NeuroImage|双重任务中皮层激活和脑网络效率:一项fNIRS研究

摘要

目的：双重任务(DT)是一种常用的指示执行功能范式。DT行走时的脑活动通常采用便携式功能近红外光谱(fNIRS)测量。以往的研究主要集中在前额叶皮层的激活，而忽视了大脑的其他区域，如感觉运动皮层。本研究旨在探讨不同复杂程度的单任务和双任务中大脑皮层激活和脑网络效率的调节及其与DT表现的关系。

方法：健康成人42例[男性12例;平均年龄:27.7 (SD=6.5)岁]参加本研究。受试者使用便携式 fNIRS 同步记录执行行为任务。行为任务分为三部分:站立认知任务(3’s和7’s的连续减法)、单独行走任务和DT(边走边减法，包括3’s和7’s的连续减法)。计算DT的认知成本、步行成本和成本总和(即认知成本和步行成本之和)。计算每个任务的皮质激活、局部和全局网络效率。

结果：与7’s相比，减法3’s的DT过程中认知成本更高，步行成本更低(P分别为0.032和0.019)。单任务和双任务对皮层激活和网络效率的调节存在差异(P < 0.05)。DT时前额叶激活与DT成本呈正相关，网络效率与DT成本负相关(P < 0.05)。

结论：我们的研究结果表明，在DT表现不佳的个体中，前额叶过度激活和网络效率降低。我们的发现表明，网络效率的降低可能是导致DT表现不佳的一种机制，这伴随着代偿性前额叶过度激活。

1. 引言

双重任务(DT)范式是指同时完成两个不同的任务，这表明执行功能通过将注意力资源分配给同时完成的任务而发挥着至关重要的作用。在各种DT范式中(如认知-认知DT、认知-运动DT等)，DT 步行[即边走边执行另一项任务(通常是认知任务)]是一种普遍研究的DT 范式，它类似于日常生活中的活动，边走边聊天、思考或打电话，对于功能和社区活动至关重要。

DT性能通常由DT成本来量化，DT成本是指从参考单一任务条件对DT性能进行的任何修改。DT成本的潜在机制仍不清楚，它被描述为对注意力资源的竞争或对信息处理神经通路的竞争。DT步行的DT成本包括步行成本和认知成本，它们提供有关任务优先级的信息，并被认为受任务复杂性的影响。但DT期间任务优先级如何受到任务复杂性的影响仍存在争议。一些研究表明，健康受试者倾向于牺牲在认知任务上的表现，以优化他们的步态，平衡更复杂的认知任务(“姿势优先”策略)。然而，其他一些研究对“姿势优先”策略提出了挑战，并报告了健康受试者在进行更复杂的认知任务时，倾向于更多地关注认知任务，并减慢其行走速度(“姿势第二”策略)，这需要进一步的研究。

DT步行涉及控制和调节行为(包括执行功能、步态控制、注意力分配等)的高级认知过程，这需要激活多个皮质区域，如前额叶皮质(PFC)、初级运动皮质、辅助运动皮质和体感皮质等。不同皮质区域(如PFC和感觉运动皮质)之间的网络效率和功能连接，也被认为是涉及DT步行的皮质过程的关键，这为研究DT行走过程中不同大脑区域之间的相互关系提供了一个新的视角。因此，研究DT步行过程中的皮质激活和功能连通性，将为研究认知资源在步态控制和认知任务之间的分配提供脑调节机制。

功能近红外光谱(fNIRS)是一种成熟的非侵入性工具，能够同时测量多个大脑皮层区域的大脑激活和功能连接。与传统的神经成像技术如fMRI相比，便携式fNIRS对运动的限制更小，对运动伪影的鲁棒性更强，已被广泛应用于DT步行研究。先前的研究通常集中在DT行走过程中的PFC活动，并报道了与单一任务相比，DT行走过程中PFC激活增加，而在之前的DT行走研究中，PFC以外的大脑区域，如感觉运动皮层，往往被忽视。此外，关于从单一任务到双重任务的功能连接调节的研究较少。最近的一项研究报告称，与单独行走相比，DT行走期间PFC内的功能连通性有所增加，但未测量PFC外的功能连通性。除了研究从单一任务到双重任务的大脑活动调制外，之前的研究还比较了认知负荷增加时DT步行任务中大脑激活的差异，并报告了健康成年人在DT步行期间，向后数7比向前数1或向后数1时PFC激活更大，这表明在执行更复杂的认知任务的DT步行过程中，PFC募集增加。然而，上述研究没有测量PFC以外的大脑区域的活动，也没有包括功能连接测量。因此，需要系统地研究不同复杂程度的，从单任务到双任务的多个脑区的大脑激活和功能连接的调节。

DT行走期间的大脑激活和功能连接被认为与一个人的认知状态和执行功能有关。先前的研究报告称，与健康的年轻人相比，认知能力下降或中风的人在DT步行过程中PFC过度激活。Wagshul等人报告说，健康老年人在DT步行过程中PFC激活增加与额叶灰质体积减少有关。这些结果表明，在需要分配更多注意力资源来同时执行认知和行走任务的个体中，PFC过度激活可能是一种补偿机制，并且表明大脑资源利用效率低下，同时行为表现下降。因此，充分的功能连接和网络效率可能是提高DT性能更有效的策略。

在这项研究中，我们调查了健康成年人在不同复杂程度的DT行走过程中的行走和认知成本，并使用便携式fNIRS研究了从单任务到双任务的PFC和感觉运动皮质中，大脑激活和功能连接的调节，及其与DT表现的关系。我们的假设是(1)认知任务越复杂，个体在DT行走过程中对认知任务的关注程度越高，行走速度越慢，PFC激活程度越高；(2)与单一任务相比，DT行走时大脑激活和网络效率更高；(3) DT表现较差的个体在DT步行过程中表现出PFC过度激活和脑网络效率降低。目前的研究结果将揭示大脑激活和网络效率在 DT 步行过程中所发挥的作用。

2. 材料与方法

2.1被试

共有42名健康成年人[12名男性；平均年龄：27.7(SD=6.5)岁]参与了本研究。基于我们的初步数据，通过使用G-Power软件(3.1版）进行功率分析来确定样本量。在入组前获得书面知情同意。这项研究是按照《赫尔辛基宣言》规定的标准进行的。所有程序均经广东省人民医院人类研究伦理委员会批准。纳入标准为无疾病、损伤或既往手术可能影响行走、听力或说话。

2.2 行为任务

这是一项单期观察性研究。受试者使用便携式fNIRS同步记录行为任务。行为任务包括三个部分:站立时的认知任务、独自行走时的认知任务和行走时的认知任务(即DT)。尽管姿势控制研究将站立时执行认知任务作为DT条件，但在本研究中，这种情况被视为单一任务条件，因为站立对健康年轻人的认知和