太极拳运动对中老年人脑功能和有氧运动能力的影响

姬瑞敏

成都体育学院，四川成都市610041

目前，太极拳、瑜伽、有氧运动等健康养生保健方法备受关注[1-5]。有氧运动和冥想可以提高认知功能[1]。冥想集中注意力，在精神情绪方面需要承担一定负荷。太极拳作为中国传统的养生方法，被推荐为平衡能力的康复手段[6-7]。太极拳是在身体运动的同时配合动态冥想，可能是一种兼有氧运动和精神训练双重负荷的运动形式。

认知功能是指人脑加工、储存和提取信息的能力[8]。通过在头皮脑电中提取事件相关电位(event-related potentials,ERPs)，可以了解大脑联合皮质的活动[9]。ERPs 中的波形振幅可以反映人体在执行任务时大脑中特殊微通路中的信息处理过程[9-10]。P300 作为认知任务过程中ERPs 的一个经典成分，主要反映人体认知的注意和记忆功能[10]。P300 的典型波形是发生在刺激后250～800 ms 时间窗内的电位波形[10-11]，P300成分又可以分成P3a 和P3b 两个亚成分[11]。P300 成分主要与额区-颞区-枕区神经网络功能有关[12]。

太极拳运动可以提高练习者的心肺功能[2,13]。也有学者研究太极拳运动对练习者P300 的影响[3-4]，但多以在校大学生为研究对象。

太极拳运动属于中等强度的有氧运动，在运动过程中需要将呼吸、注意力、动作三者协调统一。本研究通过比较长期太极拳练习者、冥想练习者、单纯的有氧运动者和长期久坐者之间P300 成分的潜伏期、振幅、反应时，体质量指数(body mass index,BMI)和最大摄氧量(VO2max)等指标之间的差异，探究不同运动形式对中老年人的脑认知功能和有氧运动能力。

1 资料与方法

1.1 一般资料

2018 年6 月至2019 年7 月募集研究实验对象，并完成相关实验测试。相关测试在成都市第一人民医院完成。

纳入标准：①自我报告没有神经或躯体功能紊乱类的疾病；②年龄45～68岁。

将受试者分为太极拳组(TG,n=13)、冥想组(MG,n=14)、有氧运动组(AG,n=17)和久坐组(SG,n=16)。

其中，久坐组纳入标准：①没有参与系统的体育锻炼达5 年以上；②在被募集之前没有冥想锻炼或者太极拳锻炼经历。

最初募集到受试者66 例。在实验过程中，2 例无法完成认知测试过程中的计算机操作，3 例在脑电采集过程中脑电信号严重飘移，1 例未能完成实验，在实验结束时剩下60例。各组间一般资料无显著性差异(P＞0.05)。见表1。

本研究经成都体育学院伦理委员会审核通过，所有受试者均清楚实验过程，且签署知情同意书。

1.2 方法

太极拳组练习24式陈氏太极拳。冥想组采用正念冥想练习。有氧运动组进行有氧运动锻炼，包括慢跑、步行等。均有专业老师进行指导练习。每次40 min，每周4次，共24周。

1.3 评价方法

练习前后分别进行相关指标测试，在受试者方便的时间进行，不集中测试。认知评价和有氧能力测试分开进行。

1.3.1BMI

采用身体成分分析仪(德国赛康)通过生物阻抗法测量受试者的体质量和BMI。

表1 各组一般资料比较

1.3.2有氧运动能力

采用Rockport Fitness 1-mile Walking 步行测试[14]评估受试者有氧运动能力，具体方案见Kline 等[14]的研究，将受试者体质量、性别、年龄和步行时间输入到在线软件(http：//www.exrx.net/Calculators/Rockport.html)中，获取VO2max的测试值。见公式1。

1.3.3P300测试

采用Three-stimulus Oddball 刺激范式诱发P300[15]，其中标准刺激为黑底白字的数字“8”图片，目标刺激为黑底白字的数字“2”图片，非目标刺激为黑底白字的字母“A”图片，分别以76%、12%和12%随机出现，共300次，每隔2.75 s出现1次。刺激出现在距离受试者1.5 m 的显示器屏幕上，背景为淡灰色。要求受试者在目标刺激出现时，用食指点按鼠标按键，对其他刺激不做出反应。正式实验开始前，首先练习15 次，熟悉任务。低频率的目标刺激诱发P3b，低频率的非目标刺激诱发P3a。

采用Neuroscan 64 导脑电仪同步采集受试者的脑电图(electroencephalography,EEG)信号。碱性洗发水洗头，吹干后佩戴脑电帽。接地电极位于前额区Fz和AFz 电极点之间，参考电极位于双侧颞骨乳突连线。在每一个电极位置注入导电膏(GT5，武汉格林泰克)，通过调整导电膏的注入量，使每个位置的电极阻抗都降低到5 kΩ以下。双极记录法监测受试者的垂直和水平眼电。所有电极采样频率1000 Hz，带通滤波0.1～100 Hz。

对数据进行伪迹去除，将带有较大干扰或漂移的脑电段手动去除；使用相关法去除眼电干扰；采用Butterworth 滤波器将数据进行1 Hz 的高通滤波，30 Hz 的低通滤波；将数据按照目标刺激和干扰刺激分段，取事件刺激发生前100 ms 和事件后800 ms 共900 ms的时间段用于提取P300；以刺激出现前100 ms时间段对基线进行校正；阈值法对分段数据再次进行去除伪迹，标准为±80 μV，超过该范围的时间段将被去除；进行叠加平均化处理。根据文献报道[15]，P3a成分和P3b 成分分别选取额区的Fz 和顶区的Pz 位置。根据本研究受试者的特点，P3b成分的时间窗为300～500 ms，在时间窗内计算振幅和潜伏期。

按照以往的研究将振幅定义为刺激出现后的峰值振幅；潜伏期定义为刺激出现至峰值出现的时间。

系统自动记录图片刺激呈现时间与受试者按键的时间，通过Eprime软件自动输出反应时。

1.4 统计学分析

采用SPSS 16.0 进行统计学分析。采用多元方差分析观察不同锻炼方式对P300 的影响，Levene 检验方差齐性，显著性水平α=0.05。对部分变量行双变量相关分析，显著性水平α行Bonferroni 校正。本研究中4 水平独立变量是分组变量，因年龄老化与认知和生理功能退化有关，将年龄变化设置为协变量，因变量分别是VO2max、BMI、反应时、P3b 振幅、P3b潜伏期。

2 结果

2.1 多元方差分析

年龄(F=7.040,P=0.0003,ηp2=0.481)和分组(F=9.090,P＜0.001,ηp2=0.559)显著影响受试者的生理功能和认知功能(F=10.860,P＜0.001,ηp2=0.556)。

2.2 BMI

干预前，各组BMI无显著性差异(P＞0.05)。干预后，有氧运动组BMI减小(P＜0.05)；各组间BMI有非常高度显著性差异(P＜0.001)；久坐组BMI明显大于冥想组和有氧运动组(P＜0.01)，太极拳组BMI与有氧运动组、久坐组比较均无显著性差异(P＞0.05)。见表2。

表2 各组BMI比较(kg/m2)

2.3 有氧运动能力

干预前，各组VO2max 无显著性差异(P＞0.05)。干预后，各组VO2max 有非常高度显著性差异(P＜0.001)；有氧运动组VO2max明显优于太极拳组和久坐组(P＜0.01)；太极拳组和冥想组VO2max 优于久坐组(P＜0.05)。见表3。

表3 各组VO2max比较〔ml/(kg·min)〕

表4 各组P3b振幅比较(μV)

2.4 P300测试

各组在Oddball 任务中在顶区Pz 位置诱发的P3b电位波形见图1。头皮脑电的中线电极位置诱发P300，其时间窗跨度为刺激前的100 ms到刺激出现后的500 ms内。

2.4.1P3b振幅

干预前，各组间P3b 振幅无显著性差异(P＞0.05)。干预后，太极拳组和冥想组P3b 振幅有增加趋势，各组间P3b 振幅有非常高度显著性差异(P＜0.001)；太极拳组、冥想组和有氧运动组P3b 振幅均明显高于久坐组(P＜0.01)；太极拳组P3b 振幅与有氧运动组比较无显著性差异(P＜0.05)。见表4。

2.4.2P3b潜伏期

干预前，各组间P3b 潜伏期无显著性差异(P＞0.05)。干预后，久坐组P3b 潜伏期略长于其他三组，但均无显著性差异(P＞0.05)。见表5。

表5 各组P3b潜伏期比较(ms)

图1 各组Pz位置的P3b波形

2.4.3反应时

干预前，各组间反应时均无显著性差异(P＞0.05)。干预后，太极拳组反应时短于其他三组，其中久坐组平均反应时最长，但是各组间无显著性差异(P＞0.05)。见表6。

表6 各组反应时比较(ms)

2.5 指标间的相关性

经Bonferroni校正，显著性水平α=0.0033。结果显示，年龄与反应时明显正相关(r=0.466,P＜0.01)；反应时与VO2max 显著负相关(r=-0.536,P＜0.001)；P3b振幅与反应时显著负相关(r=-0.566,P＜0.001)。

3 讨论

Rockport Fitness Walking 测试是评价个体心肺机能的方式之一[14]，可评估个体的VO2max 水平。这种测试方法与其他运动方式测试VO2max 的结果具有很好的相关性[14]。该方法符合生理机能合理性：太极拳运动对下肢肌肉要求较高，有氧运动更多以徒步行走的方式进行；本研究实验对象主要是中老年人，采用VO2max直接测量方法有潜在的危险。

本研究显示，有氧运动组和冥想组BMI水平显著低于久坐组。每天有氧运动会使练习者消耗更多的能量，而且长时间有氧运动的能量供应以脂肪为主。我们在走访中发现，这些冥想练习者除了规定的正念冥想练习外，也会参与一些有氧健身锻炼。太极拳练习者与久坐者之间BMI无显著性差异，这可能与太极拳练习者练习太极拳的运动量小和练习时间短有关。

本研究还显示，有氧运动组VO2max 水平最高，其次是冥想组、太极拳组，久坐组最低。VO2max 可以反映个体的有氧运动能力，长期的有氧耐力运动可以提高个体的VO2max 水平。太极拳运动是以腰部为轴带动上下肢做屈伸旋转的慢速运动，在运动过程中全身肌肉都参与收缩。太极拳练习者在运动过程中心率可以达到120～140 次/s，属于中等强度的有氧运动[16-17]。长期从事太极拳运动可以提高练习者VO2max水平和有氧运动能力[18-19]。另外，冥想练习者通常都伴随着一定运动量的有氧运动。我们推测本研究中不同组VO2max 水平高低的差异性主要是由于从事锻炼项目的运动强度和运动时间不同引起。

P3a 与个体注意力参与以及对新奇信息处理有关[20]，其振幅越大，代表对刺激做出的反应需要付出更多的脑力[21]；当出现新刺激时，P3a 振幅更大，对刺激适应后P3a 振幅降低[10]。P3b 主要反映刺激处理过程中工作记忆[10]，不同的范式结构会影响P3b振幅，范式结构越复杂，P3b的振幅越小，潜伏期越长。P3b潜伏期变短，说明神经处理过程更加高效[16]。本研究发现，与久坐者相比，太极拳组和冥想组P3b 振幅有增高趋势；各组之间P3b 的潜伏期无显著性差异。本研究P3b 潜伏期要稍长于其他研究[22]，这可能与刺激任务设置不同有关。据文献报道[21]，P3b 潜伏期为200～500 ms。本研究结果在这个范围内。

目前，关于运动锻炼对P300 影响的研究较多[3-4,16-17]。有研究发现[17]，长期从事有氧运动的老年人P3b 振幅要高于久坐而缺少运动锻炼的同年龄人。还有学者将经常参与身体锻炼的年轻人、老年人与不活动的同年段对照组相比，发现经常参加身体锻炼组的P3b 振幅更高，潜伏期更短[10]。本研究的结果与其相似，尽管久坐组P3b 潜伏期相对来说更长，但未发现统计学差异，这可能与任务范式不同有关[23]。有研究表明[5,16]，有氧健身运动会提高练习者的有氧运动能力，而且认知能力提高与个体较高的VO2max 水平有关。因此，本研究中有氧运动者的P3b 振幅显著高于久坐组。

不同的有氧运动形式对P300 的影响效应不同。太极拳精髓是要求练习者身体运动的同时配合动态冥想，练习者在运动过程中调息，将注意力全部集中在每一个动作细节中，练习者承担一定的精神负荷，可能有助于提高工作记忆和认知能力，所以本研究中太极拳练习者表现出较高的P3b 振幅。同时，太极拳练习者反应时短于其他形式练习者，其中久坐者最长，但是各组间无显著性差异，可能是由于个体差异较大引起。

不同运动锻炼方式者报告的运动强度和运动量比较相近，各组之间的差别主要表现在他们在运动过程中付出的注意力不同[19]。本研究中太极拳练习者、冥想练习者和有氧运动者P3b 振幅均高于久坐组者。太极拳在运动过程中需要集中注意力，冥想练习者在坐位安静状态下集中注意力，而长期久坐者很少有注意力方面的锻炼，所以他们在执行任务时认知能力较弱。

本研究中，与有氧运动者相比，太极拳练习者和冥想者P3b 振幅有增高趋势。冥想者往往会参与一些有氧运动，这可能使他们比单纯进行有氧运动者表现出更优的认知功能。总体来说，太极拳者和冥想练习者以相似的精神锻炼方式进行运动，都提高了大脑的认知功能。这两种方式都比单纯有氧运动对认知功能有更好的效果。