不同形式运动锻炼老年人运动皮层突触可塑性的差异：来自TMS的研究证据.pdf

心理学报 2023,Vol.55,No.10,16531661 2023中国心理学会 Acta Psychologica Sinica https:/doi.org/10.3724/SP.J.1041.2023.01653 收稿日期:2021-09-24*安徽省哲学社会科学规划项目(AHSKY2018D58)。通信作者:孟海江,E-mail: 1653 不同形式运动锻炼老年人运动皮层突触可塑性 的差异：来自TMS的研究证据*孟海江1 陈 蕾1 王 刚1 张 剑2(1安庆师范大学体育学院,安徽 安庆 246133)(2上海体育大学心理学院,上海 200438)摘 要 尽管研究发现运动锻炼会导致大脑运动皮层可塑性改变,但对不同形式运动锻炼老年人初级运动皮层突触可塑性变化的差异性却知之甚少。研究采用经颅磁刺激技术,横向比较了乒乓球锻炼老年人、太极拳锻炼老年人和久坐老年人在配对联合刺激(PAS25)前、后动作诱发电位和短时程皮层内抑制的变化。结果发现,经常参与乒乓球和太极拳运动锻炼老年人 PAS25 后的动作诱发电位振幅持续增强,且乒乓球锻炼老年人增强的幅度显著高于太极拳锻炼老年人。三组老年人 PAS25 后各个时间点的短时程皮层内抑制均没有差异性。提示不同形式运动锻炼老年人初级运动皮层突触可塑性增强存在运动项目差异性。关键词 运动锻炼,老年人,经颅磁刺激,动作诱发电位,运动皮层 分类号 B845;B849:G804 1 前言 与大脑认知功能一样,伴随着年龄增长,老年人的动作控制能力逐渐衰退(Ward,2006),并干扰着日常生活,甚至影响独立生活能力。人脑运动皮层在运动控制中起着主要作用,运动皮层突触可塑性受损为动作控制能力退化提供了理论解释(Morgante et al.,2006;Okano et al.,2015)。运动皮层有效的神经激活是人类迅速和稳定地完成外部运动行为的前提,但是运动皮层神经激活水平会随着年龄的增长而出现不同程度的下降(Ni et al.,2015)。因此,对老年人动作控制能力的认识离不开对大脑运动皮层突触可塑性的研究。人类运动皮层能够发生短暂或持续的可塑性变化,最广为人知的大脑皮层可塑性神经机制是长时程增强(long term potential,LTP)和长时程抑制(Malenka&Bear,2004)。帕金森病患者的脑可塑性研究表明,帕金森病患者的运动障碍与运动皮层突触可塑性受损有关,主要体现在运动皮层类似LTP效应减弱(Morgante et al.,2006)。对优秀运动员的研究发现,他们对运动技能精确控制与运动皮层类似LTP效应增强密切相关(Okano et al.,2015)。人类大脑具有极强的可塑性,其结构和功能随着环境的变化而产生适应性的改变(Pascual-Leone et al.,2005)。最近越来越多研究发现,大脑可塑性变化可能与运动锻炼也有关,比如,运动锻炼能够增加灰质体积和白质完整性(白学军 等,2020;吴殷 等,2015),并对内在的大脑网络神经可塑性和连接性产生积极影响(Erickson&Kramer,2009;Rogge et al.,2018)。尽管已有研究发现了运动锻炼对大脑结构和功能的积极效应,但是人们对经常参与不同形式运动锻炼老年人初级运动皮层(primary motor cortex,M1)突触可塑性变化的差异却知之甚少。M1是对运动行为输出和运动行为控制至关重要的脑区,它是在不断变化的环境中通过皮层内兴奋环路和抑制环路的平衡和相互作用调节神经可塑性和最终运动输出(Ni et al.,2011)。因此,采用经颅磁刺激技 术(transcranial magnetic stimulation,1654 心 理 学 报 第55卷 TMS)探讨经常参与不同形式运动锻炼老年人运动皮层兴奋性和皮层内抑制的变化可能对我们深入了解规律运动锻炼老年人神经可塑性变化特征以及与运动控制能力关系具有重要意义。长期运动后动作诱发电位(motor evoked potential,MEP)振幅增加可能与突触可塑性增强有关,也可能与皮层内神经元结构的功能性改变、运动神经元募集个数以及运动神经元放电率增长等有关(Jones,2000;Daoudal&Debanne,2003)。为了排除上述其它因素的影响且更纯粹考察不同形式运动锻炼老年人运动皮层突触可塑性的差异,低频的、非侵入式的配对联合刺激(paired associative stimulation,PAS)将是一种诱发人类M1发生突触可塑性变化的较佳技术。研究表明(Stefan et al.,2000),PAS能够改变M1中特定区域突触效能,突触效能变化与LTP或长时程抑制有相似的特征,故称PAS诱发人类M1发生类似于LTP或长时程抑制的突触可塑性。外周正中神经给予一个电刺激,间隔25 ms之后,再给予对侧M1的手部肌肉表征区域一个TMS,这两种刺激大约同时到达M1,可以诱发运动皮层兴奋性持续增强,该范式被称为PAS25。单脉冲TMS以足够的刺激强度刺激M1时,能够在目标肌肉记录到反映皮层兴奋性水平的MEP(Hallett,2007)。双脉冲TMS能够用于测试M1的皮层内抑制性环路。当一个阈下的条件刺激与一个紧跟着的阈上测试刺激之间的时间间隔为15 ms时,运动皮层内能够诱发出短时程皮层内抑制(short interval intracortical inhibition,SICI)。SICI是研究M1的皮层内环路最常用的方法,代表M1的主要抑制性环路(Kujirai et al.,1993)。为了探讨不同形式运动锻炼对老年人M1的突触可塑性,本研究筛选出经常参与乒乓球运动锻炼老年人、经常参与太极拳运动锻炼老年人和长期久坐老年人作为调查对象。三个组别的设置主要基于以下原因：1)考虑到PAS25诱发人类M1突触可塑性变化效应特定于拇短展肌(abductor pollicis brevis,APB)的皮层表征区(Stefan et al.,2000),以及采用TMS技术考察M1突触可塑性变化只能通过手部特定肌肉记录的MEP进行评价,研究中经常参与运动锻炼的调查对象主要选取乒乓球运动锻炼或太极拳运动锻炼的老年人。乒乓球运动主要使用手部小肌肉群(比如APB、第一背侧骨间肌等)的参与实现动作的精细控制,或搓或削,或打或拉(戴雯 等,2017),而太极拳运动则需要这些手部小 肌肉的力量、灵活性和协调性完成握捏、按压、托起、钳紧等精细动作,以上这些动作的重复将会引起参与运动肌肉的皮层表征区发生特异性功能变化;2)最近一项研究表明,不同形式运动锻炼的身心效益差别较大(Chekroud et al.,2018)。仅仅从乒乓球运动的身心效益推及到整个体育运动显得证据不足,对多种运动锻炼方式的身心效益进行比较的研究可能更加有价值(Milkman et al.,2021)。因此,本研究中增加一个非球类运动组(太极拳组)作为对照,拟探讨不同形式的运动锻炼对老年人M1突触可塑性的差异。基于此,研究提出了2个假设：1)与久坐老年人相比,经常参与乒乓球或太极拳运动锻炼的老年人手部肌肉APB的运动皮层表征区突触可塑性增强;2)不同形式运动锻炼老年人的运动皮层突触可塑性变化存在差异性。2 方法 2.1 调查对象 54名年龄范围为6070岁的健康老年人参加了本研究。所有调查对象均为右利手,并使用Oldfield左右利手偏侧化测试确认。该研究获得上海体育大学人类研究伦理委员会批准(102772019RT012),并按照赫尔辛基宣言确立的标准进行实验。所有调查对象的入选标准和排除标准见表1。表1 本研究调查对象入选标准和排除标准一览表 入选标准 排除标准 1.6070岁 1.患有阿尔茨海默症或者其它神经退行性疾病 2.自愿参与整个研究 2.简易精神 状 态测试得分 26分 3.能够填写书面知情同意书 3.由于神经肌肉或肌肉骨骼的限制而无法运动人群 4.经常参与乒乓球或太极拳锻炼或经常久坐人群 4.具有精神分裂症、情感性障碍或抑郁症等心理疾病 5.具有睡眠障碍病史 6.近2年内有酗酒依赖史 7.近5年内有癌症病史或其它严重的系统性疾病 8.具有高血压、冠心病及其它器质性心脏病 9.具有内分泌代谢疾病、糖尿病病史 10.除乒乓球或太极拳运动外还经常参与其它形式运动 第10期 孟海江 等:不同形式运动锻炼老年人运动皮层突触可塑性的差异：来自TMS的研究证据 1655 在参照国际体力活动量表的基础上,本研究自行设计了有关老年人参与乒乓球或太极拳运动锻炼以及久坐情况的调查问卷。问卷包括12个条目,主要涉及老年人久坐时间以及参与乒乓球或太极拳运动锻炼的时间、强度和频率等,8位相关领域专家评价该问卷内容效度较好。为了更准确地反映出老年人参与运动锻炼的程度,要求老年人长期专注于闲暇时间的运动锻炼,重点是具有中等以上强度的乒乓球运动或太极拳运动。此外,没有调查对象报告长期专门使用双手,比如演奏乐器等。调查对象分组标准是按照参与乒乓球或太极拳运动锻炼的运动时间、运动强度、运动频率和久坐时间等来确定。当同时满足以下4个条件时,可将调查对象划为乒乓球运动锻炼组(18名)和太极拳运动锻炼组(18名)：1)经常参与乒乓球或太极拳运动锻炼;2)运动强度为中等及以上;3)运动频率 3次/每周;4)运动时间 60分钟/每次。对于不满足以上4个条件且无运动锻炼习惯、久坐时间 360分钟/每天(Patterson et al.,2018)的调查对象划为久坐组(18名)。三组调查对象平均年龄F(2,51)=0.64,p=0.533、简易精神状态得分F(2,51)=0.31,p=0.736、教育年限F(2,51)=0.68,p=0.513和性别比例(2=1.04,p=0.595)均无显著性差异。三组调查对象的基本情况见表2。表2 三组调查对象基本情况一览表(M SD)变量 乒乓球组(18名)太极拳组(18名)久坐组(18名)平均年龄(岁)66.11 3.3665.61 3.40 64.89 3.03性别(n女)7 10 9 教育年限(年)11.83 2.3611.33 3.34 12.39 2.35简易精神状态得分 27.83 0.8627.78 1.06 27.61 0.70 2.2 实验设计 实验采用3(组别)4(时间点)的两因素混合设计,组别(乒乓球锻炼组、太极拳锻炼组、久坐组)、时间点(基线、刺激后0、30、60分钟)均为自变量,MEP振幅、SICI为因变量。2.3 经颅磁刺激及肌电记录 两个Magstim 200刺激器(Magstim,Whitland,Dyfed,UK)通过一个BISTIM模块连接到同一个“8”字型线圈(每个线圈外部直径9.5 cm),线圈作用于调查对象的左侧M1进行磁刺激。线圈相切于颅骨,手柄朝向后方,并与大脑矢状面呈45夹角,电流流向由后向前。APB受正中神经支配且是乒乓球和太极拳运动的主要参与肌肉,因此该肌肉被选为目标肌肉。右手APB脑部激活的最佳位置用专用笔标记作为运动热点。TMS刺激右手APB的最佳头皮位置是通过每次移动线圈1 cm直到找到最大的MEP来确定。直径9 mm的Ag-AgCl表面电极用于记录调查对象右手APB的表面肌电。活动电极放置在肌腹,参考电极放在掌指关节处,接地电极放置在右腕处。原始信号被放大器放大(1000倍)、带通滤波过滤(20 Hz2.5 kHz)、由5 kHz的数字转换接口数字化(Micro 1401,Cambridge Electronics Design,Cambridge,UK),并存储在计算机上,通过Signal 6.0软件进行离线分析。2.4 配对联合刺激方案 本研究中左侧M1突触可塑性诱发采用了Stefan等人(2000)设计的PAS范式。PAS25范式是首先在调查对象右手腕部的正中神经处给予一个刺激强度相当于3倍感觉阈限的电刺激,25 ms后在左侧M1给予一个单脉冲TMS(刺激强度为诱发1 mV MEP时的强度)。给予P