炼对脑功能影响的理解，并解释太极拳对认知功能的有益作用[24,28]。

2. 方法

2.1. 研究人群

本研究采用了先前研究中发表的相同样本，但研究目的不同[29]。具体而言，从中国苏州市招募了46名老年女性作为参与者。纳入标准包括正常听力、无严重身体疾病、无精神疾病家族史以及长期练习太极或步行。排除标准包括精神障碍、酒精中毒、药物滥用、肌肉骨骼损伤或神经系统疾病。在该人群中，有3名参与者因严重幽闭恐惧症（n = 1）和头部运动过大（n = 2）被排除。最终，42名参与者符合纳入标准。在入组前，向符合条件的参与者详细说明了本试验的相关信息（如研究目的、研究内容等）。所有自愿参加本研究的参与者均签署了书面知情同意书，该知情同意书已获得大学伦理委员会批准（批准号ECSU‐2019000209）。此外，所有研究程序均遵循最新版本的赫尔辛基宣言。

2.2. 功能磁共振数据采集

数据使用位于苏州大学附属第二医院影像中心的PHILIPS Ingenia 3T全身扫描仪进行采集。功能图像采用梯度回波平面成像（EPI）序列采集，扫描参数如下：TR = 2000 ms，TE = 30 ms，视野（FOV）= 220 mm × 220 mm，翻转角（FA）= 90°，矩阵大小 = 64 × 64，切片数量 = 36，层厚 = 4 mm，每序列总采集时间为400 s。对每位参与者生成低噪声模板T1，步骤如下：（a）将偏置校正和强度标准化图像通过三线性插值上采样至0.5 mm³；（b）计算初始平均图像，并通过仿射变换将T1脑掩模转换至该空间以生成脑掩模；（c）将每个插值后的图像刚性配准到平均图像（从其原始方向）；（d）重新计算另一个平均图像。最后两个步骤（c，d）重复四次，最终得到的平均图像即为该受试者的“模板”。每位参与者在扫描期间需保持头部和身体静止，所有磁共振成像操作均由经验丰富的放射科医生执行。

2.3. 数据预处理

采用Matlab 13b平台上的DPABI 4.3工具箱对静息态功能磁共振成像（fMRI）数据进行分析。预处理包括以下步骤：（1）数据格式转换；（2）去除前10个体积；（3）切片时间校正；（4）头动校正——每位参与者的头部运动均低于3 mm且3°；（5）空间标准化至标准蒙特利尔神经学研究所（MNI）空间，各向同性体素为3 mm × 3 mm × 3 mm；（6）平滑处理——使用8 mm × 8 mm × 8 mm半高全宽高斯核对标准化后的图像进行平滑。

2.4. 组独立成分分析

采用独立成分分析（ICA）在GIFT（功能磁共振成像独立成分分析工具箱）中对预处理的功能磁共振成像数据进行分析（图1）[30,31]。独立成分分析方法无需预先进行模型假设。首先，将所有参与者的观测数据按时间合并形成观测矩阵，然后使用独立成分分析算法将观测矩阵分解为混合矩阵和空间独立成分矩阵。混合矩阵按时间拆分，可获得每位受试者的独立成分分析时间序列，最后通过反向重构获得与每个独立成分分析时间序列对应的独立成分分析图[32]。根据所有受试者独立成分的平均图像以及Smith的研究中的独立成分分析模板，进行空间多元回归。基于每个独立成分的回归值，通过在默认模式网络（DMN）、感觉运动网络（SMN）和视觉网络（VN）中选择最匹配的模板，获得太极拳组和步行组静息态下的功能网络。

2.5. 统计分析

采用统计软件SPSS 19.0（IBM SPSS 公司，美国伊利诺伊州）对太极拳组和步行组之间的年龄和教育年限进行独立样本t检验。所有p值 < 0.05被认为具有统计学意义。所有测量值均以均值 ± 标准差表示。对于图像预处理，在统计参数映射12（SPM 12）软件（统计参数映射，惠康认知神经病学系，英国伦敦：http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm）中采用组内单样本t检验和组间独立样本t检验进行统计分析。组内采用族‐wise误差（FWE）校正，且体素大小大于20。两组单样本t检验结果的并集被视为两组脑功能图的比较范围。组间应用家族‐wise误差校正，当体素大小大于20时，脑区被定义为存在统计学显著差异。结果使用xjview和BrainNet查看器进行呈现。

3. 结果

3.1. 受试者特征

本研究中参与者的特征见表1。太极拳组包含20名专业女性太极拳练习者。参与者平均年龄为62.9 ± 2.38岁，受教育年限为9.05 ± 1.8年。她们每周练习杨式太极拳4 ± 1次，每次约1.5小时，持续6年。步行组纳入了22名女性，年龄为63.27 ± 3.58岁，受教育年限为8.86 ± 2.74年。在过去6年中，她们主要通过步行进行锻炼，每周不少于5次，每次不少于1.5小时。太极拳组与步行组在年龄（p = 0.193）、受教育年限（p = 0.074）、简易精神状态检查（MMSE）得分（p = 0.636）以及蒙特利尔认知评估（MoCA）得分（p = 0.83）方面均无显著差异。

表1. 研究参与者特征
	太极拳 (n = 20)	步行 (n = 22)	t	p
年龄（岁）	62.9 ± 2.38	63.27 ± 3.58	-0.393	0.193
教育（年）	9.05 ± 1.8	8.86 ± 2.74	0.188	0.074
利手（左/右）	0/20	0/22	-	-
MMSE	28.5 ± 1.1	28.14 ± 1.0	1.1	0.636
MoCA	28.4 ± 1.5	27.5 ± 1.5	1.94	0.83

缩写：MMSE = 简易精神状态检查；MoCA = 蒙特利尔认知评估。

3.2. 太极拳组与步行组之间的独立成分分析

我们观察到太极拳组与步行组在默认模式网络上存在显著差异（表2，图2），即使经过家族‐wise误差校正后仍具有显著性。与步行组相比，长期太极拳训练可增强楔前叶和中枕回的功能连接；而长期步行训练则可增强中颞回、内侧额叶和角回的功能连接。

表2. 太极拳（TCC）组与步行组的脑网络比较
脑区(自动解剖标记)	体素数量	最大差异点 MNI 坐标			t‐值在峰值处
		X	Y	Z
默认模式网络
楔前叶	1678	-6	-66	60	14.5392
中枕回	144	-36	-75	18	8.9566
中颞回	103	45	3	-45	-7.3819
内侧前额叶皮层	1957	6	51	39	-20.5336
角回	268	-57	-60	45	-9.2211
感觉运动网络
右侧下部枕回	28	42	-78	-12	4.9046
右侧辅助运动回	210	9	-15	36	6.6679
左侧中央后回	177	-48	-27	66	-6.864
右侧上回	73	21	-51	66	-4.999
视觉网络
左侧中枕回	1099	-24	-78	-15	11.4121
右侧中枕回	1288	18	-90	-9	12.0978
距状裂和周围皮层	443	-6	-51	3	-9.4966

注：t值在峰值点表示该脑区最显著的差异；蒙特利尔神经学研究所（MNI）坐标是通过蒙特利尔研究所标准模板空间计算得出的。

4. 讨论

本静息态fMRI研究采用独立成分分析方法，旨在探讨太极拳组与步行组在默认网络、感觉运动网络和视觉网络上的差异。研究结果表明，太极拳组和步行组的参与者在静息态fMRI的默认模式网络、感觉运动网络以及视觉网络上存在显著差异。

默认网络与情景记忆的选择性提取和分类相关，并在自我意识、自我认知等方面发挥重要作用。楔前叶和后扣带回作为默认网络的关键脑区，主要参与视觉‐空间想象、自我参照处理以及自传体记忆。额叶在大脑中尤为复杂，涉及多种高级认知功能（如记忆和情绪），而前额叶与其他默认模式网络脑区之间的连接与相互作用则参与更复杂的认知加工过程[35]。当多个网络有效交互以维持高水平的认知功能（如执行功能）时，该网络的有效性可能变得脆弱。内侧前额叶皮层作为前额叶皮层的一个亚区，在情绪处理、工作记忆和行为规划等高级脑功能中起关键作用。先前研究表明，6个月的有氧运动可增强老年人默认模式网络及额顶网络的功能连接，而12个月的有氧运动则增强了前额叶皮层与颞皮层、后扣带皮层（PCC）与中颞回，以及中颞回与海马旁位置区之间的功能连接，从而提升静息态下默认网络的功能效率[36]。6个月的有氧运动还可增加前额叶皮层的体积，选择性影响默认模式网络前额叶与中颞回之间的功能连接，延缓认知衰退[37]。在本研究中，尽管太极拳组内侧前额叶皮层的激活水平低于步行组，但在静息状态下，太极拳组的楔前叶功能连接激活水平高于步行组。这表明长期太极拳锻炼对楔前叶功能的影响更大。本研究还发现，太极拳组默认模式网络的激活水平高于步行组。鉴于默认模式网络介导了心肺适能对认知的影响，因此可以合理推测，太极拳组默认模式网络功能连接的增强至少部分解释了练习太极拳延缓认知老化的效应[22]。然而，这一假设仍需进一步研究验证。

中央后回作为躯体感觉系统的最高级中枢，接收来自全身的浅感觉和深感觉。中央后回的变化直接影响人体的感觉功能。此外，中央后回在注意功能中也起着重要作用。中央后回能够调节注意重定向，特别是当目标重新定位时[38]。尽管太极拳组的右侧后中心和右侧顶叶回的激活水平低于步行组，其功能在静息态下，太极拳组的左侧辅助运动区与右侧下枕回的功能连接强于步行组。当前研究表明，与步行锻炼相比，长期进行太极拳锻炼可能促进感觉运动激活。与此相关，Burzynska等人研究了20名专业舞者与20名年龄和教育年限相匹配的非舞者在运动学习网络中的功能连接差异，结果表明，专业舞者的动作观察网络激活程度更高，这与舞蹈技能和平衡能力相关[39]。枕回作为视觉网络的重要脑区，在处理听觉和触觉刺激中发挥重要作用，尤其与个体声音定位能力的准确性密切相关[40]。本研究显示，太极拳组的视觉网络激活程度高于步行组，提示规律的太极拳锻炼可能提高左侧和右侧中枕外侧回的激活水平。

太极拳作为一种中等强度、缓慢节奏和节奏性运动，正日益受到关注，被认为是一种可能有效的运动方法，可改善脑健康并延缓脑衰老[41]。早期研究发现，太极拳可能是预防脑体积减少和改善认知功能的有效方式[42–45]。Pieramico等人指出，多模态运动可成为预防与年龄相关的认知丧失的有效策略，老年人在功能和结构变化方面保持了显著的能力[45]。其他研究表明，规律的体育锻炼可能促进大脑结构[46]、脑功能[47,48]的变化，并缓解与年龄相关的认知衰退[49]。在大多数运动认知成像研究中，研究人员主要关注运动的短期效应，而非长期认知益处，特别是对于像太极拳这类适合中国人群文化的运动‐认知训练。衰老的一个重要特征是认知变化，这种变化伴随着大脑结构和功能的改变。本研究发现，太极拳运动可能是脑衰老的潜在调节因素，能够延缓人类衰老过程中神经系统的衰退。太极拳还有望成为一种有效的干预方法，以延缓脑结构的老化改变，并有益于身心健康。此外，阿尔茨海默病患者的静息态功能连接存在显著变化，基于我们关于太极拳对静息态功能连接指标具有积极影响的研究结果，可以推测太极拳可能是一种有前景的干预策略，用于预防或延缓这种神经系统疾病的发病[10–16]。

尽管众所周知认知能力会随年龄增长而下降，但关于认知衰退的潜在机制仍存在诸多争议。随着脑成像技术的不断发展，有必要通过多模态磁共振分析方法（如有效连接、纤维追踪和动态因果模型）进一步探索太极拳对老年人脑功能影响的脑机制。结合这些不同的研究方法将使我们能够更全面地理解太极拳对大脑的影响。

本研究的研究结果在解释时应考虑以下局限性。在当前研究中，我们招募了相对较小但同质的右利手老年女性样本，以避免性别效应和偏侧性效应。因此，基于本研究的样本，当前研究结果无法推广到老年男性。未来研究旨在探讨长期太极拳训练的认知（神经）益处时，也应关注老年男性，以考察性别的影响。

5. 结论

我们的研究结果表明，太极拳和步行锻炼对默认模式网络、感觉运动网络以及视觉网络的脑网络具有不同的影响，可能对老年人的脑功能可塑性产生不同的作用。鉴于阿尔茨海默病等神经系统疾病中脑网络存在显著变化，本研究结果鼓励进一步开展研究，探讨长期太极拳训练干预是否能够预防或延缓此类神经系统疾病的发生。