【话险危夷】运动游戏与联合运动对衰弱老年人的认知功能和大脑激活的影响：一项随机对照试验

背景：认知障碍在衰弱老年人中普遍存在。传统运动和运动游戏对健康老年人的认知有积极影响。然而，很少有研究调查运动游戏对衰弱老年人的认知和大脑激活的影响。

目的：本研究比较了基于Kinect的运动游戏(EXER)和综合体育锻炼 (CPE)训练对台湾衰弱老年人认知功能和大脑激活的影响。我们假设在该人群中EXER优于CPE。

方法：我们将46名社区的衰弱老年人随机分为EXER或CPE组，进行为期12周，共36次的训练（每周3次60分钟的训练）。认知功能的结果测量包括通过蒙特利尔认知评估测量整体认知、通过25项执行力检测评估执行功能、通过中文版加州口语学习测试来评估语言记忆能力、通过斯特鲁普颜色、文字测试和小径制作测试（B部分）来评估注意力，以及通过空间n-back测试来评估工作记忆能力。在整体认知测试中采用功能性近红外光谱(fNIRS)技术记录前额叶激活情况。

结果：经过12周的干预后，两组的整体认知(P<0.05)、执行功能(P<0.05)和注意力(P<0.05) 均有显着改善。结果表明，EXER训练比CPE训练更能显着增强整体认知 F(1.44) = 5.277，P=0.026)。 此外，只有EXER组在干预后的语言(P < 0.05) 和工作(P < 0.05)记忆方面表现出显着改善。 fNIRS 血流动力学数据显示，在训练后认知评估期间，两组前额叶皮质激活减少(P<0.05)，从而表明神经效率更高；然而，我们没有发现显著的组间差异。

结论：在衰弱的老年人中，EXER和CPE可以改善认知功能，很可能是通过提高神经效率来实现的。此外，EXER可能优于CPE，尤其在提高整体认知方面。

引言

老年人认知障碍和认知损害的高发病率是目前医疗保健系统面临的最紧迫的公共卫生挑战之一。“衰弱”是一种多器官功能下降的衰老综合征，尤其以行动迟缓和肌肉无力为特征，可能会增加认知功能下降的风险，包括轻度认知障碍和阿尔茨海默病。相反，认知障碍也可能增加衰弱的风险。一项综述表明，衰弱的老年人认知障碍患病率明显高于非衰弱的老年人。具体而言，在评估全局认知、处理速度、执行功能、视觉空间功能以及语义和工作记忆的各种认知任务方面，衰弱的老年人似乎比强壮的老年人表现的差。因此，改善衰弱老年人认知能力的干预措施值得进一步关注。

系统和荟萃分析综述表明，运动与老年人认知功能的改善相关。联合体育锻炼（CPE）是结合多种形式的运动，似乎是改善认知功能最有效的体育干预措施。然而，CPE对衰弱的老年人认知功能可能产生的有益影响人们知之甚少。

运动游戏是一种相对较新的体育锻炼形式，涉及由身体运动控制的电脑游戏。Kinect是最近开发的一种运动游戏设备，具有成本低、安全、可扩展性强的优点，可在临床中使用。运动游戏已被证明能有效地增强老年人的认知功能，提高健康老年人的执行功能和短期记忆，并改善神经疾病患者的视觉空间感。然而，基于Kinect的运动游戏是否对衰弱老年人的认知功能有益尚不确定。据我们所知，只有一项研究报道了运动平台Wii Fit Plus对衰弱老年人认知功能的影响。该研究缺乏具有统计学意义的发现，可能是由于训练时间相对较短（7周内14次）。目前尚不清楚长期基于Kinect的运动游戏是否能对衰弱的老年人产生与认知功能相关的显著益处。

近红外光谱(NIRS)是一种创新的神经成像技术，用于测量大脑激活过程中的血流动力学变化。使用近红外光谱的研究表明，在健康和认知受损的老年人中，大脑激活减少与训练后认知功能改善之间存在相关性。然而，在衰弱的老年人中，运动训练后大脑活动与认知功能的变化尚未被记录到。因此，本研究旨在比较基于Kinect的游戏和CPE训练对衰弱老年人认知功能和大脑激活的影响。我们假设在这一人群中，基于Kinect的游戏在改善认知和大脑激活方面优于CPE。本研究遵循2017年CONSORT非药物试验指南。

2.方法

2.1.参与者

参与者是从中国台湾社区老年人护理中心招募的。所有参与者年龄在65岁到90岁之间，并且至少具有Fried定义的5种身体衰弱特征中的一种:无故体重减轻、疲惫、衰弱、步态缓慢和低体力活动水平。排除标准:

·全身情况不稳定，如神经或心肺疾病;

·严重的视觉障碍。

所有参与者在参加研究前都提供了书面知情同意书。样本量计算采用重复测量方差分析模型，效应量为0.20，α水平为5%，功率为80%。满足这些标准所需的样本量为52名参与者(每个治疗组26名)。考虑到15%的流失率，我们总共招募了61名参与者。最后，25名参与者被纳入EXER组，21名参与者被纳入CPE组(人口学和一般认知数据见表1)。

表一参与者的基线人口统计学特征(n = 46)

数据是平均值(SD)或数字。MMSE:简易精神状态检查。

2.2.研究设计

本研究方案经国立阳明大学机构人类研究伦理委员会批准。这是一项单盲(评估)、平行、随机对照试验。

参与者通过密封的信封随机分为基于Kinect的游戏组(EXER)或CPE组。干预前和干预后的认知评估和大脑激活研究由另一位盲法评估者在护理中心进行。

2.3. 干预

在为期12周的干预期内，两组都进行了相同的运动干预——每周参加三次60分钟的训练，如下所述。所有训练均由2名经验丰富的物理治疗师进行监督，小组设置(3-4名参与者)。

2.3.1. CPE组

CPE干预包括阻力运动、有氧运动和平衡运动各20分钟，这是美国运动医学学院对老年人的建议进行。在阻力运动中使用TheraBands，从1.1 kg逐渐增加到3.1 kg。选择有氧运动的强度达到参与者最大心率的50%至75% (220 -年龄(以年计)。

运动过程中感知用力程度采用RPE量表进行评估，得分范围为6分(完全不用力气) 到20(使用最大力量)。本研究的目标RPE为13-14(“有点难”)。CPE组阻力、有氧和平衡运动方案见表2。

2.3.2. 前组

EXER组的参与者在运动期间分别进行20分钟的阻力运动、有氧运动、太极和平衡运动。我们使用Kinect系统，因为它能够用红外光捕捉和跟踪肢体运动的变化，并创建一个全身3D虚拟地图(图a)。本研究采用Tano和LongGood开发的游戏程序。在这些游戏中，参与者模仿虚拟角色，并根据即时的视觉和听觉反馈实时调整自己的动作。在训练期间还监测了参与者的心率和RPE，以确保CPE组和EXER组之间的一致性。代表性的练习和活动如表2和图B-H所示

图1所示 练习设置和训练计划:(A) Kinect系统，(B)练习(EXER)参与者，(C)力量训练，(D)太极，(E)举腿练习，(F)打烟花，(G)跑步，(H)游泳。参与者以站立或坐姿完成任务，并为发布这些图像提供书面同意。

2.4.结局指标

2.4.1.认知功能

2.4.1.1.整体认知

蒙特利尔认知评估(MoCA) 已被用作认知障碍的有效筛查工具。分数范围从 0 到 30，分数越高表示整体认知功能越好。台湾版 MoCA 的信度和效度分别为 0.88 和 0.86。

2.4.1.2.执行功能

执行问卷25 (EXIT-25) 由 Royall 等人开发。1992 年，由 25 个项目组成，评估广泛的执行功能。总分范围为0～50分，得分越高表示执行功能越差。 EXIT-25 表现出中等的内部一致性 (a = 0.66) 和较高的评估者间可靠性 (r = 0.9)。

2.4.1.3.言语记忆

加州语言学习测试(CCVLT) 的中文版包含 36 个双字符名词，在四次学习试验中呈现，并评估立即和延迟 10 分钟后的回忆。我们计算了以任何顺序正确记住的名词总数，以评估口头记忆和延迟回忆。CCVLT 的灵敏度为 0.852 。

2.4.1.4.注意力

中文版的Stroop Color and Word Test (CWT) 用于评估选择性注意和抑制。向参与者展示了以冲突颜色打印的颜色的名称/字符（例如，红色墨水中的字符“蓝色”），并要求他们说出墨水的颜色，而不是单词/字符。根据在 45 秒内正确命名的项目数计算分数。

图2所示 功能近红外光谱(fNIRS)通道。通道4和通道7的平均值代表右侧前额皮质(Fp2)。通道10和13的平均值代表左侧前额皮质(Fp1)。

表2  运动组与联合运动组的干预方案  

造径测试(TMT) B部分(中文版)包括数字(1-12)和12种代表性动物的中国生肖。参与者按升序画线连接圆圈(例如，1-老鼠;2-牛;3-老虎)越快越好。快速完成测试表明注意力更集中。CWT的测试信度为0.91。 

2.5. 工作记忆  

工作记忆的评估采用空间n-back任务测试，这是神经心理学和神经影像学研究中经常使用的方法。本研究空间n-back测试中的位置匹配包括两个任务:1-back和2-back。黑色方块在9个可能的位置呈现在一个3×3的网格中。在1-back任务中，参与者必须确定当前的正方形是否出现在与前一个相同的位置。对于2-back任务，参与者确定呈现的正方形是否与2个位置前的正方形出现在同一位置。在1-back任务中，试验次数为21次，刺激呈现持续时间为1秒，间隔时间为3秒。2-back实验次数为24次，刺激呈现时间为1秒，间隔时间为3秒。我们计算了每个参与者在1回和2回任务中正确回答的试验总数。1-back测试的重测信度为0.71,2-back测试的重测信度为0.82。

2.5.1.大脑活动

大脑活动在MoCA认知任务中，用功能近红外光谱(fNIRS)测量脑激活情况。使用16通道NIRS设备(OEG-16, Spectratech, Inc, Japan)，发射2个波长的红外光(770和840 nm)。连接有16个通道的头模块(由6个光源和6个检测光电片建立)每个参与者的头部监测双侧前额叶皮质(PFC)的血流动力学。光源和检测器之间的距离为3厘米，可以在皮肤下2到3厘米处进行血流动力学测量。采样率为1.526赫兹。根据国际脑电图10/20系统(图2)，位于下排中心的光电二极管对(一个源和一个检测器)的中点位于Fpz。在头部模块上，我们选择通道(CH) 4和7代表右侧前额皮质(Fp2)，通道(CH) 10和13代表左侧前额皮质(Fp1)。  

为了评估脑激活，我们在统计分析中使用了氧合血红蛋白(HbO)衍生的浓度变化(mM×mm)，因为这些值被认为是区域脑血流变化的最可靠指标。在整个实验过程中，fNIRS信号经过带通滤波(低通频率为0.01 Hz，高通频率为0.1 Hz)，以消除生理自发脑振荡的影响，并纠正漂移伪影。我们将基线期定义为任务开始前20秒，激活期定义为MoCA任务中HbO峰值前后10秒。因为我们的主要兴趣是检查与任务相关的HbO变化，所以我们将delta(变化)定义为基线和激活期间平均HbO值之间的差异。CH4和CH7的平均值(右pfc)、ch10和ch13(左pfc)、ch4、ch7、ch10和CH13(双侧PFC)用于组内和组间比较。利用MATLAB软件对近红外光谱数据进行分析。

2.6.数据分析

我们筛选了110名个体，61名参与者被纳入研究，31名和30名参与者分别被随机分配到EXER组和CPE组（图3）。9名参与者没有完成研究，4名（每组2名）因项目对他们没有吸引力而退出，5名因日程安排冲突而退出。因此，52名参与者（EXER组n=27，CPE组n=25）完成了所有运动干预和认知评估。然而，由于各种原因，6名参与者（EXER组2名，CPE组4名）的fNIRS数据不可用，包括未安装的头部模块、浓密的头发未完全分开或参与者在测量过程中移动的头部模块导致的光学接触不良。因此，在最后的统计分析中使用了46名参与者的数据。   使用SPSS 20.0（美国伊利诺伊州芝加哥市SPSS股份有限公司）进行社会人口学和神经心理学数据分析。对所有变量进行描述性统计，并将变量分布表示为平均值（SD）或数字。基线特征的组间差异采用独立t检验或Chi2检验进行分析。采用重复测量的双向方差分析来确定干预对神经心理学任务评估的认知功能和fNIRS评估的大脑激活的影响。模型效应是各组（CPE、EXER）、评估时间（干预前和干预后）及其相互作用。组间和组内比较分别根据干预和评估时间进行。组内比较采用配对t检验，组间比较采用独立t检验。显著性设定为P＜0.05。计算Eta平方（h2），并将其用于指示效应大小。

图3 研究设计概述

3.结果

在干预前评估中，我们发现两组的人口统计学参数或所有结果指标均无显著差异(表1)。在研究期间，没有参与者报告不良反应。

表3为运动训练前后被试的神经认知任务表现。MoCA评分组与评估时间之间存在显著交互作用(F(1,44)=5.277,P=0.026,η2=0.108)，可见EXER组整体认知能力的改善高于CPE组。我们还观察了两组的时间效应。配对t检验结果显示，EXER训练后MoCA(P<0.001)、EXIT-25(P<0.001)、CCVLT语言记忆(P<0.001)和延迟回忆(P=0.011)、Stroop CWT(P=0.021)、TMT B部分(P<0.001)和1-back任务测试(P=0.001)得分显著提高，而MoCA(P=0.002)、EXIT-25(P<0.001)和1-back任务测试得分显著提高。TMT B部分(P=0.003)经CPE训练后有所改善。

fNIRS评估的与脑激活相关的血流动力学变化见表4。我们发现，小组和时间之间没有显著的相互作用。然而，我们在几个脑区观察到时间效应(表4:CH4, CH7, CH13，左PFC，右PFC，双侧PFC)。在EXER组，事后配对t检验显示训练后左侧PFC(P=0.036)、右侧PFC(P=0.030)和双侧PFC(P=0.023)的激活显著减少。在CPE组，事后配对t检验显示训练后右侧PFC激活(P=0.047)和双侧PFC激活(P=0.047)略有下降。

4.讨论 

目前的研究比较了运动游戏和CPE对认知功能和大脑激活的影响。首先，两组在整体认知、执行功能和注意力方面的得分均有提高，而运动游戏对整体认知的影响显著大于CPE。其次，我们发现只有在运动游戏后，语言和工作记忆分数才有显著提高。最后，运动游戏和CPE后，整体认知领域得分的提高与PFC激活的降低有关。  

表3 运动运动组与联合运动组神经认知任务表现比较

CCVLT：加州语言学习测试中文版；EXIT 25:高管访谈25; MoCA：蒙特利尔认知评估;Stroop CWT:Stroop颜色与文字测验;TMT-B:试验b部分，数据为均值(SD)。

*配对t检验组内比较(干预前与干预后)P<0.05。

表4 运动锻炼(EXER)组与联合运动(CPE)组认知任务时血流动力学变化的比较

CH:渠道。Right PFC(右前额叶皮层)，CH4和CH7的平均值;Left PFC(左前额叶皮层)，CH10和CH13的平均值;Bi-PFC(双侧前额叶皮层)，CH4、CH7、CH10、CH13的平均值。数据为平均值(SD)。*经配对t检验，组内比较(干预前与干预后)P<0.05。

执行功能对衰老的影响尤为敏感，尽管之前的综述表明体育锻炼可以改善健康老年人的执行功能。本研究通过证明 CPE 改善整体认知 (MoCA)、执行功能 (EXIT-25) 和注意力分散 (TMT-B)，扩大了对衰弱老年人的此类有益影响的探索。作为高级认知的一种，执行功能在日常活动中起着至关重要的作用，通过 12 周的 CPE 改善执行功能，考虑到其他研究和本研究结果，CPE 可能对改善衰弱老年人在各个认知领域的表现，尤其是执行功能方面有积极影响。

正如预期的那样，运动游戏带来了广泛的认知改善。例如，与 CPE 相比，运动游戏对代表整体认知能力的分数有更大的影响，这表明运动游戏在增强衰弱老年人的总体认知能力方面可能优于 CPE。运动游戏的一个优点是它提供了一个具有双重任务活动的场景，这被认为是改善老年人认知功能和防止跌倒的最有效方法。当前研究中使用的此类运动游戏活动的例子包括擦窗户、燃放烟花和抓金鱼游戏，这些双重任务需要运动和认知活动的协调，包括回忆动作和视觉空间方向，这是 CPE 没有强加的要求。此外，双任务运动游戏要求参与者注意上下文提示，记住逐步说明，抑制习惯性动作，处理相关信息，并相应地进行身体调整，因此，执行控制和注意力转移是 Stroop CWT 和 TMT-B 评估的执行功能的核心方面，可以通过同时执行这些认知和身体活动来训练。

运动游戏后认知改善的更广泛转移效应的其他解释可能是运动游戏对衰弱的老年人的可及性、乐趣和吸引力。丰富的环境背景要求参与者在各种任务之间快速准确地切换，而运动过程中提供的即时反馈可以优化身体表现，从而提高运动效果。因此，运动游戏的这些增强效应可能会对其他认知领域产生积极、显著的转移效应，例如EXER 组所经历的语言记忆 (CCVLT) 和工作记忆（n-back 任务测试）。本研究没有在接受 CPE 培训后的参与者身上观察到这些益处。

先前的研究表明，大脑代谢活动中氧气供应的增加可能是健身训练中神经认知表现改善的原因。当前研究重点是了解衰弱老年人与运动训练相关的血流模式变化，因为之前的研究还表明，与年龄相关的神经衰退可能导致神经处理的速度或质量下降。例如，前额叶区域的过度激活可能发生在老年人身上，以补偿认知障碍，从而实现与年轻人相似的认知表现。fNRIS是一种可靠且行之有效的方法，用于探索体育锻炼对大脑氧合与认知能力相关的机制作用。据之前研究表明，在老年人皮质激活过程中，结合身体和认知锻炼优于单独的认知或身体锻炼，以实现任务有效的脑氧合和氧气利用。关于长期影响，其他研究表明，12周的干预（跑步机运动或虚拟现实训练）可降低具有轻度认知障碍的老年人前额区的血流动力学反应。在这项研究中，两个干预组的参与者，尤其是运动游戏组的参与者，在12 周的训练后，与基线测量值相比，前额叶区域的血流动力学反应有所降低。这些发现可以解释为神经效率提高的标志，因为在干预后PFC 可能需要更少的能量来更有效地执行相同的认知任务。

神经效率的概念在之前的几项研究中得到了解决，这些研究报告了运动训练后老年人工作记忆相关额顶叶区域的激活减少和认知能力提高。此外，Yanagisawa等人得出结论，左侧PFC 激活可能反映了干扰处理/响应抑制，并表明左侧PFC 可能是参与改善Stroop CWT 性能的神经基质。在本研究中，干预后EXER组的左侧PFC 血流动力学反应得到显着改善，这表明运动游戏可以通过减少干扰抑制有效地增强认知功能。

5. 限制

应该注意这项研究的一些局限性。如果没有后续评估，运动游戏和CPE对认知表现和大脑激活的长期影响仍未确定。其次，参与者的血流动力学反应仅在前额叶区域进行评估，我们承认干预引起的变化发生在其他大脑区域，可能涉及增强认知功能的潜在机制。未来的研究需要一个真正的对照组（即没有运动干预），以更充分地确定基于Kinect 的运动游戏对认知功能的直接影响。退出人数 (n = 9) 和不可用的 NIRS 数据(n = 6) 可能是本研究的潜在偏差来源。应注意fNIRS 结果测量中多重比较可能增加的I 类错误。

6.结论

本研究表明，衰弱老年人的整体认知功能通过12 周的运动游戏或CPE得到增强。然而，运动游戏组的参与者比CPE 组的参与者在整体认知功能方面表现出更大的改善，这可能归因于认知表现期间相关大脑功能效率的提高。我们的结果支持在衰弱老年人使用Kinect 运动游戏作为传统体育锻炼的替代方案。

话险为夷述评：

衰弱是指伴随年龄增长出现的多个生理系统功能受损而导致的机体维持稳态能力下降的临床综合征。衰弱老年人认知功能障碍及痴呆的风险较普通人进一步增加。《老年人衰弱预防中国专家共识（2022）》等多个指南共识均推荐采用运动锻炼预防和治疗衰弱综合征，运动被认为是预防和改善衰弱最有效方法之一，可通过增加肌纤维面积及肌肉体积、改善运动单元的调集和协调能力、增加能量和血流储备功能、调节血脂和生化过程等对机体衰弱水平进行调控。  

本研究通过比较两种不同运动形式对衰弱患者的认知功能及大脑激活的影响，支持在衰弱老年人使用Kinect 运动游戏作为传统体育锻炼的替代方案。但本研究也存在一定的限制及不足。两项运动的依从性及执行度，文中并未提及。衰弱老年人中枢及外周神经功能衰退，因此两种运动的执行力也有可能不同，从而导致结果的偏差。尽管一些研究表明运动训练可以改善衰弱老年人的运动能力和身体肌能，并缓解躯体功能衰退情况，但也有研究发现运动训练对躯体功能或失能没有影响，对跌倒影响的研究结果也不一致。因此，仍需要一些高质量证据表明哪一种运动训练对衰弱患者认知功能及大脑激活情况益处最大。  

编译:季瑶瑶、陈勇

审校：马琳

点评:苏涛

原始文献：   Liao YY, Chen IH, Hsu WC, Tseng HY, Wang RY. Effect of exergaming versus combined exercise on cognitive function and brain activation in frail older adults: A randomised controlled trial. Ann Phys Rehabil Med. 2021;64(5):101492. doi:10.1016/j.rehab.2021.101492.      

（仅供医学专业人士参考）

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