双重任务运动对帕金森病早期患者脑功能影响研究：一项fNIRS研究

【作者】 李飞跃； 张恒瑞； 崔配； 吴超； 孟昭莉；

【机构】 大连理工大学；

【摘要】 研究目的:近年来,帕金森病(Parkinson’s disease, PD)作为医学界治疗难题,已经成为全世界第二大常见的神经退行性疾病。帕金森病常见症状可分为两类,即运动症状和非运动症状。运动症状主要包括运动迟缓、静止性震颤等,同时也会出现的非运动症状包括认知障碍、抑郁等。研究表明,PD患者的临床缺陷不仅与大脑结构损伤有关,还与脑功能网络内部以及大脑之间的功能失衡有关。在日常生活中,人们经常在走路时执行其他任务,例如聊天、思考或打电话,称为双重任务行走。双重任务可分为认知-运动双重任务和运动-运动双重任务。其中第二项任务是对身体稳定性控制有负面影响,任务越困难,影响越大。并且有研究显示,在需要执行注意力和对运动和认知功能的双重控制的任务上的表现随着年龄的增长而下降。在大多数研究中均表明双重任务运动可以改善PD患者的运动能力(比如步态、平衡能力等)和认知功能,也对大脑功能活动产生积极影响。本研究拟通过对早期帕金森病患者采用不同类型的双重任务(行走时进行减法计算和行走时越过障碍物)进行运动干预,采集干预后步行期间的血红蛋白和步态参数数据,利用相关数据处理方法从大脑激活、脑功能连接、脑功能网络拓扑属性以及运动学数据方面分析不同类型双重任务对早期帕金森病患者脑功能活动的影响,为帕金森病患者人群运动处方的制定提供理论参考。研究方法:本研究最终纳入研究的受试者人数为20人(年龄:65.3±2.1岁,身高:172.6±4.34cm,体重:65.4±6.06kg),其中男性12人,女性8人,所有受试者均符合本研究纳入标准。采用fNIRS近红外脑功能成像系统NirSmart和Zebris足底压力平板系统分别采集脑功能活动和运动学数据。在采集到的fNIRS数据中除了任务刺激所产生的信号外,还包括仪器噪声、运动伪迹和生理噪声。因此,为了尽可能准确估计刺激任务所引起的血流动力学响应,需要对采集数据进行预处理。并利用MATLAB自定义代码进行文件格式转换,采用一般线性模型(GLM)分析处理个体水平的大脑激活、皮尔逊相关分析计算脑区之间的相关系数以及利用图论数学模型分析脑功能网络的拓扑属性。使用配对样本t检验来确定两种条件对比下的大脑激活情况,对于单个受试者采用校正,统计显著性为P<0.05,而群组分析水平未做校正,以防止假阳性出现。最后,利用SPSS进行配对样本t检验分析,包括对脑功能网络拓扑属性指标和步态参数(步速、步幅、步态周期等)进行比较分析。研究结果:1)三种运动干预后(行走时减法计算、行走时越过障碍物和正常步行)与运动前相比的激活脑区之间具有差异,在减法计算运动干预后激活脑区主要包括左侧M1和左右侧S1;在绕过障碍物运动干预后激活脑区包括左右侧S1和M1,以及左侧SAC;在正常步行运动干预后激活脑区主要包括右侧S1。2)运动干预后减法计算和绕过障碍物运动干预后步行期间在FPA、OFC区域脑功能连接减弱,以及三种运动干预后左右侧脑区的FPA、OFC与左侧DLPFC区域之间的连接减少,前额叶与运动皮层的功能连接减弱,尤其是在绕过障碍物运动干预后表现更为明显。此外,该组在运动皮层和体感皮层区域(包括PM&SMA、 M1和S1等区域)之间内部的连接增加,而且更加集中、有序。3)与运动前相比,在运动干预后步行期间,三种运动任务干预条件下Cp值均显著性降低,Eloc值有所降低但不显著,减法计算和正常步行运动干预下Lp值均显著降低而Eg值均显著增加。4)在Ne方面减法计算组和绕过障碍物组数目增加,核心节点分布发生变化;在介数中心度方面,三组的核心节点数目均减少,且分布情况发生变化。5)与运动前相比,减法计算组和绕过障碍物组步幅方面呈现相反的显著变化趋势,但在步速方面均增加;在步行周期方面三组均显著缩短;运动干预三组条件下在站立相和摆动相阶段方面相较于运动前无明显变化,差异性不具有统计学意义(P>0.05);绕过障碍物组和减法计算组的在双支撑相占比方面相较于运动前显著减少。研究结论:双重任务运动是促进帕金森病患者康复、延缓疾病进程的有效手段,并对帕金森病患者大脑的脑区激活模式和功能连接的改善具有积极影响。双重任务运动也能够提高帕金森病患者的运动能力和步态表现。此外,在不同类型的双重任务之间,运动干预对帕金森病患者的影响不同,分别表现在脑区激活、功能连接、核心节点和步幅等方面。因此,在进行帕金森病患者的双重任务运动时,应根据患者个人情况选择不同类型的任务模式。更多还原