认知功能损伤对双任务站立影响的中枢机制：功能性近红外脑成像系统分析

doi:10.12307/2025.632

中国组织工程研究 ›› 2025, Vol. 29 ›› Issue (17): 3579-3587.doi: 10.12307/2025.632

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认知功能损伤对双任务站立影响的中枢机制：功能性近红外脑成像系统分析

董志文1，于聪1，陈岩1，丁建军2

1山东体育学院运动与健康学院，山东省济南市 250102；2山东体育学院国家足球学院国家篮球学院，山东省日照市 275900

收稿日期:2024-05-27 接受日期:2024-07-11 出版日期:2025-06-18 发布日期:2024-11-01
通讯作者: 陈岩，博士，教授，山东体育学院运动与健康学院，山东省济南市 250102 通讯作者：丁建军，硕士，讲师，山东体育学院国家足球学院国家篮球学院，山东省日照市 275900
作者简介:董志文，男，1999年生，河南省太康县人，汉族，山东体育学院在读硕士，主要从事康复生物力学与脑机制方面的研究。
基金资助:
国家体育总局科技创新项目(23KJCX058)，项目负责人：陈岩

Central nervous mechanisms underlying effects of cognitive impairment on dual-task stance: #br# functional near-infrared spectroscopy analysis

Dong Zhiwen1, Yu Cong1, Chen Yan1, Ding Jianjun2

1School of Sports and Health, Shandong Sport University, Jinan 250102, Shandong Province, China; 2National Football Academy and National Basketball Academy, Shandong Sport University, Rizhao 275900, Shandong Province, China

Received:2024-05-27 Accepted:2024-07-11 Online:2025-06-18 Published:2024-11-01
Contact: Chen Yan, MD, Professor, School of Sports and Health, Shandong Sport University, Jinan 250102, Shandong Province, China Corresponding author: Ding Jianjun, Master, Lecturer, National Football Academy and National Basketball Academy, Shandong Sport University, Rizhao 275900, Shandong Province, China
About author:Dong Zhiwen, Master candidate, School of Sports and Health, Shandong Sport University, Jinan 250102, Shandong Province, China
Supported by:
Science and Technology Innovation Project of the General Administration of Sport of China, No. 23KJCX058 (to CY)

摘要/Abstract

摘要：

文题释义：
轻度认知障碍老年人：轻度认知障碍指的是一种介于正常老化与痴呆之间的状态，患者虽未完全丧失日常生活能力，但已出现记忆、注意力和执行功能的轻度退化。认知功能减退可能削弱了运动控制和平衡调节能力，导致轻度认知障碍老年人的跌倒率升高。
功能性近红外脑成像技术(functional near-infrared spectroscopy，fNIRS)：是利用近红外光穿透颅骨，探测大脑皮质氧合血红蛋白与脱氧血红蛋白的浓度变化，基于神经血管偶联机制，反映大脑皮质功能活动水平。该技术因非侵入性、便携性、对环境和运动伪影不敏感，适合在自然或模拟自然环境中实时监测人体站立或行走时的大脑皮质状态。

背景：轻度认知障碍老年人由于认知功能下降，姿势控制能力下降，易发生跌倒。双任务范式由于更贴近日常生活，常被用于评估姿势控制能力，但以往对于轻度认知障碍老年人的认知与姿势控制双任务研究主要探讨姿势控制的外在表现特征，中枢神经机制的直接证据依然缺乏。
目的：探讨轻度认知障碍老年人在执行站立姿势控制-空间工作记忆双任务时大脑躯体感觉运动皮质激活特征。
方法：采用蒙特利尔认知量表(MoCA-B)筛选受试者，共纳入轻度认知障碍老年人16人、认知功能正常老年人17人，进行5种任务测试，分别为空间工作记忆(SIT)、双足平衡站立(SD)、Romberg 站立(SR)、双足平衡站立-空间工作记忆双任务(DD)、Romberg 站立-空间工作记忆双任务(DR)；同时使用功能性近红外脑成像系统和三维测力台收集躯体感觉运动皮质(20个通道)的血液动力学、足底压力中心(COP)摆动轨迹数据。
结果与结论：①在Romberg 站立、双足平衡站立-空间工作记忆双任务、Romberg 站立-空间工作记忆双任务下，轻度认知障碍老年人前后、内外方向足底压力中心位移均显著大于认知功能正常老年人(P < 0.05)；②在双足平衡站立-空间工作记忆双任务下，轻度认知障碍老年人15通道(右侧前运动皮质/辅助运动区)的氧合血红蛋白变化量值显著大于认知功能正常老年人(P < 0.05)；在Romberg 站立-空间工作记忆双任务下，轻度认知障碍老年人15，17通道(右侧前运动皮质/辅助运动区)的氧合血红蛋白变化量值均显著大于认知功能正常老年人(P < 0.05)；③在Romberg 站立-空间工作记忆双任务下，轻度认知障碍老年人内外方向足底压力中心位移与15通道的氧合血红蛋白变化量存在显著正相关(r=0.659，P < 0.05)，认知功能正常老年人内外方向足底压力中心位移与15通道的氧合血红蛋白变化量存在高度正相关(r=0.840，P < 0.05)。结果表明，与认知功能正常老年人相比，轻度认知障碍老年人在站立姿势控制-空间工作记忆双任务中站立姿势控制能力较弱，右侧前运动皮质与辅助运动区激活水平更高，更多的脑资源用于侧向姿势控制，可能是轻度认知障碍老年人认知衰退导致站立姿势控制能力变弱的大脑补偿机制。
https://orcid.org/0009-0001-8844-2801(董志文)

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

关键词: 轻度认知障碍, 姿势控制, 空间工作记忆, 前运动皮质, 辅助运动区, 功能性近红外光谱

Abstract: BACKGROUND: Elderly people with mild cognitive impairment experience a decline in postural control ability due to cognitive function decline, making them more prone to falls. The dual-task paradigm, which more closely mirrors daily life, is often used to assess postural control ability. However, previous dual-task studies on cognition and postural control in elderly people with mild cognitive impairment have mainly focused on the external manifestations of postural control, with direct evidence of central nervous mechanisms still lacking.
OBJECTIVE: To investigate the activation characteristics of the cerebral somatic sensorimotor cortex in the elderly people with mild cognitive impairment while performing the dual task of stance postural control and spatial working memory.
METHODS: Participants were screened using the Montreal Cognitive Assessment, enrolling 16 elderly people with mild cognitive impairment and 17 healthy older people. They performed five task tests: spatial working memory, dual-feet balance stance, Romberg stance, dual task of dual-feet balance stance and spatial working memory, and dual task of Romberg stance and spatial working memory. Functional near-infrared spectroscopy and a three-dimentional force platform were used simultaneously to collect data on cerebral cortex (20 channels) hemodynamics and center of pressure swing trajectory.
RESULTS AND CONCLUSION: In Romberg stance, dual task of dual-feet balance stance and spatial working memory, and dual task of Romberg stance and spatial working memory tasks, center of pressure displacements in anterior-posterior and medial-lateral directions were significantly greater in mild cognitive impairment elderly people than that in normal elder people (P < 0.05). In dual task of dual-feet balance stance and spatial working memory task, ΔHbO2 at channel 15 (right pre-motor cortex and supplementary motor area) was significantly greater in mild cognitive impairment elderly people than that in normal elder people (P < 0.05). In dual task of Romberg stance and spatial working memory task, ΔHbO2 at channels 15 and 17 (right pre-motor cortex and supplementary motor area) was significantly greater in the elderly people with mild cognitive impairment compared with the healthy older people (P < 0.05). In dual task of Romberg stance and spatial working memory task, a significantly positive correlation in the elderly people with mild cognitive impairment (r=0.659, P < 0.05) and a strong positive correlation in the healthy older people were observed between center of pressure displacement in medial-lateral direction and ΔHbO2 at channel 15 (r=0.840, P < 0.05). The results indicate that compared with the cognitively normal healthy older people, the elderly people with mild cognitive impairment showed weaker stance postural control capability during the dual task of stance postural control and spatial working memory, with higher activation levels in the right pre-motor cortex and supplementary motor area. The increased brain resource allocation for lateral postural control may represent the brain compensation mechanism in the elderly people with mild cognitive impairment due to cognitive decline leading to weakened stance postural control ability.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

Key words: mild cognitive impairment, postural control, spatial working memory, pre-motor cortex, supplementary motor area, functional near-infrared spectroscopy

中图分类号:

董志文, 于聪, 陈岩, 丁建军. 认知功能损伤对双任务站立影响的中枢机制：功能性近红外脑成像系统分析[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(17): 3579-3587.

Dong Zhiwen, Yu Cong, Chen Yan, Ding Jianjun . Central nervous mechanisms underlying effects of cognitive impairment on dual-task stance: #br# functional near-infrared spectroscopy analysis[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2025, 29(17): 3579-3587.

图/表（结果） 4

2.1 受试者人口统计学特征 33名受试者全部进入结果分析，无脱落，轻度认知障碍组16名(男/女，13/3)和认知功能正常组17名(男/女，13/4)。使用独立样本t检验对两组人群的人口学特征进行了比较，结果显示在MoCA-B量表得分上轻度认知障碍组(22.56±1.93)分和认知功能正常组(27.12±0.99)分差异有显著性意义(P < 0.001)；在其他指标上，如年龄、身高、体质量、受教育年限方面，轻度认知障碍组与认知功能正常组比较差异无显著性意义(P > 0.05)[32]。
2.2 足底压力中心位移结果前后方向足底压力中心位移、内外方向足底压力中心位移在组别与任务间均存在交互效应(前后方向足底压力中心位移：F=9.571、P=0.01、ηP2=0.224，内外方向足底压力中心位移：F=11.934、P < 0.001、ηP2=0.168)，进行简单效应分析，见图4。
2.2.1 组内比较
(1)轻度认知障碍老年人：前后方向足底压力中心位移在Romberg 站立-空间工作记忆双任务时最大(0.093±0.037) m，双足平衡站立任务最小(0.045±0.015) m，Romberg 站立任务(0.073±0.028) m显著大于双足平衡站立-空间工作记忆双任务(0.054±0.018) m (P < 0.05)；内外方向足底压力中心位移在Romberg 站立-空间工作记忆双任务时最大(0.13±0.037) m，双足平衡站立任务最小(0.043±0.013)m，Romberg 站立任务(0.082±0.025) m大于双足平衡站立-空间工作记忆双任务(0.069±0.018) m (P < 0.05)。
(2)认知功能正常老年人：前后方向足底压力中心位移在Romberg 站立-空间工作记忆双任务时最大(0.081±0.027) m，Romberg 站立任务显著大于双足平衡站立(0.065±0.024) m和双足平衡站立-空间工作记忆双任务(0.045±0.012) m (P < 0.05)，双足平衡站立(0.047±0.013) m和双足平衡站立-空间工作记忆双任务相比差异无显著性意义(P > 0.05)；内外方向足底压力中心位移在Romberg 站立-空间工作记忆双任务时最大(0.095±0.045) m、双足平衡站立任务最小(0.066±0.014) m (P < 0.05)，Romberg 站立(0.039±0.006) m和双足平衡站立-空间工作记忆双任务(0.063±0.022) m相比差异无显著性意义(P > 0.05)。
2.2.2 组间比较在双足平衡站立任务下，轻度认知障碍老年人与认知功能正常老年人前后方向足底压力中心位移、内外方向足底压力中心位移比较差异均无显著显著性意义(P > 0.05)；在Romberg 站立、双足平衡站立-空间工作记忆双任务、Romberg 站立-空间工作记忆双任务下，轻度认知障碍老年人前后方向足底压力中心位移、内外方向足底压力中心位移显著大于认知功能正常老年人(P < 0.05)，说明两种双任务站立情况下轻度认知障碍老年人前后、内外方向姿势控制能力均比认知功能正常老年人差。
2.3 前运动皮质与辅助运动区血液动力学结果 15通道、17通道(右侧前运动皮质与辅助运动区)的氧合血红蛋白变化量在组别与任务间均存在交互效应(15通道：F=6.307、P=0.025、ηP2=0.179；17通道：F=4.286、P=0.043、ηP2=0.134)，进行简单效应分析见图5。其他通道的氧合血红蛋白变化量不存在交互效应(P > 0.05)。
2.3.1 组内比较
(1)轻度认知障碍老年人：15通道的氧合血红蛋白变化量值在Romberg 站立-空间工作记忆双任务最大(6.451±1.023)×10-7 mmol/L，空间工作记忆任务最小(1.278±1.143)×10-7 mmol/L，双足平衡站立任务(2.142±1.405)×10-7 mmol/L显著小于Romberg 站立任务(2.958±1.314)×10-7 mmol/L，Romberg 站立任务显著小于双足平衡站立-空间工作记忆双任务(4.953±1.667)×10-7 mmol/L(P < 0.05)；17通道的氧合血红蛋白变化量值在Romberg 站立-空间工作记忆双任务最大(2.891±1.581)×10-7 mmol/L(P < 0.05)，其余任务间比较差异无显著性意义[空间工作记忆任务(2.117±1.302)×10-7 mmol/L、双足平衡站立(2.243±1.038)×10-7 mmol/L、Romberg 站立(2.265±1.245)× 10-7 mmol/L)、双足平衡站立-空间工作记忆双任务(2.172±1.414)×10-7 mmol/L，P > 0.05]。
(2)认知功能正常老年人：15通道的氧合血红蛋白变化量值在Romberg 站立-空间工作记忆双任务最大(5.637±0.953)×10-7 mmol/L，空间工作记忆任务最小(1.167±1.063)×10-7 mmol/L，双足平衡站立任务(2.236±1.179)×10-7 mmol/L显著小于Romberg 站立任务(2.779±1.334)×10-7 mmol/L与双足平衡站立-空间工作记忆双任务(4.232±1.221)×10-7 mmol/L，Romberg 站立任务显著小于双足平衡站立-空间工作记忆双任务(P < 0.05)；17通道的氧合血红蛋白变化量值在Romberg 站立-空间工作记忆双任务显著最大(2.679±1.357)×10-7 mmol/L(P < 0.05)，其余任务间比较差异无显著性意义[空间工作记忆任务 (1.954±1.266)×10-7 mmol/L、双足平衡站立(2.323±1.531)×10-7 mmol/L、Romberg 站立( 2.075±1.472)× 10-7 mmol/L、双足平衡站立-空间工作记忆双任务(2.206±1.189)×10-7 mmol/L， P > 0.05]。
2.3.2 组间比较在空间工作记忆任务、双足平衡站立、Romberg 站立任务下，轻度认知障碍老年人与认知功能正常老年人15，17通道的氧合血红蛋白变化量值比较差异无显著性意义(P > 0.05)；在双足平衡站立-空间工作记忆双任务下，15通道的氧合血红蛋白变化量值轻度认知障碍老年人显著大于认知功能正常老年人(P < 0.05)；17通道的氧合血红蛋白变化量值二者比较差异无显著性意义(P > 0.05)。在Romberg 站立-空间工作记忆双任务下，轻度认知障碍老年人15，17通道的氧合血红蛋白变化量均显著大于认知功能正常老年人(P < 0.05)，说明在两种双任务站立情况下，轻度认知障碍老年人右侧前运动皮质与辅助运动区激活水平比认知功能正常老年人高。
2.4 15，17通道氧合血红蛋白变化量与足底压力中心数据相关性结果将双足平衡站立、Romberg 站立、双足平衡站立-空间工作记忆双任务、Romberg 站立-空间工作记忆双任务下，15，17通道的氧合血红蛋白变化量与足底压力中心位移进行相关性分析，发现仅在Romberg 站立-空间工作记忆双任务下，轻度认知障碍老年人的内外方向足底压力中心位移与15通道的氧合血红蛋白变化量存在显著正相关(r=0.659，P=0.005)，认知功能正常老

年人的内外方向足底压力中心位移与15通道的氧合血红蛋白变化量存在高度正相关(r=0.840，P < 0.001)，见图6。

2.5 不良事件受试者在完成试验过程中均受到良好的保护，未发生任何不良事件。

参考文献

[1] 郭程程, 王月枫, 候林林, 等. 轻度认知功能障碍病人体力活动研究进展[J]. 护理研究,2021,35(19):3458-3461.
[2] JONGSIRIYANYONG S, LIMPAWATTANA P. Mild cognitive impairment in clinical practice: a review article. Am J Alzheimers Dis Other Demen. 2018;33(8):500-507.
[3] 史路平, 姚水洪, 王薇. 中国老年人群轻度认知障碍患病率及发展趋势的Meta分析[J]. 中国全科医学,2022,25(1):109-114.
[4] 袁梓健, 郭立燕, 张妍, 等. 中国老年人轻度认知障碍现状及其影响因素[J]. 济宁医学院学报,2022,45(3):183-188.
[5] TYROVOLAS S, KOYANAGI A, LARA E, et al. Mild cognitive impairment is associated with falls among older adults: Findings from the Irish Longitudinal Study on Ageing (TILDA). Exp Gerontol. 2016;75:42-47.
[6] 高纪明, 王少君, 徐冬青. 侧向稳定性与老年人跌倒研究进展[J]. 中国老年学杂志,2010,30(17):2540-2542.
[7] YANG Y, KOMISAR V, SHISHOV N, et al. The effect of fall biomechanics on risk for hip fracture in older adults: a cohort study of video‐captured falls in long‐term care. J Bone Miner Res. 2020;35(10):1914-1922.
[8] VAN SCHOOTEN KS, YANG Y, FELDMAN F, et al. The association between fall frequency, injury risk, and characteristics of falls in older residents of long-term care: do recurrent fallers fall more safely?. J Gerontol A Biol Sci Med Sci. 2018;73(6):786-791.
[9] 魏书侠, 池秋路. 老年轻度认知障碍患者跌倒风险及干预研究[J]. 解放军预防医学杂志,2016(S2):66-67.
[10] MIGNARDOT JB, BEAUCHET O, ANNWEILER C, et al. Postural sway, falls, and cognitive status: a cross-sectional study among older adults.J Alzheimers Dis. 2014;41(2):431-439.
[11] ANDERSSON G, YARDLEY L, LUXON L. A dual-task study of interference between mental activity and control of balance. Am J Otol. 1998; 19(5):632-637.
[12] VALLABHAJOSULA S, TAN CW, MUKHERJEE M, et al. Biomechanical analyses of stair-climbing while dual-tasking. J Biomech. 2015; 48(6):921-929.
[13] LEONE C, FEYS P, MOUMDJIAN L, et al. Cognitive-motor dual-task interference: a systematic review of neural correlates. Neurosci Biobehav Rev. 2017;75:348-360.
[14] KÜNSTLER E, FINKE K, GÜNTHER A, et al. Motor-cognitive dual-task performance: Effects of a concurrent motor task on distinct components of visual processing capacity. Psychol Res. 2018;82(1): 177-185.
[15] BORIPUNTAKUL S, LORD S, BRODIE M, et al. Spatial variability during gait initiation while dual tasking is increased in individuals with mild cognitive impairment. J Nutr Health Aging. 2014;18(3):307-312.
[16] HUNTER SW, DIVINE A, FRENGOPOULOS C, et al. A framework for secondary cognitive and motor tasks in dual-task gait testing in people with mild cognitive impairment. BMC Geriatr. 2018;18(1):202.
[17] LIU X, CHEN MH, YUE GH. Postural control dysfunction and balance rehabilitation in older adults with mild cognitive impairment.Brain Sci. 2020;10(11):873.
[18] SCHOLKMANN F, KLEISER S, METZ AJ, et al. A review on continuous wave functional near-infrared spectroscopy and imaging instrumentation and methodology. Neuroimage. 2014;85 Pt 1:6-27.
[19] 刘宝根, 周兢, 李菲菲. 脑功能成像的新方法：功能性近红外光谱技术 (fNIRS)[J]. 心理科学,2011,34(4):943-949.
[20] MIHARA M, MIYAI I, HATAKENAKA M, et al. Role of the prefrontal cortex in human balance control. Neuroimage. 2008;43(2):329-336.
[21] Huo C, Xu G, Xie H, et al. Functional near-infrared spectroscopy in non-invasive neuromodulation. Neural Regen Res. 2024;19(7):1517-1522.
[22] CHEN Y, YU Y, NIU R, et al. Selective effects of postural control on spatial vs. nonspatial working memory: A functional near-infrared spectral imaging study. Front Hum Neurosci. 2018;12:243.
[23] CHONG RK, MILLS B, DAILEY L, et al. Specific interference between a cognitive task and sensory organization for stance balance control in healthy young adults: visuospatial effects. Neuropsychologia. 2010;48(9):2709-2718.
[24] MACKEY WE, DEVINSKY O, DOYLE WK, et al. Human parietal cortex lesions impact the precision of spatial working memory.J Neurophysiol. 2016;116(3):1049-1054.
[25] PINTO TC, MACHADO L, BULGACOV TM, et al. Is the Montreal Cognitive Assessment (MoCA) screening superior to the Mini-Mental State Examination (MMSE) in the detection of mild cognitive impairment (MCI) and Alzheimer’s Disease (AD) in the elderly?. Int Psychogeriatr. 2019;31(4):491-504.
[26] CHEN Y, WAN A, MAO M, et al. Tai Chi practice enables prefrontal cortex bilateral activation and gait performance prioritization during dual-task negotiating obstacle in older adults.Front Aging Neurosci. 2022;14:1000427.
[27] BROOKS LR. The suppression of visualization by reading. Q J Exp Psychol. 1967;19(4):289-299.
[28] 朱晓兰, 赵芳, 周兴龙. 老年人步态特征的分析及其评价系统的初步建立[J]. 北京体育大学学报,2006,29(2):201-203.
[29] BASSINGTHWAIGHTE JB, KING RB, SAMBROOK JE, et al. Fractal analysis of blood-tissue exchange kinetics. Adv Exp Med Biol. 1988;222: 15-23.
[30] HOSHI Y. Functional near‐infrared spectroscopy: potential and limitations in neuroimaging studies. Int Rev Neurobiol. 2005;66:237-266.
[31] MAIDAN I, NIEUWHOF F, BERNAD-ELAZARI H, et al. The role of the frontal lobe in complex walking among patients with Parkinson’s disease and healthy older adults: an fNIRS study. Neurorehabil Neural Repair. 2016;30(10):963-971.
[32] 张雨馨, 于聪, 张翠, 等. 轻度认知障碍老人与认知正常老人在不同单双任务下姿势控制能力的差异性[J]. 中国组织工程研究,2025, 29(8):1643-1649.
[33] DESCHAMPS T, BEAUCHET O, ANNWEILER C, et al. Postural control and cognitive decline in older adults: position versus velocity implicit motor strategy. Gait Posture. 2014;39(1):628-630.
[34] MITRA S, VERNON M, BOULTON H. The role of spatial alignment in posture-cognition dual task interaction. Gait Posture. 2022;93:54-58.
[35] BOHLE H, RIMPEL J, SCHAUENBURG G, et al. Behavioral and neural correlates of cognitive‐motor interference during multitasking in young and old adults. Neural Plast. 2019;2019:9478656.
[36] KELLY VE, EUSTERBROCK AJ, SHUMWAY-COOK A. A Review of Dual‐Task Walking Deficits in People with Parkinson’s Disease: Motor and Cognitive Contributions, Mechanisms, and Clinical Implications. Parkinsons Dis. 2012;2012:918719.
[37] MONTERO-ODASSO M, MUIR SW, SPEECHLEY M. Dual-task complexity affects gait in people with mild cognitive impairment: the interplay between gait variability, dual tasking, and risk of falls. Arch Phys Med Rehabil. 2012;93(2):293-299.
[38] BOISGONTIER MP, BEETS IA, DUYSENS J, et al. Age-related differences in attentional cost associated with postural dual tasks: increased recruitment of generic cognitive resources in older adults. Neurosci Biobehav Rev. 2013;37(8):1824-1837.
[39] KUAN YC, HUANG LK, WANG YH, et al. Balance and gait performance in older adults with early-stage cognitive impairment. Eur J Phys Rehabil Med. 2021;57(4):560-567.
[40] LI KZ, BHERER L, MIRELMAN A, et al. Cognitive involvement in balance, gait and dual-tasking in aging: a focused review from a neuroscience of aging perspective. Front Neurol. 2018;9:913.
[41] FUHRMAN SI, REDFERN MS, JENNINGS JR, et al. Interference between postural control and spatial vs. non-spatial auditory reaction time tasks in older adults. J Vestib Res. 2015;25(2):47-55.
[42] JACOBS JV, HORAK F. Cortical control of postural responses.J Neural Transm (Vienna). 2007;114(10):1339-1348.
[43] MIHARA M, MIYAI I, HATTORI N, et al. Cortical control of postural balance in patients with hemiplegic stroke. Neuroreport.2012;23(5): 314-319.
[44] MIRELMAN A, MAIDAN I, BERNAD-ELAZARI H, et al. Increased frontal brain activation during walking while dual tasking: an fNIRS study in healthy young adults. J Neuroeng Rehabil. 2014;11:85.
[45] TAUBERT M, LOHMANN G, MARGULIES DS, et al. Long-term effects of motor training on resting-state networks and underlying brain structure. Neuroimage. 2011;57(4):1492-1498.
[46] CURTIS CE, D’ESPOSITO M. Persistent activity in the prefrontal cortex during working memory. Trends Cogn Sci. 2003;7(9):415-423.
[47] WAGER TD, SMITH EE. Neuroimaging studies of working memory. Cogn Affect Behav Neurosci. 2003;3(4):255-274.
[48] OZDEMIR RA, CONTRERAS-VIDAL JL, PALOSKI WH. Cortical control of upright stance in elderly. Mech Ageing Dev. 2018;169:19-31.
[49] KIYONAGA A, POWERS JP, CHIU YC, et al. Hemisphere-specific parietal contributions to the interplay between working memory and attention. J Cogn Neurosci. 2021;33(8):1428-1441.
[50] VELANOVA K, WHEELER ME, LUNA B. Maturational changes in anterior cingulate and frontoparietal recruitment support the development of error processing and inhibitory control. Cereb Cortex. 2008;18(11):2505-2522.
[51] PETERSEN RC, NEGASH S. Mild cognitive impairment: an overview. CNS Spectr. 2008;13(1):45-53.
[52] MORRISON JH, BAXTER MG. The ageing cortical synapse: hallmarks and implications for cognitive decline. Nat Rev Neurosci. 2012;13(4): 240-250.
[53] BECK DM, MUGGLETON N, WALSH V, et al. Right parietal cortex plays a critical role in change blindness. Cereb Cortex. 2006;16(5):712-717.
[54] YAMANAKA K, YAMAGATA B, TOMIOKA H, et al. Transcranial magnetic stimulation of the parietal cortex facilitates spatial working memory: near-infrared spectroscopy study. Cereb Cortex. 2010;20(5):1037-1045.

引言

随着年龄增长和系统功能老化，老年人面临认知功能衰退的问题[1]。轻度认知障碍是认知功能处于正常与痴呆间的过渡状态[2]。中国老年人轻度认知障碍的患病率呈现快速增长趋势，已成为重要的公共卫生问题之一[3-4]。认知功能障碍减弱老年人对环境的感知和对危险的辨识能力，比认知功能正常老年人更易发生跌倒[5]。特别值得注意的是，轻度认知障碍老年人可能由于空间感知和身体协调能力的损害，在行走或改变方向时更容易失去横向平衡，增加侧向摔倒的风险[6]。跌倒导致严重后果，包括髋部骨折[7]、颅脑损伤等身体伤害[8]，同时也可能导致心理和生理健康进一步恶化，使其生活质量降低，成为死亡的重要因素之一[9]。因此，轻度认知障碍老年人的跌倒预防急需高度关注。
姿势控制能力下降是跌倒的主要危险因素[10]。人体姿势控制能力不仅与动作难度、运动系统功能有关，还与大脑认知能力有关[11]。研究表明，人体姿势控制需要认知资源参与，姿势控制难度越大，认知资源的需求越高[12]。
执行具有认知-姿势控制竞争特征的双重或多重任务，如边走路边打电话，日常生活中无处不在，对轻度认知障碍老年人是一项挑战。根据能力共享理论，如果认知需求超过可用资源的总容量，同时进行两个任务可能会导致其中一个或两个任务的表现下降[13-14]。认知-姿势控制双任务范式被越来越多的应用于轻度认知障碍老年人姿势控制研究及探究其易跌倒的原因[15-16]。轻度认知障碍老年人在任务中表现出较差的姿势控制能力和更大的双任务成本[17]，可能反映他们比认知功能正常老年人更有限的中枢信息处理能力。目前对于轻度认知障碍老年人的认知与姿势控制双任务研究主要探讨姿势控制的外在表现特征，中枢神经机制的直接证据依然缺乏。
功能性近红外脑成像技术(functional near-infrared spectroscopy，fNIRS)是近年来兴起的一种光学脑功能成像技术，通过穿过大脑皮质的近红外光衰减测量血红蛋白浓度的相对变化，基于神经血管耦合机制，反映局部皮质的功能活动水平[18-19]。该技术具有非侵入性、便携性、运动限制少、对运动伪影稳健的优势，非常适合于站立平衡中大脑成像研究[20-21]。
空间工作记忆是一种对空间信息进行临时存储和操作的短时记忆。空间工作记忆和姿势控制之间会相互影响，空间工作记忆损害可能会影响个体的空间定向能力，进而影响姿势控制[22]，而进行挑战性的姿势控制任务也会导致空间工作记忆表现下降[23]，可能是空间工作记忆和姿势控制共用较多的顶叶脑区资源造成的[24] 。因此，二者相结合的双任务研究可能更有利于揭示轻度认知障碍老年人易发生跌倒的中枢机制。
由于轻度认知障碍老年人的横向姿势控制能力减弱，易发生侧向跌倒，此次研究采用横向姿势控制挑战性较高的Romberg站立。通过功能性近红外脑成像技术检测受试者大脑躯体感觉运动皮质，探讨轻度认知障碍老年人在空间工作记忆或(和)站立姿势控制中任务相关脑区的激活特征，分析认知衰退导致姿势控制能力下降的神经可塑性变化，以期揭示轻度认知障碍老年人易跌倒的中枢机制，为制订基于中枢神经可塑性的预防跌倒策略提供依据。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

材料方法

1 对象和方法 Subjects and methods
1.1 设计横向的运动生物力学试验，采用双因素重复测量方差分析，并进行皮尔逊(Pearson correlation)或斯皮尔曼(Spearman Correlation)相关性分析。
1.2 时间及地点该研究于2022年11月在山东体育学院康复运动生物力学试验室完成。
1.3 对象在山东体育学院附近社区招募受试者，轻度认知障碍老年人的蒙特利尔认知量表(MoCA-B)分数为≤26分且> 20分；认知功能正常老年人MoCA-B分数> 26分。纳入标准设定为[25-26]，年龄≥65岁，轻度认知障碍或认知功能正常老年人，无老年痴呆症状，无日常生活活动能力障碍；排除患有重度抑郁症、精神分裂症等精神疾病、药物滥用、影响步态和平衡的疾病者(如帕金森病、严重骨关节炎、脑卒中等)。共招募轻度认知障碍老年人16名、认知功能正常老年人17名。所有受试者对试验方案均知情同意，并在测试前签署知情同意书，且该研究方案已获得山东体育学院运动科学伦理委员会批准(批准号：2022020)。
1.4 方法受试者到试验室后，更换专用的测试鞋，之后受试者坐在椅子上，由同一位经过培训的研究助手完成佩戴近红外测试帽、放置光极、仪器操作以减少主观误差。依据国际10-20标准，连接受试者鼻根和枕骨隆突以及左右耳前点，交叉点为Cz点，测试帽中心对准Cz点，同时剥离光极下面的头发，确保光极与头皮完全接触。正式测试前，向受试者详细介绍试验流程、空间工作记忆方法和站立要求。
两组受试者需完成单、双任务测试，包括空间工作记忆任务(SIT)、双足平衡站立(SD)、Romberg 站立(SR)、双足平衡站立-空间工作记忆双任务(DD)、Romberg 站立-空间工作记忆双任务(DR)等5项任务。任务测试顺序采用随机方法，每种任务持续30 s，有效测试3次，任务间隔休息1 min。使用三维测力台测量足底压力中心(center of pressure，COP)摆动轨迹，同时使用功能性近红外脑成像系统采集躯体感觉运动皮质的血液动力学信号。测试过程中，保持试验环境安静，保证受试者情绪稳定，并使用遮光黑布包裹头部以减少外部光线干扰，站立时尽量保持身体姿势稳定，避免头部大幅晃动，同时安排专人站在老年人身后进行保护，预防老年人摔倒。
1.4.1 空间工作记忆任务使用Brook空间工作记忆范式[27]，该范式中构建一个4×4的矩阵，1-8数字被依次填入矩阵中，数字1始终在第2行第2列。测试时受试者坐位，研究助手将8个数字的位置依次口述给受试者，如，开始的数字为1，1的下边是2，2的左边是3，3的下边是4，4的右边是5，5的右边是6，6的右边是7，7的上边是8，共8句话，然后让受试者根据记忆构建空间矩阵，依次复述数字的位置关系，用秒表记录复述的时间，为保证测试时长，受试者需复述2次，受试者可灵活通过自己的方式复述数字的位置信息(如图1)。正式试验前，受试者可使用示例进行练习，直至完全理解认知任务。为保证每次测试的8句数字位置关系描述不重复，试验准备了20种不同数字位置排布的4×4矩阵式，并编号1-20，受试者以抓阄的方式随机选取其中的10种进行之后的认知测试。

1.4.2 双足平衡站立受试者站在测力台，双足与肩同宽，足尖向前，双腿保持自然伸直，挺胸，眼睛直视前方，双手垂落在身体两侧(图2A)。
1.4.3 Romberg 站立受试者站在测力台，优势足在前，非优势足足趾抵住优势足足跟，两足保持在纵轴的一条直线上，双手垂落在身体两侧，眼睛直视前方(图2B)。

1.4.4 双足平衡站立-空间工作记忆双任务受试者保持双足平衡站立完成空间工作记忆任务。
1.4.5 Romberg 站立-空间工作记忆双任务受试者保持Romberg站立时完成空间工作记忆任务。
1.5 主要观察指标
1.5.1 足底压力中心摆动轨迹指标使用三维测力台(Kistler，9287BA，Winterthur，Switzerland)采集足底压力中心摆动轨迹，采集频率为1 000 Hz。测试前标定力台坐标原点，设置站立时内外方向为x轴，前后方向为y轴，见图2。足底压力中心位移是通过测力台取得的压力中心曲线在内外和前后方向的最大距离差值，分为前后方向足底压力中心位移(D-COPap)与内外方向足底压力中心位移(D-COPml)[28]。足底压力中心位移越小，表明姿势控制能力越强。计算每个任务下3次测试结果的平均值，用于统计学分析。
1.5.2 血液动力学指标使用功能性近红外脑成像系统(LIGHTNIRS，Shimadzu Corp，Kyoto，Japan)监测大脑躯体感觉运动皮质血液动力学变化，激光二极管光源包括780，805和830 nm三个波长，采集频率为13.3 Hz。该设备有8个发射器、8个探测器。相邻发射器与探测器之间形成一个通道，距离3 cm，共20个通道，通道位置见图3。使用3D数字定位仪(FASTRAK，Polhemus，Vermont)采集蒙特利尔神经学研究所(Montreal Neurological Institute，MNI)坐标信息，确定通道坐标及对应脑区，见表1。

使用基于MATLAB的 Homer2工具包对血液动力学数据进行处理。目测审查信号质量，标记坏通道，删除信号质量较差的节段。采用线性插值法进行伪迹校正，带通滤波(0.01-0.1 Hz)去除呼吸(0.4 Hz)、心跳(1.0-2.0 Hz)、血管舒缩(0.1 Hz)等生理噪声及基线漂移。基于修正的比尔-朗伯定律，将光密度信号转换为血氧浓度信号[29]，包含氧合血红蛋白浓度、脱氧血红蛋白浓度和总血红蛋白浓度。由于氧合血红蛋白浓度(HbO2)对任务更加敏感，且具有较高的信噪比[30]，因此研究采用氧合血红蛋白进行分析。选取每次静息结束前5 s内所有采样点的氧合血红蛋白平均值作为基线进行校正[31]，得到氧合血红蛋白变化量(ΔHbO2)，然后分别平均空间工作记忆、双足平衡站立、Romberg 站立、双足平衡站立-空间工作记忆双任务、Romberg 站立-空间工作记忆双任务阶段所有采样点的氧合血红蛋白变化量，之后再平均3次测试的氧合血红蛋白变化量，得到氧合血红蛋白变化量均值，表示个体在任务下大脑皮质激活程度，氧合血红蛋白变化量越大，表明相应脑区的激活程度越大。

1.6 统计学分析使用IBM SPSS 26.0软件分析数据。使用Shapiro-Wilk test检验数据的正态性。如数据符合正态分布，对两组人群的身高、年龄、体质量、MoCA得分、受教育年限进行独立样本t检验；对姿势控制和大脑皮质血液动力学指标采用双因素重复测量方差分析，组别自变量(轻度认知障碍老年人组、认知功能正常老年人组)和任务自变量(空间工作记忆、双足平衡站立、Romberg 站立、双足平衡站立-空间工作记忆双任务、Romberg 站立-空间工作记忆双任务)，如果存在交互效应，则进行简单效应事后分析，如不存在交互效应，分析主效应，使用Bonferroni进行多重比较调整。如数据不符合正态分布，采用非参数检验。使用皮尔逊或斯皮尔曼相关分析检验大脑皮质血液动力学指标与姿势控制指标之间的相关性。相关性大小分为弱相关(0≤|r|< 0.3)、中度相关(0.3≤|r|< 0.5)、显著相关(0.5≤|r|< 0.8)和高度相关(0.8≤|r|< 1.0)。姿势控制指标(足底压力中心位移)以x±s表示，血液动力学指标(氧合血红蛋白变化量)以均值±标准误表示，显著性水平设置为P < 0.05。

讨论

此次研究发现，与单任务相比，轻度认知障碍老年人和认知功能正常老年人在双任务下姿势控制表现显著变差，右侧前运动皮质/辅助运动区激活水平显著增加；与认知功能正常老年人相比，双任务下轻度认知障碍老年人姿势控制表现较差，右侧前运动皮质/辅助运动区激活水平显著增加；轻度认知障碍老年人和认知功能正常老年人在Romberg 站立-空间工作记忆双任务中右侧前运动皮质/辅助运动区激活水平与侧向姿势控制能力下降程度显著正相关。
此次研究中轻度认知障碍老年人和认知功能正常老年人与单任务相比，在双任务下姿势控制表现变差，和先前的研究结论一致，在执行认知和姿势控制时，两个任务会产生相互影响，或影响认知过程的执行，或影响姿势控制稳定性，或两者表现均恶化[33-36]。与认知功能正常老年人相比，轻度认知障碍老年人在双任务下姿势控制表现较差，表明轻度认知障碍老年人具有更差的双任务执行能力和抗双任务干扰能力[37]。双任务执行能力可以作为老年人跌倒的预测因素，双任务表现越差，跌倒风险越大[38]。这可能与轻度认知障碍老年人认知功能的下降有关[39]，认知功能对于维持身体平衡和执行复杂运动任务至关重要[40]。同课题张雨馨等[32]的结果表明，与认知功能正常老年人相比，轻度认知障碍老年人在双任务下空间工作记忆表现显著变差。空间工作记忆能力(此次研究的认知功能)反映空间信息处理能力，空间信息处理能力影响个体如何感知和响应身体在空间中的位置以及如何与周围环境互动，确保个体能够有效地处理视觉、前庭(关于平衡和空间定位的感觉)和本体感觉(关于身体部位位置的感觉)信息，从而在静态和动态条件下维持机体的平衡和稳定性[41]。轻度认知障碍老年人空间信息处理能力降低，机体无法及时处理接收到的空间信息，不能对姿势控制做出及时调整，导致姿势控制能力下降，可能是轻度认知障碍老年人跌倒风险升高的原因之一。
此次研究中轻度认知障碍老年人前运动皮质/辅助运动区的氧合血红蛋白变化量均随任务难度的增加而显著增加。前运动皮质/辅助运动区在姿势控制中发挥重要作用，前运动皮质主要参与对姿势控制的预测和调整，调节肢体的定向和位置，以适应环境变化；辅助运动区则在自发运动和运动规划中起到关键作用，在需要精细协调和平衡时维持姿势稳定[42-43] ，前运动皮质/辅助运动区激活的增加，可能是由于当姿势控制变得更复杂时，大脑不断调整和优化姿势控制策略，适应更高的任务需求，募集更多的脑资源来规划和协调肌肉的活动，以维持姿势稳定[44-45]。执行空间工作记忆任务时大脑需要对空间信息进行处理并记忆，前运动皮质/辅助运动区同样在维持和操作空间记忆中发挥重要作用，尤其是在空间导向的任务中，参与处理空间信息[46-47]。由于执行姿势控制-空间工作记忆双任务时共同涉及前运动皮质/辅助运动区的调节，前运动皮质/辅助运动区相较于单任务和较为简单的双任务时需要更大的脑资源介入[48]，激活水平增大，防止双任务干扰[49]，以维持任务表现。此外，轻度认知障碍老年人在执行两种站立姿势控制-认知双任务时均表现出比认知功能正常老年人更高的前运动皮质/辅助运动区激活水平，同时任务表现更差，符合神经效率模型[50]，表明轻度认知障碍老年人认知功能衰退导致神经效率下降，可能是由于轻度认知障碍老年人存在神经元的丢失和突触功能的变化，神经可塑性下降，神经传导速度下降导致的[51-52]。此次研究仅在右侧前运动皮质/辅助运动区观察到氧合血红蛋白变化量显著增加，可能与空间工作记忆的特殊脑激活模式有关。空间信息处理存在半球偏侧性，左半球专门处理相对的、分类的空间关系，而右半球处理精确的、度量的或坐标的空间信息[53-54]。此次研究所采用的Brooks空间工作记忆任务，需要精确识别下一个数字的相对方向和各个数字的精确空间坐标，这可能是仅在右半球运动区发现显著性激活的原因之一。
相关结果显示，仅在Romberg站立-空间工作记忆双任务下，轻度认知障碍老年人和认知功能正常老年人的内外方向足底压力中心位移与右侧前运动皮质/辅助运动区的氧合血红蛋白变化量存在相关性，表明右侧前运动皮质/辅助运动区可能募集更多脑资源调控侧向姿势控制。与认知功能正常老年人相比，轻度认知障碍老年人表现出更小的相关性，表明轻度认知障碍老年人可能对侧向姿势控制的调控更弱，对双任务的适应能力较差，导致轻度认知障碍老年人更容易发生侧向跌倒[37]。
此次研究整合生物力学与近红外脑成像数据发现，轻度认知障碍老年人姿势控制能力不足，中枢神经效率降低，需要前运动皮质/辅助运动区的更高激活以维持姿势控制，为制订基于中枢神经调节的轻度认知障碍老年人跌倒预防策略提供了新视角和证据，前运动皮质/辅助运动区可作为轻度认知障碍老年人跌倒预防的潜在中枢干预靶点。研究还存在一定的局限性：首先研究样本量较小且未考虑性别、地域性的差异，未来的研究可以增加样本量并将性别、地域等因素纳入到考虑中以增加研究的适用性；其次仅在静态姿势控制任务下探讨轻度认知障碍老年人中枢神经调节机制，而老年人跌倒往往发生在运动过程中，动态姿势控制任务下的研究结论具有更大的现实意义，可作为未来的研究方向。
结论：与认知功能正常老年人相比，轻度认知障碍老年人在认知-站立姿势控制双任务中站立姿势控制能力较弱，右侧前运动皮质/辅助运动区激活水平高，更多的脑资源用于侧向姿势控制，这可能是轻度认知障碍老年人认知衰退导致姿势控制能力下降后预防跌倒发生的大脑补偿机制。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：组织构建；骨细胞；软骨细胞；细胞培养；成纤维细胞；血管内皮细胞；骨质疏松；组织工程

认知功能损伤对双任务站立影响的中枢机制：功能性近红外脑成像系统分析

Central nervous mechanisms underlying effects of cognitive impairment on dual-task stance: #br# functional near-infrared spectroscopy analysis

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[1]	张雨馨, 于聪, 张翠, 丁建军, 陈岩. 轻度认知障碍老人与认知正常老人在不同单双任务下姿势控制能力的差异性[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(8): 1643-1649.
[2]	梁晓笑, 郑洁皎, 段林茹, 陈茜, 张廷宇. 老年特发性正常压力脑积水患者的姿势稳定性特征[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(6): 1208-1213.
[3]	王霞, 薛博士, 杨辰, 周志鹏, 郑亮亮. 前交叉韧带重建患者神经肌肉功能对落地动作生物力学损伤风险的影响[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(26): 5556-5562.
[4]	李文静, 高晓, 李爱华, 倪燕, 孙威, 王疆娜. 足部位置和座椅高度对脑瘫儿童坐-站转移下肢运动学和动力学参数的影响[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(21): 4469-4476.
[5]	张文丽, 赵子麒, 梁雷超, 汤运启, 王勇. 肥胖与普通男性跨越不同高度障碍动态稳定性的差异[J]. 中国组织工程研究, 2025, 29(11): 2319-2326.
[6]	赵卓越, 刘佳雯, 孙长城, 张高帅, 张颖, 徐瑞. 脑卒中患者步态启动时早期姿势调节阶段时间和强度参数特点[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(28): 4429-4435.
[7]	薛博士, 林昌瑞, 郑亮亮, 杨辰, 周志鹏. 核心稳定性训练降低落地动作前交叉韧带损伤的风险[J]. 中国组织工程研究, 2024, 28(16): 2467-2472.
[8]	彭远秋. 视觉剥夺状态阶梯动作下肢肌肉组织刚度调节及肌电变化[J]. 中国组织工程研究, 2019, 23(15): 2338-2344.
[9]	巴洪冰1，程亮2 . 倒走过程中老年女性平衡能力及下肢肌力和神经肌肉的反应[J]. 中国组织工程研究, 2018, 22(20): 3161-3166.
[10]	杨宁，徐盼. 运动干预青少年脊柱侧弯Cobb角的变化[J]. 中国组织工程研究, 2013, 17(22): 4161-4168.
[11]	马玉，吴庆文，马素慧，董胜莲. 平衡仪与人体平衡功能的评定及干预★[J]. 中国组织工程研究, 2012, 16(2): 353-356.