認知負荷條件下老年人站姿穩(wěn)定性及其控制策略策略研究

范 勇，呂 匯

1 引言

姿勢控制(Postural Control，PC)，包含了姿勢平衡控制和方向控制，是個體完成復雜運動任務的前提。其完整性依賴于多種感覺信息的整合，包括視覺、前庭覺、本體感覺等。當個體保持直立時，中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system, CNS)整合感覺系統(tǒng)及神經(jīng)肌肉系統(tǒng)，使得身體壓力中心(Centre of Pressure，COP)在個體基本支撐面之內(nèi)，從而保持姿勢穩(wěn)定。對于老年人而言，年齡增長帶來的中樞神經(jīng)的損傷以及神經(jīng)肌肉功能衰退使得老年人在姿勢控制方面表現(xiàn)不足。同時，姿勢控制多與交談、思考、決策等認知任務同時完成，這些認知任務需要不同程度地占用和消耗腦認知資源，從而對姿勢控制和認知任務均產(chǎn)生不同程度的影響。據(jù)2014年全國傷害監(jiān)測系統(tǒng)NISS收集的>60歲老年人非故意傷害病例分布特征數(shù)據(jù)顯示，造成老年人因非故意傷害就診的首要原因是跌倒或墜落，占比52.81%。研究認知負荷對于老年人姿勢控制的影響，可以探索老年人姿勢控制的基本機制，對老年康復具有重要意義，此外，探討認知負荷和姿勢控制的相互作用機制，對大腦的運動控制機制也有重要意義。

認知和姿勢控制的相互作用涉及到注意資源、神經(jīng)肌肉控制等多種心理生理過程。其經(jīng)典研究范式為雙任務范式，即在簡單直立的條件下，觀察并發(fā)的認知任務對于姿勢控制的影響。其中一些任務包含句子補全、視覺感知匹配、顏色字的識別、視頻序列理解、短期記憶任務、心算任務等。傳統(tǒng)評價指標包含COP位移和其位移曲線包羅面積、單位面積身體搖擺范圍等5。Shumway-Cook采用雙任務(聽覺-姿勢控制)研究發(fā)現(xiàn)，感覺信息獲取的減少增加了對姿勢控制關(guān)注需求，在多任務條件下無法給予姿勢控制足夠的關(guān)注可能是導致一些老年人失衡跌倒的原因。Lu X等人采用聽覺stroop-姿勢控制雙任務范式對老年女性被試進行研究，雙任務實驗中聽覺反應時與錯誤率績效要明顯低于聽覺單任務實驗，但在COP移動軌跡和外周面積兩個姿勢控制指標上兩者無顯著差異。在對帕金森、老年癡呆病人的研究中也發(fā)現(xiàn)認知任務下其行走績效顯著降低。Redferm在研究中發(fā)現(xiàn)，在認知負荷下，老年人的姿勢搖擺較年輕人更大。隨著年齡的增長，老年個體的本體感覺及前庭覺逐步衰退、肌肉功能和神經(jīng)控制能力也下降，這被認為是老年人姿勢控制能力下降的內(nèi)部因素。而外部環(huán)境條件、次任務的性質(zhì)及其認知需求，也是影響老年人平衡表現(xiàn)的重要原因。

身體壓力中心主成分分析(principal component analysis，PCA)是研究站姿平衡較為合適的數(shù)學模型，該模型利用降維理念，利用傅里葉變換將二維COP指標轉(zhuǎn)化為頻域指標，并在大量的研究中得到了應用和驗證。Kanekar N等人利用頻譜分析方法分析多發(fā)性硬化癥病人COP前后、左右兩個方向上的偏離，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在閉眼條件下，健康老年人在所有頻段上無差異，多發(fā)性硬化老年人代表視覺控制的低頻段(0-0.3Hz)幅度顯著降低，而代表前庭控制的中頻段(0.3-1Hz)顯著增加，當視覺信息不存在時，患者改變其控制平衡策略，更多的依賴前庭感覺，這樣的結(jié)果揭示了COP頻譜分析可以用來作為多發(fā)性硬化早期診斷的一種方式。R Bizid 等人比較了自主運動與電刺激導致小腿三頭肌疲勞的平衡策略，結(jié)果顯示兩者在cop時域值上沒有差異，但在頻域上，自主運動組在高頻段(>2Hz)上顯著比電刺激組大，認為自主運動疲勞增加了本體感覺信息獲取，揭示了兩者在平衡控制策略上的差異。此外，大量研究都認為此類研究認為身體搖晃頻率分布的低頻段可能與視覺控制相關(guān)、中頻段與前庭覺控制和高頻段與本體感覺控制相關(guān)聯(lián)。由此，本研究利用PCA這種特性，通過實驗研究嘗試揭示認知負荷下，老年人中樞神經(jīng)系統(tǒng)的運動控制機制。

2 方法

2.1 實驗被試

本研究招募老年被試18名(男15名，女3名)，62.29±2.93周歲，身高為166.27±7.44厘米，體重為64.60±11.48公斤。被試在三年內(nèi)均無接受過任何外科手術(shù)，無肌肉損傷、前庭功能異常的疾病，有能完成簡單的加減心算的能力，并且均為右利足。本實驗進行前已征求所有被試的知情同意。

2.2 實驗設計

本研究采用姿勢控制與心算報數(shù)任務的雙任務范式，究實驗設計為2(視覺信息：有視覺信息、無視覺信息)×2(認知負荷：安靜站立、心算報數(shù))。采集被試在實驗中COP值，通過COP軌跡面積、COP擺動速率及頻譜分析，探討老年人在認知負荷下姿勢控制補償機制。

實驗要求被試光足，腳尖分開60度站立于受力平臺上。每名被試都需進行4次(視覺2×認知2)測試，分別為睜眼靜立、睜眼心算任務、閉眼靜立、閉眼心算任務，測試順序隨機。在所有測試前都通過指導語“盡量保持身體穩(wěn)定，不要晃動”，使被試將注意力集中在身體平衡上。心算報數(shù)任務為每減7報數(shù)，主試隨機從100,101,102中選擇一個數(shù)字作為開始數(shù)字，要求被試盡快運算，若運算錯誤，主試立即糾正并要求被試繼續(xù)演算。每項測試持續(xù)30秒，間隔30秒休息時間，在間隔期間詢問被試身體狀況，若有不適及延長休息時間。

2.3 實驗設備

實驗采用靜態(tài)立位平衡測試系統(tǒng)(第四軍醫(yī)大學)，其原理為根據(jù)雙足壓力中心COP變化情況來描繪人體重心的晃動軌跡。實驗中采集的指標為：COP總軌跡長，身體重心分布及傅里葉頻率轉(zhuǎn)換參數(shù)(F1-F8)等。其中F1(0.01-0.1Hz)，F(xiàn)2(0.1-0.25Hz)，F(xiàn)3(0.25-0.35Hz)，F(xiàn)4(0.35-0.5Hz)，F(xiàn)5、F6(0.5-1Hz)，F(xiàn)7(1-3Hz)。其中F1-F3為低頻段，可能與視覺控制的關(guān)系比較密切；F4-F6的中低頻段對前庭應激比較敏感；而屬于高頻段的F7主要反本體感覺控制20。

采用IBM SPSS statistics 22對相關(guān)數(shù)據(jù)進行處理，涉及的統(tǒng)計方法包括描述性統(tǒng)計、有重復測試的雙因素方差分析，取P<0.05為差異具有統(tǒng)計學意義。數(shù)據(jù)以平均數(shù)±標準差顯示。

3 結(jié)果

3.1 不同實驗條件下COP軌跡變化情況

圖1 被試A在四種條件下身體壓力中心30s的位移圖

圖1顯示的是實驗中姿勢搖擺特征具有代表性的A被試在四種條件下的身體壓力中心軌跡圖。

3.2 不同條件下COP面積變化情況

圖2 不同條件下COP軌跡外周面積(A)及矩形面積(B)變化情況

圖2(A)顯示的是四種條件下COP外周面積的均值和標準差。有無視覺信息及有無認知任務(2×2)雙因素方差分析結(jié)果顯示，視覺因素主效應不顯著F1,17=3.443，P=0.081；并且認知因素主效應顯著F1,17=0.768, p=0.393；兩者間交互作用不顯著 F1,17=1.330, p=0.265。

圖2(B)顯示的是四種條件下COP軌跡矩形面積的均值和標準差。有無視覺信息及有無認知任務(2×2)雙因素方差分析結(jié)果顯示，視覺因素主效應不顯著F1,17=3.019，P=0.151；并且認知因素主效應顯著F1,17=0.281, p=0.603；兩者間交互作用不顯著 F1,17=0.889, p=0.359。

從軌跡面積上來看四種情況下老年人姿勢搖擺并沒有顯著性差異，說明視覺條件的改變及認知任務變化并沒有改變老年人姿勢控制的績效。

3.3 不同條件下COP移動速率的變化

圖3顯示的是四種條件下COP擺動速率的均值和標準差。有無視覺信息及有無認知任務(2×2)雙因素方差分析結(jié)果顯示，視覺因素主效應顯著F1,17=5.564，P=0.031，η2=0.247；并且認知因素主效應顯著F1,17=26.445, p=0.000，η2=0.609；兩者間交互作用不顯著 F1,17=0.535, p=0.474。這說明在不同情況下，個體對COP調(diào)整是有差異的。

圖3 不同條件下COP擺動速率的平均值和標準差

3.4 不同條件下F1-F7頻率的變化

表1 四種狀態(tài)下F1-F7值

*表示該頻段上認知因素的主效應顯著。

表1顯示的是四種條件下COP軌跡長的均值和標準差。在F1-F7中，F(xiàn)5-F7三個頻段上認知主效應顯著。其中F5(認知：F1,17=5.109，P=0.037，η2=0.231)；F6(認知：F1,17=17.000，P=0.000，η2=0.547)；F7(認知：F1,17=0.769，P=0.004，η2=0.393)。同時，在其他頻段上也有產(chǎn)生變化的趨勢，如：F3(視覺×認知：F1,17=3.766，P=0.069，η2=0.181)；F4(視覺：F1,17=4.392，P=0.051，η2=0.205；認知：F1,17=4.113，P=0.059，η2=0.195)，但未呈現(xiàn)統(tǒng)計學性差異。

4 討論

4.1 認知負荷對老年人站姿穩(wěn)定性的影響

在四種條件下，COP外周面積、矩形面積均無顯著性差異(見圖2)，表明老年人在視覺條件變化以及認知任務變化時均能將身體重心保持在基本支撐面之內(nèi)，說明姿勢控制的績效在四種條件下沒有顯著性差異。一方面，這與研究采取的雙腳呈60度分立這種接近自然站立的方式有關(guān)。相比于其他站姿(如雙腳并立、單腳站立等)，安靜直立所消耗的認知資源相對較小。另一方面，實驗過程中安靜的環(huán)境及沒有其余的外部干擾，老年人在實驗過程中有足夠安全的預期。

從COP移動速率結(jié)果來看(見圖3)，視覺及認知因素的主效應均顯著，說明老年人在姿勢控制系統(tǒng)受到了視覺信息及認知信息的影響。注意資源競爭模型(the cross-domain competition model)認為：姿勢控制及認知任務會爭奪大腦有限的認知資源，導致在雙任務情況下的姿勢控制表現(xiàn)比姿勢控制單任務表現(xiàn)有所下降。相比于年輕人而言，老年人的視覺能力衰退，且在姿勢控制中更加依賴于視覺，視覺信息的缺失使得其COP軌跡在基本支撐面內(nèi)做出了更多的調(diào)整，確保個體仍然處在安全的范圍內(nèi)；由于姿勢控制并非一個完全自動化的過程，在認知負荷狀態(tài)下，姿勢控制的中樞加工資源被認知任務爭奪，認知任務同樣使得直立姿勢的動搖在一個較小的范圍內(nèi)作較快的移動28，認知活動同樣導致了姿勢調(diào)整過程的發(fā)生。即使如此，視覺因素及認知因素并未對老年人姿勢控制的績效產(chǎn)生損害。

4.2 認知負荷條件下老年人姿勢控制補償機制

視覺因素及認知因素對老年人姿勢控制產(chǎn)生影響，但其姿勢控制績效在四種情況下并未呈現(xiàn)差異。從頻域指標上來看，低頻段的F1-F3在四種條件下沒有顯著性差異(見表1)，這與Kanekar N研究的結(jié)果一致，在四種條件下，老年個體的站姿視覺控制策略沒有發(fā)生改變20。

然而在代表前庭控制的F5、F6的頻段上，認知負荷的主效應顯著。有研究認為，前庭功能和個體處理空間及數(shù)字信息能力密切相關(guān)。前庭系統(tǒng)檢測頭部的運動，提供關(guān)于身體在空間和運動方向上的變化的信息，并且使用代償反射在維持平衡中起主要作用。在認知負荷的情況下，被試改變了姿勢控制的策略，依賴更多的前庭資源來處理任務以及維系姿勢穩(wěn)定。

除此之外，代表本體感覺控制的F7認知負荷主效應顯著。這可能是被試通過調(diào)節(jié)肌肉緊張度和關(guān)節(jié)自由度用以確保被試在執(zhí)行認知任務時保持姿勢穩(wěn)定。說明認知負荷情況下，中樞增加了軀體感覺控制來增加姿勢穩(wěn)定性的表現(xiàn)。

本研究首次采用了頻譜分析的方法來表征認知負荷狀態(tài)下姿勢控制和個體感覺控制策略的關(guān)系。頻譜分析法為感覺控制研究提供了一個新的視角。

5 結(jié)論

在自然靜立的狀態(tài)下，視覺信息及認知負荷有無對老年人姿勢穩(wěn)定性控制績效未產(chǎn)生較大影響，在視覺信息缺失及認知負荷下老年人通過增加COP移動速率來控制自身穩(wěn)定。認知負荷改變老年人控制平衡的策略，表現(xiàn)為前庭控制及本體感覺控制的增強。