太極拳練習對慢性非特異性下背痛患者作用的事件相關電位研究

劉靜 趙文楠 袁詠虹

1上海體育學院（上海200438）2燕山大學

臨床上，85%的下背痛患者均屬于非特異性下背痛（non-specific low back pain，NLBP）[1]。非特異性下背痛是指一組以下背部、腰骶部、臀部的神經(jīng)、肌肉和骨骼的功能紊亂并以疼痛為主要癥狀的綜合征。目前，非特異性下背痛的發(fā)病機理尚不清晰，由于缺乏外周病理學的充分依據(jù)，中樞敏化作用成為疼痛進展的解釋，其機制是脊髓水平的興奮性神經(jīng)遞質增加，影響了脊髓丘腦通路上的疼痛知覺以及改變了至上而下的大腦疼痛控制。近些年來，國際指南建議多模式的認知行為治療方案可能是減少疼痛和障礙的最為有效可行的方法。其中，作為加強脊柱穩(wěn)定和姿勢穩(wěn)定的多種運動模式成為治療方案中的重要因素。但是，下背痛疼痛和障礙的減少，與認知加工過程中中樞皮層興奮性的變化存在何種關系，亟需深入地研究。

太極拳是中國傳統(tǒng)武術，其獨特的運動方式和形、神、意、氣的調節(jié)方法，被廣泛應用于康復醫(yī)學領域，作為補充和替代醫(yī)學治療方法之一，受到廣泛關注。前期研究觀察和論證了太極拳對免疫機能、姿勢控制、心理健康的作用[2]；已有研究表明，太極拳運動對下背痛具有正性調節(jié)作用，這與太極拳對肌肉、骨骼、關節(jié)的穩(wěn)定性和神經(jīng)肌肉的控制作用密切相關[3-6]。但是，太極拳運動是否通過改變患者大腦皮層認知加工的過程，從而影響對疼痛的判斷和認知，目前尚未見報道。

事件相關電位是通過平均疊加技術從頭顱表面記錄大腦誘發(fā)電位來反映認知過程中大腦的神經(jīng)電生理改變。本研究運用事件相關電位技術，采用日常容易產生下背痛動作的視覺刺激圖片的運動想象認知任務，同時判斷疼痛級別（疼痛是一種復雜的主觀感覺），利用動作表象（基于運動計劃和預測的對實際運動的認知模擬）所產生前饋反應的高級認知加工過程，觀察12周陳式太極拳練習、核心穩(wěn)定訓練對大腦頂區(qū)（Pz）、額區(qū)（Fz）、中央?yún)^(qū)（Cz、C3）和枕區(qū)（Oz）P300波幅和潛伏期的影響，探討太極拳運動治療方法對患者疼痛影響的認知機制，從中樞神經(jīng)控制的角度為下背痛運動治療理論和應用提供依據(jù)。

1 研究對象與方法

1.1 實驗對象

根據(jù)NLBP的診斷標準[7]，從上海體育學院骨科醫(yī)院康復科和楊浦周邊社區(qū)招募非特異性下背痛患者45名，其中男性8例，女性37例；年齡在47～64歲之間，平均年齡57.53±1.73歲。病程≥3個月，臨床診斷未見椎間盤明顯異常。

45例患者隨機分成3組（太極拳組、核心訓練組和對照組），每組15人。在整個實驗干預、實驗測試過程中，受試者因病、家中有事中途退出3人；對有些波形干擾過大、記錄不清晰導致無法識別或損壞的數(shù)據(jù)進行修復和還原，并剔除2人損壞數(shù)據(jù)，最終進入數(shù)據(jù)統(tǒng)計的人數(shù)為：太極拳組14人，核心訓練組13人，對照組13人。實驗對象基本情況見表1。

表1 實驗對象基本情況

1.2 入選標準

①年齡18～65周歲，知情同意，能滿足研究條件，語言無障礙，且愿意配合者；②受試者均為無需外界輔助能夠進行自由行動的慢性下背痛患者；③無重大疾病，生命體征穩(wěn)定，意識清醒者；④通過實驗室、影像學檢查或骨密度測量等排除骨關節(jié)系統(tǒng)可引起下背痛的疾?。ㄈ纾焊腥?、腫瘤、風濕性關節(jié)炎等）。

1.3 排除標準

①視覺模擬量表評分（visual analogue scale，VAS）在8分以上；②嚴重肝、心、肺、腎功能不全，腫瘤；③既往有精神疾病或有腦血管疾病；④影響受試者本體感覺的神經(jīng)、骨骼、肌肉系統(tǒng)疾??；⑤未能按照實驗要求堅持太極拳鍛煉者；⑥在實驗前有規(guī)律性體育鍛煉者。

1.4 訓練方案

太極拳組：練習內容以陳式太極拳16個動作組成：預備式、起勢、金剛搗碓、懶扎衣、云手、雙推手、倒卷肱、白鶴亮翅、斜行、閃通臂、斬手、掩手肱捶、六封四閉、單鞭、轉身金剛搗碓、收勢。運動方案的設計主要采用陳式以腰為軸、多順逆纏繞的螺旋運動的特點，通過進步、退步、斜行步和重心虛實的轉化刺激腰部和脊柱肌肉、關節(jié)、韌帶、筋膜和神經(jīng)的活動。訓練周期為12周，每周3次（隔日1次），每次60分鐘。前4周進行樁功練習和單個動作學習；第4～8周進行單個動作學習和組合練習；第8～12周進行組合練習和成套練習。

核心訓練組：利用瑞士球進行核心穩(wěn)定性訓練，該套訓練共6組動作：雙橋運動、單橋運動、雙屈膝狀態(tài)下的雙橋運動、雙屈膝狀態(tài)下的單橋運動、反橋運動、髖膝關節(jié)屈曲狀態(tài)下的反橋運動。由具有8年經(jīng)驗的康復治療師進行治療跟蹤，訓練周期為12周，每周3次（隔日1次），每次60分鐘。前4周進行單個動作學習；第5～12周進行單個動作重復練習[8]。

對照組：對照組保持既有的生活方式，不進行任何有規(guī)律的體育運動。

訓練方案實施期間，受試者無其他康復治療干預。

1.5 事件相關電位（event-related potential，ERP）實驗設計及測試

圍繞本研究的目的，設計了一組運動想象認知任務。該認知任務主要是針對日常生活中常見的彎腰和跨越障礙動作。

1.5.1 視覺刺激材料分類

（1）側彎腰（左、右）；（2）前彎腰；（3）后伸腰；（4）彎腰拾物；（5）彎腰拖地；（6）跨越障礙。刺激圖片大小為6 cm×6 cm，視距約為50 cm。

1.5.2 實驗流程

實驗視覺刺激材料呈現(xiàn)程序由E-Prime 2.0編排（Psychology Software Tools Inc，Pittsburgh，USA）。所有的視覺刺激圖片以隨機的方式通過顯示器呈現(xiàn)給被試，要求被試想象自己做與圖片相同的動作，然后判斷疼痛感覺：不痛、痛、非常痛，并做出按鍵選擇。如果“不痛”，用左手食指按“A”鍵；如果“痛”，用右手食指按“K”鍵；如果“非常痛”，用右手中指按“L”鍵。行為學反應由E-Prime軟件記錄反應參數(shù)，同時將結果發(fā)送到腦電記錄儀，并將同步信號記錄在腦電圖（electroencephalogram，EEG）數(shù)據(jù)上。視覺刺激圖片的呈現(xiàn)間隔為500 ms（ISI:interstimulus interval），在此期間呈現(xiàn)黑色“+”為提示信號，隨后隨機呈現(xiàn)一個刺激圖片，直到被試做出判斷并做出按鍵反應后消失。如此循環(huán)，直到所有圖片呈現(xiàn)完畢為一組實驗（Block）。實驗流程見圖1。

圖1 運動想象認知任務實驗流程示意圖

每一組（Block）包括25張視覺刺激圖片，每張圖片隨機呈現(xiàn)3次，共疊加呈現(xiàn)75張圖片；每組圖片根據(jù)被試反應不同，呈現(xiàn)時間大約為3分鐘，之后休息3分鐘，開始下一組實驗。整個實驗包括2組，總時長大約10分鐘。測試過程中，要求被試注意力集中，保持安靜狀態(tài)，并減少眨眼。

1.5.3 腦電數(shù)據(jù)記錄

采用德國Brain Products公司生產的64導事件相關電位測試系統(tǒng)，記錄視覺事件相關電位。兩臺DELL計算機。一臺用于運行試驗程序，記錄和采集行為數(shù)據(jù)，并給被試呈現(xiàn)刺激材料，分辨率為1024×768，刷新頻率為100 Hz。另一臺用于記錄和采集腦電數(shù)據(jù)。

電極的位置采用國際10-20系統(tǒng)進行安放。另有兩個電極分別用來記錄垂直眼電（ECG）和水平眼電（EOG）。腦電采樣率為500 Hz，濾波帶通為1.15～100 Hz。電極與頭皮間的電阻小于10 kΩ。測量頂區(qū)Pz、額區(qū)Fz、中央?yún)^(qū)Cz、枕區(qū)Oz、中央?yún)^(qū)C3點的P300波幅、潛伏期。

1.6 下背痛測試

下背痛評定采用Oswestry功能量表（Oswestry disability index，ODI），量表共分 10項，包括疼痛程度、個人照護、提重物能力、走路、坐、站立、睡眠品質、性生活、社交生活、旅行；每項0～6分，0分為完全不痛，6分為極痛及最嚴重程度失能[7]。

1.7 測試時間

分別于訓練前和12周訓練后進行上述指標測試。

1.8 統(tǒng)計學分析

應用SPSS17.0統(tǒng)計軟件對所得的數(shù)據(jù)進行處理，所有數(shù)據(jù)均用平均值±標準差（x±s）表示。三組內前后測數(shù)據(jù)比較采用配對樣本t檢驗，三組間比較采用單因素方差分析和獨立樣本t檢驗。P＜0.05表示差異具有統(tǒng)計學意義。

2 結果

2.1 P300波幅的變化

由表2可見，訓練前后各組組間比較，訓練前，太極拳組、核心訓練組和對照組Pz、Cz、Fz、Oz、C3點P300波幅差異均無統(tǒng)計學意義（P＞0.05）。訓練后，太極拳組Pz、Cz、Fz和Oz點P300波幅均高于對照組，且Pz點的差異具有顯著性（P＜0.05），Cz、Fz和Oz點的差異具有非常顯著性（P＜0.01）；C3點的差異無顯著性（P＞0.05）。核心訓練組與對照組差異不具有顯著性（P＞0.05）。太極拳組Fz點P300波幅高于核心訓練組，差異具有非常顯著性（P＜0.01），Pz、Cz、Oz和C3點的差異不具有顯著性（P＞0.05）。

自身訓練前后比較，對照組訓練前后各點P300波幅均無明顯變化。太極拳組Cz、Fz點P300波幅均有明顯提高，Cz點差異顯著（P＜0.05）；Fz點差異非常顯著（P＜0.01）；其他點差異不顯著。核心穩(wěn)定訓練后，各記錄點P300波幅均有不同程度的升高趨勢，但差異不顯著。

表2 訓練前后各組Pz、Cz、Fz、Oz、C3點P300波幅測試結果比較（μv）

2.2 P300潛伏期的變化

由表3可見，訓練前后各組組間比較，訓練前，太極拳組、核心訓練組和對照組Pz、Cz、Fz、Oz、C3記錄點P300潛伏期差異均無顯著性（P＞0.05）。訓練后，太極拳組Oz點P300潛伏期低于對照組，且差異具有顯著性（P＜0.05）；核心訓練組Cz、Fz點均高于對照組，且差異具有顯著性（P＜0.05）；太極拳組和核心訓練組各點P300潛伏期差異均無顯著性意義（P＜0.05）。

自身訓練前后比較，各點P300潛伏期差異均無顯著性（P＞0.05）。

表3 訓練前后各組Pz、Cz、Fz、Oz、C3點P300潛伏期測試結果（ms）

2.3 行為學結果

由表4可見，訓練前后各組組間比較，訓練前，太極拳組、核心訓練組和對照組之間疼痛等級各級別差異均無顯著（P＞0.05）。訓練后，太極拳組不痛頻次高于對照組，痛與非常痛頻次均低于對照組，差異非常顯著（P＜0.01）；核心訓練組和對照組之間差異均無顯著性（P＞0.05）；太極拳組不痛頻次高于核心訓練組，痛等級出現(xiàn)頻次低于核心訓練組，差異均具有顯著性（P＜0.05），非常痛差異不具有顯著性（P＞0.05）。

自身訓練前后比較，太極拳組鍛煉后，患者不痛頻次增加，非常痛頻次減少，差異非常顯著（P＜0.01），痛出現(xiàn)頻次也減少，但差異不顯著（P＞0.05）。核心穩(wěn)定訓練后，雖然不痛頻次增加，痛與非常痛頻次減少，但差異均無顯著性（P＞0.05）。對照組實驗前后，疼痛各等級頻次差異不顯著（P＞0.05）。

表4 訓練前后各組疼痛等級頻次均值測試結果

2.4 ODI功能測試結果

由表5可見，訓練前后各組組間比較，訓練前，太極拳組、核心訓練組和對照組ODI各分項得分差異均無顯著性（P＞0.05）。訓練后，太極拳組各項得分均低于對照組，差異非常顯著（P＜0.01）；核心訓練組各項得分均低于對照組，且性生活差異具有顯著性（P＜0.05），社交生活和外出差異具有非常顯著性（P＜0.01）；太極拳組各項得分均低于核心訓練組，差異具有非常顯著性（P＜0.01）。

自身訓練前后比較，太極拳組訓練后，除社交生活外，ODI各項分數(shù)均明顯降低，差異具有非常顯著性（P＜0.01）；核心訓練組疼痛程度、生活起居、提東西、坐、站立和外出分數(shù)均明顯降低，疼痛程度、生活起居、提東西和站立的分數(shù)差異具有非常顯著性（P＜0.01），坐和外出的分數(shù)差異具有顯著性（P＜0.05）；對照組訓練后，坐、站立、睡眠和社交生活的分數(shù)明顯升高，差異具有非常顯著性（P＜0.01），其他各項的分數(shù)差異不具有顯著性（P＞0.05）。

表5 訓練前后各組ODI量表評分結果

3 分析與討論

疼痛是由體內外傷害性刺激引起的一種復雜的心理生理學過程，隨著腦電和影像技術的發(fā)展，關于疼痛和疼痛治療的中樞機制研究有了長足的進步。ERP是對所接收的信息進行認知加工時，通過平均疊加技術從頭顱表面記錄到的腦電活動，而作為其內源性成分的P300不受刺激物理性質的影響，與從事某一任務的認知活動有關，是ERP中最典型、最常用的成分。運動想象被稱為真實運動的心理練習，無外在運動產生[9]，近年來主要用來研究排除外周反饋的運動過程。有研究指出，運動想象的皮層活躍和實際運動的皮層活躍有大部分的重疊。運動想象是一種特殊的運動功能狀態(tài)，它存在于運動記憶中，激活運動記憶而沒有任何明顯的運動輸出，并遵循中樞運動控制原則[10]。動覺表象與運動過程密切相關并與運動執(zhí)行具有相似的神經(jīng)網(wǎng)絡[11]。因此可通過刺激圖片進行運動想象任務，產生一種類似感受器受刺激所產生的體驗，深入觀察下背痛患者日常易觸發(fā)疼痛行為的認知加工過程。研究發(fā)現(xiàn)，太極拳鍛煉后，患者Cz、Fz區(qū)的P300波幅明顯升高，且Fz區(qū)明顯高于核心穩(wěn)定訓練組，Pz、Cz、Fz和Oz區(qū)明顯高于對照組；但核心穩(wěn)定訓練后，各測量腦區(qū)P300波幅無明顯變化。各測量腦區(qū)的P300潛伏期在鍛煉前后，均無明顯改變。說明中央?yún)^(qū)和中額葉區(qū)大腦皮層活躍增強，中頂區(qū)和枕葉區(qū)皮層活躍也強于對照組。太極拳練習后，大腦的軀體運動功能區(qū)、空間位置覺以及視覺和軀體高級感覺區(qū)對外界刺激的加工強度增加，大腦信息加工時有效資源動員程度增強，這有利于注意力資源的重新分配和軀體姿勢的前饋調節(jié)，降低疼痛的產生。ERP的行為學結果進一步驗證，太極拳鍛煉后，患者的不痛判斷頻次顯著增加，非常痛頻次顯著降低，疼痛感覺判斷顯著降低且優(yōu)于對照組和核心穩(wěn)定訓練組；核心穩(wěn)定訓練后，疼痛感覺判斷未發(fā)生明顯變化。

太極拳對認知功能的改善作用已得到多項研究證實[12-15]。前期研究表明，經(jīng)過孫式、楊式和24式太極拳練習后，太極拳組的連線測驗成績有顯著提升，反映了太極拳練習者注意保持和分配的優(yōu)勢。一項橫斷研究探討了太極拳改善老年人認知功能的機制，結果發(fā)現(xiàn)太極拳專家右側中央前回、島溝和額中溝及左側顳上回、內側枕顳溝和舌溝皮層顯著厚于年齡、性別和教育程度匹配的一般人[16]，說明長期太極拳練習引起大腦神經(jīng)結構的改變與注意功能變化有關。

運動療法被廣泛地應用于治療腰椎間盤突出癥等引起的下背痛患者，其目的是提高脊椎穩(wěn)定性[17，18]。核心穩(wěn)定訓練應用于下背痛治療近年來受到重視，本研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過12周的訓練，無論是太極拳組還是核心訓練組的失能程度都得到明顯改善，均優(yōu)于對照組，且太極拳組優(yōu)于核心訓練組。分析原因，可能有以下幾方面：

（1）研究證實，慢性下背痛的疼痛與腰部本體感覺能力下降有關[19，20]。陳式太極拳強調脊柱中正，以腰部的松柔、圓活和纏繞運轉帶動全身運動，使腰部和脊柱周圍的關節(jié)、韌帶和筋膜不斷受到刺激，增加了本體感覺輸入，身體募集了更多的運動單位，提高了神經(jīng)肌肉的控制能力。Li等[21]的研究也發(fā)現(xiàn)，太極拳運動可以改善老年人的膝、踝本體感覺。

（2）太極拳在“松、頂、沉”和剛柔、虛實、開合的變化中，始終要求立身中正、不丟不頂，通過腰系左右抽托，旋腰轉脊帶動四肢，對骨骼、韌帶、核心肌群和整體協(xié)調控制都具有鍛煉作用。宋樺等[22]的研究結果顯示，太極拳組的腰椎功能評分增加，認為太極拳運動明顯改善了腰間盤突出癥患者腰椎的穩(wěn)定性，研究還發(fā)現(xiàn)，6個月太極拳運動后腓神經(jīng)運動和感覺神經(jīng)都有不同程度改善。

（3）姿勢穩(wěn)定性受損是腰痛患者功能受限原因之一，這與中樞神經(jīng)系統(tǒng)調節(jié)的運動協(xié)調控制有關。太極拳運動注重內外三合，強調全身協(xié)調的整體運動，同時配合呼吸和高度集中的意念活動實現(xiàn)上下相隨和以意行氣、以氣運身、以氣催力的周身一貫的特點。研究證實，太極拳運動可以提高人體平衡能力、提高中樞神經(jīng)系統(tǒng)的調節(jié)作用[23]。本研究結果顯示，太極拳鍛煉后，下背痛患者大腦軀體運動功能區(qū)、空間位置感覺區(qū)、視覺信息處理區(qū)和軀體高級感覺區(qū)域的活動發(fā)生了改變，說明大腦對日常易產生疼痛動作的認知加工過程特別是動作的視覺方位信息輸入、軀體的感覺和運動區(qū)域的準備及應答得到加強，這可能更加有利于疼痛患者對姿勢的調節(jié)和控制。因為運動想象更多地反映運動的前饋過程，是一種基于運動計劃和預測（movement planning and prediction）的內隱性的對實際運動的認知模擬[24]，所以太極拳練習可能激發(fā)了前饋控制的調節(jié)，使患者預備姿勢控制不斷加強，預防了姿勢穩(wěn)定性受損的發(fā)生。

同時，太極拳要求在意念引導下，逆腹式呼吸與動作高度協(xié)調，這些在意念引導下進行的太極拳運動有別于一般的隨意運動，它是由更多、更復雜的大腦皮層中樞參與身心的調節(jié)與控制[25]，達到調節(jié)身心的效果。王國譜等[26]研究發(fā)現(xiàn)，太極拳意念調節(jié)后，大腦中樞活動形成了高頻α腦波節(jié)律優(yōu)勢現(xiàn)象，認為這對形成心理上的舒爽情境起促進作用。這可能是太極拳改善下背痛患者疼痛認知的原因之一。

4 總結

太極拳運動可以改善慢性下背痛患者的癥狀和日常生活活動能力，從而降低失能程度，且效果優(yōu)于核心穩(wěn)定訓練；同時，太極拳訓練改變了患者對日常易產生疼痛動作的認知加工過程，大腦部位的視覺區(qū)、方位感覺區(qū)和軀體感覺區(qū)、運動功能區(qū)皮層活動增強，提高了中樞神經(jīng)系統(tǒng)的前饋控制，調節(jié)了姿勢穩(wěn)定性，進而減少了對疼痛的感覺和判斷級別。