太極拳運(yùn)動對中老年人腦功能和有氧運(yùn)動能力的影響

姬瑞敏

成都體育學(xué)院，四川成都市610041

目前，太極拳、瑜伽、有氧運(yùn)動等健康養(yǎng)生保健方法備受關(guān)注[1-5]。有氧運(yùn)動和冥想可以提高認(rèn)知功能[1]。冥想集中注意力，在精神情緒方面需要承擔(dān)一定負(fù)荷。太極拳作為中國傳統(tǒng)的養(yǎng)生方法，被推薦為平衡能力的康復(fù)手段[6-7]。太極拳是在身體運(yùn)動的同時配合動態(tài)冥想，可能是一種兼有氧運(yùn)動和精神訓(xùn)練雙重負(fù)荷的運(yùn)動形式。

認(rèn)知功能是指人腦加工、儲存和提取信息的能力[8]。通過在頭皮腦電中提取事件相關(guān)電位(event-related potentials,ERPs)，可以了解大腦聯(lián)合皮質(zhì)的活動[9]。ERPs 中的波形振幅可以反映人體在執(zhí)行任務(wù)時大腦中特殊微通路中的信息處理過程[9-10]。P300 作為認(rèn)知任務(wù)過程中ERPs 的一個經(jīng)典成分，主要反映人體認(rèn)知的注意和記憶功能[10]。P300 的典型波形是發(fā)生在刺激后250～800 ms 時間窗內(nèi)的電位波形[10-11]，P300成分又可以分成P3a 和P3b 兩個亞成分[11]。P300 成分主要與額區(qū)-顳區(qū)-枕區(qū)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能有關(guān)[12]。

太極拳運(yùn)動可以提高練習(xí)者的心肺功能[2,13]。也有學(xué)者研究太極拳運(yùn)動對練習(xí)者P300 的影響[3-4]，但多以在校大學(xué)生為研究對象。

太極拳運(yùn)動屬于中等強(qiáng)度的有氧運(yùn)動，在運(yùn)動過程中需要將呼吸、注意力、動作三者協(xié)調(diào)統(tǒng)一。本研究通過比較長期太極拳練習(xí)者、冥想練習(xí)者、單純的有氧運(yùn)動者和長期久坐者之間P300 成分的潛伏期、振幅、反應(yīng)時，體質(zhì)量指數(shù)(body mass index,BMI)和最大攝氧量(VO2max)等指標(biāo)之間的差異，探究不同運(yùn)動形式對中老年人的腦認(rèn)知功能和有氧運(yùn)動能力。

1 資料與方法

1.1 一般資料

2018 年6 月至2019 年7 月募集研究實驗對象，并完成相關(guān)實驗測試。相關(guān)測試在成都市第一人民醫(yī)院完成。

納入標(biāo)準(zhǔn)：①自我報告沒有神經(jīng)或軀體功能紊亂類的疾??；②年齡45～68歲。

將受試者分為太極拳組(TG,n=13)、冥想組(MG,n=14)、有氧運(yùn)動組(AG,n=17)和久坐組(SG,n=16)。

其中，久坐組納入標(biāo)準(zhǔn)：①沒有參與系統(tǒng)的體育鍛煉達(dá)5 年以上；②在被募集之前沒有冥想鍛煉或者太極拳鍛煉經(jīng)歷。

最初募集到受試者66 例。在實驗過程中，2 例無法完成認(rèn)知測試過程中的計算機(jī)操作，3 例在腦電采集過程中腦電信號嚴(yán)重飄移，1 例未能完成實驗，在實驗結(jié)束時剩下60例。各組間一般資料無顯著性差異(P＞0.05)。見表1。

本研究經(jīng)成都體育學(xué)院倫理委員會審核通過，所有受試者均清楚實驗過程，且簽署知情同意書。

1.2 方法

太極拳組練習(xí)24式陳氏太極拳。冥想組采用正念冥想練習(xí)。有氧運(yùn)動組進(jìn)行有氧運(yùn)動鍛煉，包括慢跑、步行等。均有專業(yè)老師進(jìn)行指導(dǎo)練習(xí)。每次40 min，每周4次，共24周。

1.3 評價方法

練習(xí)前后分別進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測試，在受試者方便的時間進(jìn)行，不集中測試。認(rèn)知評價和有氧能力測試分開進(jìn)行。

1.3.1BMI

采用身體成分分析儀(德國賽康)通過生物阻抗法測量受試者的體質(zhì)量和BMI。

表1 各組一般資料比較

1.3.2有氧運(yùn)動能力

采用Rockport Fitness 1-mile Walking 步行測試[14]評估受試者有氧運(yùn)動能力，具體方案見Kline 等[14]的研究，將受試者體質(zhì)量、性別、年齡和步行時間輸入到在線軟件(http：//www.exrx.net/Calculators/Rockport.html)中，獲取VO2max的測試值。見公式1。

1.3.3P300測試

采用Three-stimulus Oddball 刺激范式誘發(fā)P300[15]，其中標(biāo)準(zhǔn)刺激為黑底白字的數(shù)字“8”圖片，目標(biāo)刺激為黑底白字的數(shù)字“2”圖片，非目標(biāo)刺激為黑底白字的字母“A”圖片，分別以76%、12%和12%隨機(jī)出現(xiàn)，共300次，每隔2.75 s出現(xiàn)1次。刺激出現(xiàn)在距離受試者1.5 m 的顯示器屏幕上，背景為淡灰色。要求受試者在目標(biāo)刺激出現(xiàn)時，用食指點按鼠標(biāo)按鍵，對其他刺激不做出反應(yīng)。正式實驗開始前，首先練習(xí)15 次，熟悉任務(wù)。低頻率的目標(biāo)刺激誘發(fā)P3b，低頻率的非目標(biāo)刺激誘發(fā)P3a。

采用Neuroscan 64 導(dǎo)腦電儀同步采集受試者的腦電圖(electroencephalography,EEG)信號。堿性洗發(fā)水洗頭，吹干后佩戴腦電帽。接地電極位于前額區(qū)Fz和AFz 電極點之間，參考電極位于雙側(cè)顳骨乳突連線。在每一個電極位置注入導(dǎo)電膏(GT5，武漢格林泰克)，通過調(diào)整導(dǎo)電膏的注入量，使每個位置的電極阻抗都降低到5 kΩ以下。雙極記錄法監(jiān)測受試者的垂直和水平眼電。所有電極采樣頻率1000 Hz，帶通濾波0.1～100 Hz。

對數(shù)據(jù)進(jìn)行偽跡去除，將帶有較大干擾或漂移的腦電段手動去除；使用相關(guān)法去除眼電干擾；采用Butterworth 濾波器將數(shù)據(jù)進(jìn)行1 Hz 的高通濾波，30 Hz 的低通濾波；將數(shù)據(jù)按照目標(biāo)刺激和干擾刺激分段，取事件刺激發(fā)生前100 ms 和事件后800 ms 共900 ms的時間段用于提取P300；以刺激出現(xiàn)前100 ms時間段對基線進(jìn)行校正；閾值法對分段數(shù)據(jù)再次進(jìn)行去除偽跡，標(biāo)準(zhǔn)為±80 μV，超過該范圍的時間段將被去除；進(jìn)行疊加平均化處理。根據(jù)文獻(xiàn)報道[15]，P3a成分和P3b 成分分別選取額區(qū)的Fz 和頂區(qū)的Pz 位置。根據(jù)本研究受試者的特點，P3b成分的時間窗為300～500 ms，在時間窗內(nèi)計算振幅和潛伏期。

按照以往的研究將振幅定義為刺激出現(xiàn)后的峰值振幅；潛伏期定義為刺激出現(xiàn)至峰值出現(xiàn)的時間。

系統(tǒng)自動記錄圖片刺激呈現(xiàn)時間與受試者按鍵的時間，通過Eprime軟件自動輸出反應(yīng)時。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 16.0 進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析。采用多元方差分析觀察不同鍛煉方式對P300 的影響，Levene 檢驗方差齊性，顯著性水平α=0.05。對部分變量行雙變量相關(guān)分析，顯著性水平α行Bonferroni 校正。本研究中4 水平獨(dú)立變量是分組變量，因年齡老化與認(rèn)知和生理功能退化有關(guān)，將年齡變化設(shè)置為協(xié)變量，因變量分別是VO2max、BMI、反應(yīng)時、P3b 振幅、P3b潛伏期。

2 結(jié)果

2.1 多元方差分析

年齡(F=7.040,P=0.0003,ηp2=0.481)和分組(F=9.090,P＜0.001,ηp2=0.559)顯著影響受試者的生理功能和認(rèn)知功能(F=10.860,P＜0.001,ηp2=0.556)。

2.2 BMI

干預(yù)前，各組BMI無顯著性差異(P＞0.05)。干預(yù)后，有氧運(yùn)動組BMI減小(P＜0.05)；各組間BMI有非常高度顯著性差異(P＜0.001)；久坐組BMI明顯大于冥想組和有氧運(yùn)動組(P＜0.01)，太極拳組BMI與有氧運(yùn)動組、久坐組比較均無顯著性差異(P＞0.05)。見表2。

表2 各組BMI比較(kg/m2)

2.3 有氧運(yùn)動能力

干預(yù)前，各組VO2max 無顯著性差異(P＞0.05)。干預(yù)后，各組VO2max 有非常高度顯著性差異(P＜0.001)；有氧運(yùn)動組VO2max明顯優(yōu)于太極拳組和久坐組(P＜0.01)；太極拳組和冥想組VO2max 優(yōu)于久坐組(P＜0.05)。見表3。

表3 各組VO2max比較〔ml/(kg·min)〕

表4 各組P3b振幅比較(μV)

2.4 P300測試

各組在Oddball 任務(wù)中在頂區(qū)Pz 位置誘發(fā)的P3b電位波形見圖1。頭皮腦電的中線電極位置誘發(fā)P300，其時間窗跨度為刺激前的100 ms到刺激出現(xiàn)后的500 ms內(nèi)。

2.4.1P3b振幅

干預(yù)前，各組間P3b 振幅無顯著性差異(P＞0.05)。干預(yù)后，太極拳組和冥想組P3b 振幅有增加趨勢，各組間P3b 振幅有非常高度顯著性差異(P＜0.001)；太極拳組、冥想組和有氧運(yùn)動組P3b 振幅均明顯高于久坐組(P＜0.01)；太極拳組P3b 振幅與有氧運(yùn)動組比較無顯著性差異(P＜0.05)。見表4。

2.4.2P3b潛伏期

干預(yù)前，各組間P3b 潛伏期無顯著性差異(P＞0.05)。干預(yù)后，久坐組P3b 潛伏期略長于其他三組，但均無顯著性差異(P＞0.05)。見表5。

表5 各組P3b潛伏期比較(ms)

圖1 各組Pz位置的P3b波形

2.4.3反應(yīng)時

干預(yù)前，各組間反應(yīng)時均無顯著性差異(P＞0.05)。干預(yù)后，太極拳組反應(yīng)時短于其他三組，其中久坐組平均反應(yīng)時最長，但是各組間無顯著性差異(P＞0.05)。見表6。

表6 各組反應(yīng)時比較(ms)

2.5 指標(biāo)間的相關(guān)性

經(jīng)Bonferroni校正，顯著性水平α=0.0033。結(jié)果顯示，年齡與反應(yīng)時明顯正相關(guān)(r=0.466,P＜0.01)；反應(yīng)時與VO2max 顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.536,P＜0.001)；P3b振幅與反應(yīng)時顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.566,P＜0.001)。

3 討論

Rockport Fitness Walking 測試是評價個體心肺機(jī)能的方式之一[14]，可評估個體的VO2max 水平。這種測試方法與其他運(yùn)動方式測試VO2max 的結(jié)果具有很好的相關(guān)性[14]。該方法符合生理機(jī)能合理性：太極拳運(yùn)動對下肢肌肉要求較高，有氧運(yùn)動更多以徒步行走的方式進(jìn)行；本研究實驗對象主要是中老年人，采用VO2max直接測量方法有潛在的危險。

本研究顯示，有氧運(yùn)動組和冥想組BMI水平顯著低于久坐組。每天有氧運(yùn)動會使練習(xí)者消耗更多的能量，而且長時間有氧運(yùn)動的能量供應(yīng)以脂肪為主。我們在走訪中發(fā)現(xiàn)，這些冥想練習(xí)者除了規(guī)定的正念冥想練習(xí)外，也會參與一些有氧健身鍛煉。太極拳練習(xí)者與久坐者之間BMI無顯著性差異，這可能與太極拳練習(xí)者練習(xí)太極拳的運(yùn)動量小和練習(xí)時間短有關(guān)。

本研究還顯示，有氧運(yùn)動組VO2max 水平最高，其次是冥想組、太極拳組，久坐組最低。VO2max 可以反映個體的有氧運(yùn)動能力，長期的有氧耐力運(yùn)動可以提高個體的VO2max 水平。太極拳運(yùn)動是以腰部為軸帶動上下肢做屈伸旋轉(zhuǎn)的慢速運(yùn)動，在運(yùn)動過程中全身肌肉都參與收縮。太極拳練習(xí)者在運(yùn)動過程中心率可以達(dá)到120～140 次/s，屬于中等強(qiáng)度的有氧運(yùn)動[16-17]。長期從事太極拳運(yùn)動可以提高練習(xí)者VO2max水平和有氧運(yùn)動能力[18-19]。另外，冥想練習(xí)者通常都伴隨著一定運(yùn)動量的有氧運(yùn)動。我們推測本研究中不同組VO2max 水平高低的差異性主要是由于從事鍛煉項目的運(yùn)動強(qiáng)度和運(yùn)動時間不同引起。

P3a 與個體注意力參與以及對新奇信息處理有關(guān)[20]，其振幅越大，代表對刺激做出的反應(yīng)需要付出更多的腦力[21]；當(dāng)出現(xiàn)新刺激時，P3a 振幅更大，對刺激適應(yīng)后P3a 振幅降低[10]。P3b 主要反映刺激處理過程中工作記憶[10]，不同的范式結(jié)構(gòu)會影響P3b振幅，范式結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，P3b的振幅越小，潛伏期越長。P3b潛伏期變短，說明神經(jīng)處理過程更加高效[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，與久坐者相比，太極拳組和冥想組P3b 振幅有增高趨勢；各組之間P3b 的潛伏期無顯著性差異。本研究P3b 潛伏期要稍長于其他研究[22]，這可能與刺激任務(wù)設(shè)置不同有關(guān)。據(jù)文獻(xiàn)報道[21]，P3b 潛伏期為200～500 ms。本研究結(jié)果在這個范圍內(nèi)。

目前，關(guān)于運(yùn)動鍛煉對P300 影響的研究較多[3-4,16-17]。有研究發(fā)現(xiàn)[17]，長期從事有氧運(yùn)動的老年人P3b 振幅要高于久坐而缺少運(yùn)動鍛煉的同年齡人。還有學(xué)者將經(jīng)常參與身體鍛煉的年輕人、老年人與不活動的同年段對照組相比，發(fā)現(xiàn)經(jīng)常參加身體鍛煉組的P3b 振幅更高，潛伏期更短[10]。本研究的結(jié)果與其相似，盡管久坐組P3b 潛伏期相對來說更長，但未發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計學(xué)差異，這可能與任務(wù)范式不同有關(guān)[23]。有研究表明[5,16]，有氧健身運(yùn)動會提高練習(xí)者的有氧運(yùn)動能力，而且認(rèn)知能力提高與個體較高的VO2max 水平有關(guān)。因此，本研究中有氧運(yùn)動者的P3b 振幅顯著高于久坐組。

不同的有氧運(yùn)動形式對P300 的影響效應(yīng)不同。太極拳精髓是要求練習(xí)者身體運(yùn)動的同時配合動態(tài)冥想，練習(xí)者在運(yùn)動過程中調(diào)息，將注意力全部集中在每一個動作細(xì)節(jié)中，練習(xí)者承擔(dān)一定的精神負(fù)荷，可能有助于提高工作記憶和認(rèn)知能力，所以本研究中太極拳練習(xí)者表現(xiàn)出較高的P3b 振幅。同時，太極拳練習(xí)者反應(yīng)時短于其他形式練習(xí)者，其中久坐者最長，但是各組間無顯著性差異，可能是由于個體差異較大引起。

不同運(yùn)動鍛煉方式者報告的運(yùn)動強(qiáng)度和運(yùn)動量比較相近，各組之間的差別主要表現(xiàn)在他們在運(yùn)動過程中付出的注意力不同[19]。本研究中太極拳練習(xí)者、冥想練習(xí)者和有氧運(yùn)動者P3b 振幅均高于久坐組者。太極拳在運(yùn)動過程中需要集中注意力，冥想練習(xí)者在坐位安靜狀態(tài)下集中注意力，而長期久坐者很少有注意力方面的鍛煉，所以他們在執(zhí)行任務(wù)時認(rèn)知能力較弱。

本研究中，與有氧運(yùn)動者相比，太極拳練習(xí)者和冥想者P3b 振幅有增高趨勢。冥想者往往會參與一些有氧運(yùn)動，這可能使他們比單純進(jìn)行有氧運(yùn)動者表現(xiàn)出更優(yōu)的認(rèn)知功能?？傮w來說，太極拳者和冥想練習(xí)者以相似的精神鍛煉方式進(jìn)行運(yùn)動，都提高了大腦的認(rèn)知功能。這兩種方式都比單純有氧運(yùn)動對認(rèn)知功能有更好的效果。