老年人平衡功能的脑网络变化：基于功能性近红外线光谱研究
时间：2023-04-25 17:50:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
罗启航，吴羽皙，张嘉璇，黎婉颖，欧海宁，林强，梁俊杰
1.广州医科大学附属第五医院康复医学科，广东高校生物靶向诊治与康复重点实验室，广东广州市 510700；
2.广州医科大学，广东广州市 511436；
3.广州医科大学康复实验室，广东广州市 510700
年龄增长可引起脑灰质和白质萎缩，突触变性，血流减少，神经化学改变，脑网络连接模式也发生改变，出现记忆力衰退、注意力不集中、执行功能下降、运动和平衡控制退化等[1-3]。平衡控制功能下降导致老年人跌倒风险增加[4-5]，可能与前额叶激活改变相关[1]。上肢运动功能的脑网络研究发现，老年人通过任务特异性运动网络的过度激活，维持运动性能和任务准确性[6]。目前脑老化的研究主要以基础研究、跌倒风险或功能性磁共振相关研究为主[7-9]。
功能性近红外光谱(functional near-infrared spectroscopy,fNIRS)是一种脑成像技术，可以实时监测大脑脱氧血红蛋白(deoxyhemoglobin,DHb)和氧合血红蛋白(oxyhemoglobin,HbO2)的含量变化，具有便携和长时间监测的优势，广泛应用于运动康复、认知功能、脑功能研究等领域[10-14]。由于具有良好的抗运动干扰性，可在平衡控制任务过程中同步、实时采集感兴趣区(region of interest,ROI)血流动力学数据。额叶、小脑、枕叶等脑区参与动静态平衡调控[9]；
正常成年人额叶中央前回和后回在动态平衡中激活明显。中央前回和后回属运动和感觉控制区，与初级运动区(primary motor cortex,PMC)有一定重叠。老年人前额叶皮质(prefrontal cortex,PFC)参与动静态平衡调控[15]。
本研究采用fNIRS，探讨老年人平衡控制中PFC和PMC的脑网络变化。
1.1 一般资料
2022 年1 月至2022 年4 月，于广州医科大学附属第五医院康复医学科门诊和社区招募健康老年人20例，为社区居民或陪护，其中男性8 例，女性12 例；
平均年龄(59.55±8.40)岁；
于广州医科大学附属第五医院学生中招募健康年轻人22 例，其中男性11 例，女性11例；
平均年龄(21.45±0.91)岁。
受试者均无运动功能障碍、言语障碍，生活自理；
无脑病、精神病、下肢骨折、腰椎间盘突出等病史。
本研究经广州医科大学附属第五医院伦理委员会审批(No.KY01-2021-03-20)，所有受试者均签署知情同意书。
本研究在中国临床试验中心注册(No.ChiCTR2200058088)。
1.2 方法
1.2.1平衡任务测试
采用FreeMed 足底压力分析测试板(意大利SENSORMEDICA 公司)，传感面积160×40 cm，传感器密度4个/cm2，传感器总数25 600个。
采用Romberg 静态平衡能力测试法采集受试者睁闭眼站立足底压力数据。在安静环境中嘱受试者面向空白墙面站立，双脚并拢，双手放置于身体两侧，目视前方站立。嘱受试者睁眼，目视前方，在测试板上稳定站立，记录足底压力数据20 s；
然后嘱受试者闭眼，经过5 s稳定期后，记录足底压力数据20 s。记录球长度、椭圆面积、平均速度、平均X、平均Y、椭圆倾斜角度、椭圆偏心角度、最大摆动和最小摆动[16]。重复3次，取平均值。
1.2.2fNIRS数据采集
在平衡任务测试同时，采用NirSmart 便携式近红外成像设备(丹阳慧创医疗设备有限公司)进行数据采集。NirSmart由12个光源和10个探头组成24个通道，探头和光源间距离3 cm，采样频率11 Hz，红光波长730 nm 和850 nm。光源和探头放置参照国际10-20 脑电图系统。采集前检验所有通道均为有效通道。先采集静息站立状态10 s，作为基线；
然后采集睁眼站立20 s和闭眼站立20 s，重复3次，共170 s。
检测过程中避免肢体活动、语言交流、外界环境等干扰。
1.2.3fNIRS数据处理
fNIRS 数据采过NirSpark 软件进行预处理：①去除无关的时间间隔和运动伪迹；
②将原始光信号转化为光密度曲线；
③采用带通滤波(0.1～0.2 Hz)过滤心跳、呼吸等生理噪声[17]。
采用功能性脑网络分析模块，确定ROI 分别为左前额叶皮质(left prefrontal cortex,LPFC)、右侧前额叶皮质(right prefrontal cortex,RPFC)、左初级运动区(left primary motor cortex,LPMC)和右侧初级运动区(right primary motor cortex,RPMC)，左右PFC 区各分布4个通道，左右PMC区各分布8通道。见图1。
图1 fNIRS的通道和ROI定位
Hemo 模块计算ROI 的HbO2、DHb 浓度，将ROI所包含的通道信号进行平均；
通过Pearson 相关性分析计算同源脑区和异源脑区的功能连接，前者为ROI内不同通道之间相关性系数的均值，后者为不同ROI之间的相关性系数。
1.3 统计学分析
采用SPSS 22.0 软件进行数据分析。计量资料符合正态分布，以()表示，组间比较采用独立样本t检验；
不符合正态分布，采用两独立样本Wilcoxon符号秩和检验。显著性水平α=0.05。
2.1 足底压力测试
睁眼状态下，两组各参数均无显著性差异(P＞0.05)。闭眼状态下，老年人椭圆面积和最大摆动范围大于年轻人(P＜ 0.05)；
其余参数无显著性差异(P＞0.05)。见表1。
表1 两组足底压力平衡参数比较
2.2 功能连接
老年人RPFC 和LPFC 内部功能连接明显低于年轻人(P＜ 0.01)，RPMC-LPFC 和RPFC-LPFC 间功能连接低于年轻人(P＜ 0.05)。见表2。
表2 两组不同ROI功能连接比较
脑老化可引起运动功能控制能力下降，出现运动功能退化表现[18]。随年龄增加，老年人跌倒风险增加[19]。脑老化具有一定适应性和弹性，退化进展因人而异[20]。Tabara 等[21]的横断面研究显示，姿势控制不良与大脑退化、功能下降相关。
平衡由视觉、前庭觉、本体感觉共同调控[16]。本研究显示，老年人左右PFC 内部功能连接低于年轻人，而PMC 的内部功能连接与年轻人无显著性差异。Seidel 等[22]认为，PMC 在姿势控制和平衡中起重要作用，PFC 也可能参与平衡控制[23]。本研究显示，老年人执行视觉剥夺平衡控制任务时，躯干摆动频率和幅度加大，平衡表现更差。Teo 等[24]发现，双侧PFC 激活程度与平衡表现正相关。与本研究结果一致。
Fujita 等[25]发现，老年人在维持单脚站立和认知双任务时，右PFC 激活明显，双侧PMC 激活无显著性差异，考虑存在PFC 代偿激活。本研究显示，老年人RPMC-LPFC 和RPFC-LPFC 的功能连接低于年轻人，提示认知区和运动区的交互减弱。Lehmann 等[26]发现，PFC对PMC存在一定调控作用，在执行低难度平衡任务时，认知负荷较低，PFC 激活程度与平衡能力正相关；
在执行高难度平衡任务时，认知负荷增大，平衡能力下降，PFC 激活程度与平衡能力负相关，神经活动发生竞争性抑制。
本研究样本量较少，未能涉及年龄、认知水平分层。未来可扩大样本量，并开展纵向研究，深入探讨脑老化对于平衡调控脑网络的作用。
脑老化相关研究一直是老年康复的热点。本研究显示，与年轻人相比，老年人在平衡控制任务中出现平衡功能减退和脑功能连接强度降低，可能属于早期脑老化的脑网络特征改变。
利益冲突声明：所有作者声明不存在利益冲突。
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