太極拳訓(xùn)練腦效應(yīng)機制研究進展

王雅君，徐姝蕊，劉 嬌

1福建中醫(yī)藥大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，福建 福州 350122；2福建省康復(fù)技術(shù)重點實驗室，福建 福州 350122；3福建中醫(yī)藥大學(xué)康復(fù)產(chǎn)業(yè)研究院，福建 福州 350122；4中醫(yī)骨傷及運動康復(fù)教育部重點實驗室，福建 福州 350122

太極拳作為我國原創(chuàng)的傳統(tǒng)運動康復(fù)療法，根植于我國哲學(xué)太極觀念并充分吸收宋明理學(xué)理論成果，兼收并蓄道家養(yǎng)生思想，體現(xiàn)儒家以“仁”為本的倫理道德觀。在太極、道學(xué)、儒學(xué)三大傳統(tǒng)學(xué)術(shù)思想中誕生的太極拳，練習(xí)講求形神合一、內(nèi)外兼修，練習(xí)的最高境界是“調(diào)身、調(diào)息、調(diào)神”三調(diào)合一［1］，可達到神志專一、精神內(nèi)斂。《類經(jīng)》認為“形者神之體，神者形之用；無神則形不可活，無形則神無以生”，指出形神共養(yǎng)的重要性。太極拳外主動而養(yǎng)形，內(nèi)主靜而養(yǎng)神，形神共養(yǎng)，在練習(xí)過程中動作與意識相互結(jié)合，以心志活動帶動形體動作，要求精神意志的自我控制，可提高神經(jīng)系統(tǒng)的興奮性和對腦功能活動的調(diào)節(jié)能力。

近年來隨著腦電、近紅外檢測和功能核磁共振等技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)太極拳對多種疾病、功能障礙（如認知功能、情緒、運動障礙等）的改善與調(diào)節(jié)大腦結(jié)構(gòu)、功能活動相關(guān)。本研究擬從太極拳對腦神經(jīng)環(huán)路/網(wǎng)絡(luò)影響的角度對太極拳相關(guān)的腦效應(yīng)機制進行綜述，以期為后續(xù)更深入的研究提供思路。

1 太極拳訓(xùn)練對腦電波信號特征的影響

腦電是一種檢測腦細胞群自發(fā)性和節(jié)律性電活動的高時間分辨率技術(shù)，記錄大腦活動時的電波變化，是神經(jīng)細胞電生理活動在大腦皮層或頭皮表面的總體反映［2］。不同病理狀態(tài)或大腦在不同狀態(tài)下，各導(dǎo)聯(lián)腦電圖信號特征各不相同。目前，太極拳運動對腦電信號特征影響已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于觀察太極拳神經(jīng)活動的效應(yīng)。長期練習(xí)太極拳可以提高中老年人安靜閉目狀態(tài)下α波功率［3］。研究發(fā)現(xiàn)，受試者太極拳運動后心率恢復(fù)到安靜狀態(tài)時，前額區(qū)α波相對功率顯著增高且與練習(xí)者積極情緒的改善顯著相關(guān)［4］。此外，太極拳訓(xùn)練還可以降低睡眠剝奪男性受試者腦電信號的低頻成分，干預(yù)后受試者δ波、θ波、α1波、α2波、β1波、β2波均值降低［5］，有經(jīng)驗的太極拳練習(xí)者α1、α2節(jié)律含有率顯著高于初學(xué)者，且太極拳式呼吸前后腦波處于α2節(jié)律的優(yōu)勢狀態(tài)，太極拳的意念調(diào)節(jié)放松后頭部頂葉及枕葉的α2節(jié)律含有量也明顯高于放松前［6］。太極拳具有易化練習(xí)者腦皮質(zhì)α波的效應(yīng)，且與人體內(nèi)在注意力集中有關(guān)［7］。太極拳調(diào)身、調(diào)息、調(diào)心相互作用，練習(xí)過程中“用意不用力”，需要注意力持續(xù)集中在當(dāng)下動作，對身體姿勢控制有利于維持注意力的穩(wěn)定性，對注意目標保持警覺與監(jiān)控。太極拳練習(xí)有助于注意力的提高。以上研究表明太極拳練習(xí)過程中對注意力的控制可能與調(diào)節(jié)大腦皮層α波的節(jié)律和活動有關(guān)。然而，目前太極拳訓(xùn)練對腦電波影響的文獻較少，且普遍納入的樣本量較小，如仝飛舟等［5］僅納入6例男性受試者。

2 太極拳訓(xùn)練對事件相關(guān)電位信號特征的影響

事件相關(guān)電位是人對客體進行認知加工（如記憶、思維）時，通過平均疊加技術(shù)從頭顱表面記錄到的大腦電位，是一個高波幅、長潛伏期互相波，多在刺激后300～500 ms內(nèi)出現(xiàn)。事件相關(guān)電位是心理生理學(xué)研究中腦功能的重要客觀指標，是觀察腦內(nèi)信息加工的窗口［8］。

2.1 太極拳訓(xùn)練對P300電位的影響

P300是出現(xiàn)在事件刺激后300 ms左右的電位，是大腦對信息的初步認知加工過程，它可以為認知障礙診斷及其嚴重程度判斷提供神經(jīng)電生理依據(jù)［9］。研究發(fā)現(xiàn)太極拳訓(xùn)練可以提高包括慢性阻塞性肺疾病-阻塞性睡眠呼吸暫停低通氣綜合征重疊綜合征、健康老年人在內(nèi)的不同人群P300峰值，縮短其潛伏期［10-11］。P300與記憶過程和認知資源的分配有關(guān)，可以測量在工作記憶/刷新過程中分配資源能力的極限。太極拳訓(xùn)練后P300潛伏期縮短，表明太極拳訓(xùn)練者能夠以較高的資源配置能力處理工作記憶過程中的信息，在信息處理中具有更快的認知加工速度。太極拳訓(xùn)練后P300峰值增加，可能是由于太極拳訓(xùn)練可以使受試者工作記憶在早期匹配、判斷過程中調(diào)用更多的注意資源，加速刺激的評估。

2.2 太極拳訓(xùn)練對N400電位的影響

N400是出現(xiàn)在事件刺激后400 ms左右以各種語言操作任務(wù)誘發(fā)出的負相電位，與語言加工過程有關(guān)［12］。研究發(fā)現(xiàn)對于軍人慢性精神分裂癥患者，太極拳訓(xùn)練后N400潛伏期縮短，波幅升高［13］。N400潛伏期反映詞語物理特征提取階段認知加工，詞語特征提取加工越快，進入詞語選擇階段認知加工越早；波幅則反映詞匯后信息整合的難易程度，間接代表大腦的感知容量與認知資源。太極拳“以意導(dǎo)形，以意導(dǎo)氣”，練習(xí)過程中手、眼、身、步、心（意）內(nèi)外協(xié)調(diào)一致，緊密配合，協(xié)調(diào)動作，在運動中精神高度集中，有利于調(diào)用更多的認知資源在目前進行的活動中，提高練習(xí)者腦感知容量，加快認知處理過程。

3 太極拳訓(xùn)練對腦部血流狀態(tài)、血氧水平和代謝的影響

腦是機體的高級神經(jīng)中樞，組織代謝旺盛、耗能多，且腦的葡萄糖代謝幾乎都是需氧代謝，腦組織對缺氧敏感，對缺氧耐受性差。通過觀察腦部血流、血氧和代謝特征可以了解腦的功能狀態(tài)。太極拳訓(xùn)練可以增加老年受試者前額葉氧合血紅蛋白和總血紅蛋白水平［14］。12周太極拳訓(xùn)練后老年受試者后扣帶回N-乙酰天門冬氨酸/肌酸比率升高［15］，提示太極拳訓(xùn)練可以改善其相關(guān)腦區(qū)的代謝水平。與無太極拳鍛煉經(jīng)驗的受試者比較，長期太極拳練習(xí)者（5.5～30年）雙側(cè)大腦中動脈、大腦前動脈、大腦后動脈收縮期峰血流速度、舒張末期血流速度和搏動指數(shù)顯著升高［16］，長期進行太極拳鍛煉的老年人在腦血管血流動力學(xué)指數(shù)評分、平均血流速度、動脈阻力指數(shù)表現(xiàn)上明顯優(yōu)于與其年齡、性別、BMI相匹配的對照組，太極拳訓(xùn)練改善腦血流狀態(tài)和腦血管功能［17］。太極拳運動時練習(xí)者呼吸運動加強，腹式呼吸和胸式呼吸結(jié)合，加大橫膈上升、下降幅度，確保組織器官獲得充足的血液供應(yīng)。太極拳為中、低等強度的有氧運動，其動作柔和緩慢，連貫圓整，練習(xí)中要求動作與呼吸配合，以意念引導(dǎo)動作，具有改善神經(jīng)內(nèi)分泌調(diào)節(jié)功能、改善循環(huán)系統(tǒng)機能狀態(tài)、促進代謝酶的活性、降低血脂、減少脂肪在血管壁的沉著、改善腦血流速度的作用。

4 太極拳磁共振成像研究

功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）是利用超快速成像技術(shù)，根據(jù)大腦在受到一定刺激或發(fā)生病變時局部磁共振信號的改變而反映腦功能的變化［18］。fMRI的研究涉及單刺激或多刺激的大腦皮層功能定位或不同功能區(qū)之間的相互影響及對高級思維和心理活動等高級腦功能多個領(lǐng)域研究。目前國內(nèi)外許多研究采用功能核磁共振探討太極拳訓(xùn)練對不同疾病不同狀態(tài)的中樞調(diào)控效應(yīng)。

4.1 基于靜息態(tài)的太極拳功能核磁成像研究

4.1.1 基于rs-fMRI的太極拳橫斷面研究 橫斷面研究發(fā)現(xiàn)，長期太極拳練習(xí)可以調(diào)節(jié)大腦功能網(wǎng)絡(luò)，且太極拳對大腦功能網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)與訓(xùn)練的經(jīng)驗、認知功能的保護作用顯著相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，與不進行太極拳訓(xùn)練的健康老年人比較，長期［訓(xùn)練時間（14.6±8.6）年］太極拳訓(xùn)練老年人右側(cè)中央后回功能一致性升高，左前扣帶回皮層和右背外側(cè)前額葉皮層的功能一致性降低，右側(cè)中央后回功能一致性的增加與太極拳訓(xùn)練的經(jīng)驗相關(guān)［19］。長期太極拳練習(xí)者額中回、中央前回、楔前葉體素鏡像同位連接降低，具有更好的認知表現(xiàn)，且與太極拳訓(xùn)練的時間顯著相關(guān)［20］。太極拳以“形神合一”理論為指導(dǎo)，注重動作與意識相互結(jié)合，可提高神經(jīng)系統(tǒng)的興奮性和對腦功能活動的調(diào)控。

4.1.2 基于rs-fMRI的太極拳縱向研究 研究發(fā)現(xiàn)，太極拳對認知功能的改善與其調(diào)節(jié)相關(guān)認知神經(jīng)環(huán)路結(jié)構(gòu)和功能有關(guān)。與一般有氧運動比較，8周太極拳訓(xùn)練能顯著提高健康成年人雙側(cè)嗅覺皮層和左丘腦的節(jié)點聚類系數(shù)，降低左顳下回節(jié)點聚類系數(shù)，提高右側(cè)楔前葉和雙側(cè)后扣帶回的節(jié)點效率，左側(cè)丘腦節(jié)點聚類系數(shù)與認知靈活性表現(xiàn)顯著相關(guān)［21］。研究發(fā)現(xiàn)，前額葉-紋狀體-丘腦-前額葉（prefrontal cortex-striatum-thalamus-prefrontal cortex，PSTP）神經(jīng)纖維白質(zhì)的各向異性分數(shù)是太極拳訓(xùn)練后任務(wù)切換錯誤減少評分的獨立預(yù)測因子，提示太極拳訓(xùn)練中執(zhí)行重復(fù)的、有順序的切換任務(wù)可能主要依賴于PSTP神經(jīng)環(huán)路［22］。太極拳訓(xùn)練增強海馬與雙內(nèi)側(cè)前額葉的功能連接，且與受試者記憶商的改變顯著相關(guān)［23］，位于邊緣系統(tǒng)的海馬體是記憶形成、鞏固、存儲的重要節(jié)點，在空間定位等多種類型的記憶加工中扮演著重要的角色，太極拳改善認知功能可能與調(diào)控海馬體的結(jié)構(gòu)和功能網(wǎng)絡(luò)有關(guān)。此外，研究還發(fā)現(xiàn)12周的太極拳訓(xùn)練可增強背外側(cè)前額葉的低頻振幅強度，降低背外側(cè)前額葉與前扣帶回的功能連接［24］，調(diào)控內(nèi)側(cè)前額葉到顳極、顳中回的功能連接［25］。背外側(cè)前額葉是認知控制網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點，內(nèi)側(cè)前額葉是前默認網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點。這提示，調(diào)節(jié)認知控制網(wǎng)絡(luò)和默認網(wǎng)絡(luò)是太極拳延緩老年人認知功能下降的可能機制之一。認知控制網(wǎng)絡(luò)負責(zé)目標導(dǎo)向行為的認知加工，在認知控制中需要對目標形成計劃，并在過去經(jīng)驗的基礎(chǔ)上總結(jié)當(dāng)前環(huán)境中可以進行的行動，以及從一個計劃轉(zhuǎn)變到另一個計劃的能力。默認網(wǎng)絡(luò)負責(zé)靜息狀態(tài)下的認知、內(nèi)省和情感處理等思維活動，在記憶力、執(zhí)行等認知加工中扮演重要的角色。太極拳練習(xí)中“用意不用力”。在練習(xí)過程中強調(diào)放松、自然，要求身心相隨、內(nèi)外一致，通過三調(diào)合一而達到精神意識的自我控制。

獎賞系統(tǒng)在主觀預(yù)期調(diào)節(jié)疼痛感知、疼痛耐受力等方面具有重要的作用［26］。腹側(cè)被蓋區(qū)（ventral tegmental area，VTA）是獎賞系統(tǒng)多巴胺分泌的關(guān)鍵腦區(qū)［27］、中腦水管周圍灰質(zhì)（periaqueductal gray，PAG）是疼痛下行調(diào)控系統(tǒng)的關(guān)鍵節(jié)點［28］。本課題組前期研究發(fā)現(xiàn)12周的太極拳訓(xùn)練改善膝骨性關(guān)節(jié)炎疼痛與降低VTA/PAG到眶額葉皮質(zhì)的功能連接相關(guān)，說明調(diào)節(jié)獎賞系統(tǒng)腦功能網(wǎng)絡(luò)可能與太極拳改善KOA患者的疼痛有關(guān)［29］。

4.2 基于任務(wù)態(tài)的太極拳功能核磁成像研究

Stroop色詞測驗任務(wù)是評價執(zhí)行抑制功能的經(jīng)典范式，n-Back任務(wù)反映不同認知負荷下工作記憶的加工?；谌蝿?wù)態(tài)功能核磁的研究發(fā)現(xiàn)，太極拳訓(xùn)練對記憶、執(zhí)行功能加工相關(guān)腦區(qū)和網(wǎng)絡(luò)具有調(diào)控作用。病例對照研究發(fā)現(xiàn)，與水中有氧運動比較，在Stroop色詞測驗任務(wù)中，太極拳訓(xùn)練組枕外側(cè)皮質(zhì)和枕極功能活動下降；在n-Back任務(wù)中，太極拳訓(xùn)練組右側(cè)額極、額上回和枕極活動下降，說明太極拳訓(xùn)練受試者具有更強的認知表現(xiàn)［30］。WU等［31］研究也發(fā)現(xiàn)12周太極拳訓(xùn)練后老年受試者在執(zhí)行轉(zhuǎn)換任務(wù)時前額葉活動增強，任務(wù)中錯誤發(fā)生減少。

4.3 太極拳對腦形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響

許多研究探討太極拳訓(xùn)練對腦灰質(zhì)體積和白質(zhì)形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響。具有長期太極拳訓(xùn)練經(jīng)驗的受試者海馬灰質(zhì)體積增加，且可能與其認知功能的保護有關(guān)［32］。TAO等［33］研究發(fā)現(xiàn)，與健康教育比較，12周的太極拳訓(xùn)練可以增加健康老年人海馬灰質(zhì)體積，且與韋氏記憶量表記憶商和視覺再生評分的改變顯著相關(guān)。YAO等［34］研究發(fā)現(xiàn)，與久坐的受試者比較，長期太極拳訓(xùn)練者胼胝體壓部各向異性分數(shù)值（fractional anisotropy，F(xiàn)A）增高，且與太極拳練習(xí)者的技術(shù)水平顯著相關(guān)。白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)圖論分析發(fā)現(xiàn)與步行訓(xùn)練的健康老年女性比較，長期太極拳鍛煉女性具有更高的小世界屬性、聚集系數(shù)和局部效率［35］。磁共振彌散張量成像技術(shù)可以實現(xiàn)活體觀察組織結(jié)構(gòu)的完整性和連通性，顯示腦白質(zhì)內(nèi)神經(jīng)傳導(dǎo)束的走行方向，判斷白質(zhì)纖維束的損害程度和范圍。FA值反映組織中水分子的各向異性彌散程度，也可以間接反映出水分子在組織中各向異性彌散速率的大小。這提示，長期的太極拳訓(xùn)練對腦灰質(zhì)、白質(zhì)形態(tài)結(jié)構(gòu)均具有可塑性改變作用。

5 太極拳訓(xùn)練功能性近紅外光譜研究

功能性近紅外光譜（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS）技術(shù)是一種光學(xué)、非侵入性，用于研究皮質(zhì)血流動力學(xué)反應(yīng)的神經(jīng)成像技術(shù)。fNIRS利用血液的主要成分對600～900 nm近紅外光良好的散射特性，從而獲得大腦活動時氧合血紅蛋白（oxyhemoglobin，HbO2）和脫氧血紅蛋白（deoxyhemoglobin，HbR）的變化情況，并根據(jù)修正的比爾-朗伯定律計算反映HbO2和HbR濃度變化的信號來推斷局部大腦激活情況［36］。fNIRS技術(shù)抗運動干擾能力較好，可在自由活動中進行，更適合用于各種自然情景下高級認知功能的研究［37］。研究發(fā)現(xiàn)，太極拳單腿站立姿勢期間，右背外側(cè)前額葉皮層的激活顯著高于瑜伽的單腿站立姿勢［38］，太極拳訓(xùn)練期間前額葉皮質(zhì)、運動皮質(zhì)和枕葉皮質(zhì)信號顯著改變［39］。執(zhí)行功能的核心成分包括工作記憶、任務(wù)轉(zhuǎn)換和反應(yīng)抑制，其所在大腦核心區(qū)域是前額葉，太極拳訓(xùn)練中需要記憶各個動作名稱，掌握動作轉(zhuǎn)換，同時需集中注意力，排除外界干擾，有助于對執(zhí)行功能的鍛煉。側(cè)翼任務(wù)范式fNIRS研究發(fā)現(xiàn)，與無太極拳運動組比較，8周太極拳訓(xùn)練顯著改善老年人抑制控制功能，太極拳訓(xùn)練組在不相容任務(wù)中前額葉氧合血紅蛋白含量升高［40］。

6 小 結(jié)

太極拳是同時具有有氧運動和認知訓(xùn)練成分的一種“復(fù)雜”身心運動，具有簡單易學(xué)、安全有效的獨特優(yōu)勢。目前，許多學(xué)者基于腦電、功能核磁共振、近紅外光譜等技術(shù)從不同的角度探索了太極拳對腦網(wǎng)絡(luò)可塑性的影響，在一定程度上闡明了太極拳對功能障礙干預(yù)的效應(yīng)機制。但目前的研究中尚存在以下問題：①太極拳對腦效應(yīng)機制研究納入的樣本量偏小是目前研究中的一個共性問題［19］。②目前有關(guān)太極拳對腦功能機制研究主要以單模態(tài)為出發(fā)點，不同模態(tài)之間具有不同的優(yōu)缺點，如功能核磁技術(shù)空間分辨率高，但時間分辨率低；腦電信號分析時間分辨率高，但空間分辨率低。③缺乏太極拳腦效應(yīng)機制的縱向研究和長期隨訪，難以評估其長期效應(yīng)。④目前太極拳應(yīng)用和推廣缺乏統(tǒng)一的劑量和規(guī)范，如太極拳訓(xùn)練的周期、頻率不一，且太極拳對腦功能影響的效應(yīng)劑量關(guān)系也有待進一步研究。⑤目前太極拳對腦功能影響的研究多是靜息態(tài)下觀察太極拳的累積效應(yīng)，太極拳運動狀態(tài)下對腦功能即刻效應(yīng)的影響尚未可知。因此，下一步研究將圍繞以下幾個方面開展：①開展大樣本量的隨機對照研究及橫斷面的觀察性研究，同時開展多中心的聯(lián)合研究，進行不同研究結(jié)果的相互驗證，以增加結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。②進行不同模態(tài)的聯(lián)合分析研究，如功能核磁共振與腦電的聯(lián)合，克服單模態(tài)研究的不足，以期更全面地闡釋太極拳的相關(guān)機制。③設(shè)立多個觀察時間點和長期的隨訪，以評估不同太極拳訓(xùn)練時間對腦功能狀態(tài)的影響。④進行不同劑量（如不同訓(xùn)練頻率、不同訓(xùn)練時間）太極拳對腦功能影響的對比研究，以期尋找太極拳訓(xùn)練的最優(yōu)效應(yīng)的劑量及太極拳訓(xùn)練的量效關(guān)系。⑤開展太極拳運動狀態(tài)下的腦功能評測系統(tǒng)（如便攜式近紅外腦功能成像）的應(yīng)用研究，以評估太極拳訓(xùn)練即刻效應(yīng)對腦神經(jīng)活動的影響。