身体锻炼对中老年人空间定向能力的影响：来自P300的证据

高淑青，张连成，王 钰



身体锻炼对中老年人空间定向能力的影响：来自P300的证据

高淑青，张连成，王 钰

采用ERP技术考察身体锻炼对中老年人空间定向能力的影响。天津市天塔街社区的中老年参与者26人(锻炼者与非锻炼者各13人)参与了实验。结果显示，在完成心理旋转任务时，锻炼组反应时为1 116.877±258.821 ms，非锻炼组反应时为1 334.026±275.390 ms，两组别反应时差异可靠，t=-2.072，P=0.049。脑电方面，中央点Cz上，锻炼组P3波幅为4.011±1.247 μV，非锻炼组P3波幅为2.966±1.709 μV；在顶点Pz上，锻炼组P3波幅为4.666±1.799 μV，非锻炼组P3波幅为3.225±1.848 μV。混合设计的重复测量方差分析显示，两组别的P3波幅差异可靠，F(1,24)=5.155，P=0.032，partial η2=0.177，两电极点上P3波幅的差异不可靠，F(1,24)=1.632，P>0.05，电极点和组别之间交互作用不可靠，F(1,24)=0.305，P>0.05。综上，锻炼者较非锻炼者在完成空间定向任务时反应更快，P3波幅更大，能够动员更多的神经元同步兴奋。这提示，身体锻炼可以改善中老年人的脑功能，在认知加工时，认知加工资源动员程度更高。

身体锻炼，中老年人，空间定向能力，P300

有关成年期认知发展的研究主要集中于基本认知能力和日常认知能力两大领域，前者是在一般认知活动中展现出的能力，后者是在解决日常生活遇到的问题时展现出的能力，前者是后者的基础和核心[8,9]。在基本心理能力发展上，除词语流畅能力外，其他各种能力在50岁以后均呈下降趋势[8]。空间认知能力作为一项重要的基本认知能力[30,28]，对老年人的日常问题解决能力有着重要影响，在老年人的日常生活中发挥重要作用，同时，空间认知能力伴随着增龄，也表现出功能衰退的现象，这种老化现象也得到越来越多的心理学家的关注[3,14]。

空间认知能力包括准确知觉外界的能力、对知觉到的客体进行改造和修正的能力以及重建视觉经验的能力。具体体现为视空间定向、空间旋转、空间关系和视觉形状重构等诸要素，其核心是视觉空间表象能力，因而许多学者把视觉空间表象视为空间智能的核心。视觉表象能够以多种方式进行转换，其中最为典型的一种，就是以表象为基础的心理旋转[6]。心理旋转(mental rotation)是一种想象自己或客体旋转的空间表征转换能力。心理旋转作为人类空间认知的一种基本操作，对个体的空间能力有较好的预测效度。因此，本研究采用心理旋转测验来测查参与者的空间能力。

伴随全球人口老龄化不断加剧的社会现实，如何延缓中老年人老化已成为全社会共同关注的热点问题。而身体锻炼对中老年人认知功能的积极影响以及延缓其老化的作用逐渐被人们认识。很多研究表明，身体锻炼可以通过改善锻炼者大脑的机能来延缓认知老化[16,18,23]。那么，体育锻炼能否延缓中老年人的空间能力的老化呢？若存在延缓作用，这种延缓作用在大脑活动特点上有怎样的表现呢？针对以上问题，本研究采用事件相关电位技术研究身体锻炼对中老年人空间能力的影响，以期获得身体锻炼延缓中老年人空间能力老化的大脑活动特点，为身体锻炼延缓认知老化提供理论支持和实践指导。

1 研究目的与假设

本研究拟通过事件相关电位技术考察身体锻炼对空间定向能力老化影响的大脑活动特点，从脑功能层面获得身体锻炼延缓空间定向能力老化的证据。

本研究假设：中老年锻炼组在完成空间定向能力测试时，反应时更短，P300波幅更大，反映出锻炼者加工速度更快，注意资源分配更多，有效加工资源动员程度更高。

2 研究对象与方法

2.1 研究参与者

来自天津市天塔街社区的中老年参与者30人自愿参与本研究，剔除脑电伪迹过多和测试正确率低于95%的参与者4人，剩余有效参与者26人，锻炼者13人(男3人，女10人)，年龄在58～64岁之间，平均年龄为60.08±2.22岁。非锻炼者13人(男3人，女10人)，年龄在58～65岁之间，平均年龄为60.38±2.84岁。参与者的视力或矫正视力正常，均为右利手，均无神经及精神疾病史，身体健康，受教育程度均为高中以上，均为无烟酒或少烟酒，均已婚。

2.2 测验工具及仪器

1.《锻炼阶段诊断量表》

本研究采用锻炼阶段诊断量表[10,15,26]来判断研究参与者是否为锻炼人群。锻炼阶段诊断量表由5道题来判断个体所处的锻炼阶段，即“请您回想在过去4周内，您是否以至少中等强度，进行每周3次、每次30 min(或至少每周累计1.5 h)的体育活动”？如果回答的是“没有，且无此打算”或“没有，不过我正有此考虑”，则处在无意向阶段；如果回答是“没有，不过我已经考虑并有详细计划了”，则个体处在意向阶段；如果回答是“是的，最近刚开始”或“是的，已有一段时间了”，则个体处在行动阶段。

2.脑电仪

采用德国Brain Products公司的ERP记录与分析系统，按国际10/20系统扩展的64导电极帽记录EEG信号，参考电极A1、A2，AFz接地，保证电极与头皮接触电阻小于5 kΩ，记录水平眼电(HEOG)和垂直眼电(VEOG)。脑电记录带宽0.1～35 Hz，AC采样，采样率为1 000 Hz/导。

2.3 刺激呈现方式和ERPs提取

1.刺激呈现方式

空间定向能力采用经典的心理旋转测验进行测试。以“R”及其镜像分别在6个角度(0°、顺时60°、顺时120°、180°、逆时60°、逆时120°)旋转后的图像作为材料，每种材料呈现5次，总计60次。刺激图像大小为5 cm×5 cm，刺激背景为黑色，刺激为红色，所有刺激随机呈现在屏幕中央，刺激呈现时间不限，直至参与者做出反应自动消失，刺激出现间隔时间由计算机随机控制，400～600 ms不等，要求参与者对刺激尽快做出反应，同时按下反应盒上的相应键。

2.ERPs的提取

对脑电数据进行离线分析，应用Analyzer软件从脑电图去除伪迹(包括眼动伪迹)，去除标准为波幅≥±100 mV的伪迹信号，进行0.05～30 Hz的滤波。通过平均叠加技术，以刺激出现前200 ms作为平均基线，从脑电图中提取刺激时的ERPs，空间定向任务的分析时程(epoch)为刺激出现后1 500 ms。认知波主要测量单极导联Cz、Pz，测量相关ERPs波幅，建立ERPs总平均图。分别对锻炼组和非锻炼组参与者的平均波形作ERPs地形图分析。

2.4 研究程序

参与者进入实验室后，主试介绍实验内容，获得知情同意，并填写基本信息登记表。

测试在安静、舒适的环境中进行，测试过程中要求被检测者保持安静，尽量避免眨眼，参与者通过练习完全掌握测试要求后，开始进行正式测试。

正式测试中，参与者完成空间定向能力测验。通过Recorder软件记录脑电信号。

测试结束，感谢参与者的参与并赠送纪念品。

2.5 数据管理与分析

选取测验成绩正确率均高于95%的参与者为有效参与者，对有效数据采用SPSS 16.0软件包分别对行为学数据和脑电数据进行处理和分析。

3 研究结果

3.1 行为学结果

研究将在《锻炼阶段诊断量表》中回答处于无意向阶段和意向阶段的参与者作为非锻炼者，将处于行动阶段的参与者视为锻炼者。对两组参与者在空间定向能力上测试的反应时进行分析，锻炼组反应时为1 116.877±258.821 ms，非锻炼组反应时为1 334.026±275.390 ms，进行独立样本t检验，结果显示，两组别反应时差异可靠，t=-2.072，P=0.049，锻炼者测试速度快于非锻炼者。

3.2 脑电结果

P300是心理旋转的特征波，反映心理旋转的特性。在心理旋转过程中，不同对象的心理旋转所激活的大脑皮层区域存在差异性，通过使用fMRI、脑电技术(EEG)和PET对心理旋转的研究发现，顶叶、枕叶和额叶是心理旋转的重要的脑活动区[7]。结合以往研究结果[4-7]和本研究的脑地形图，本研究选取脑部中央点Cz和顶点Pz所诱发出的P300指标进行分析。本研究中，由于P300(以下称P3)显示为双峰，不适于用波峰值和峰潜伏期来统计[5]，所以统计P3在350～500 ms之间平均波幅，结果见表1所示。两组参与者在完成空间定向任务时在电极点Cz和Pz诱发的ERP总平均图如图1和图2所示，ERP脑地形图如图3所示。

Table 1 Descriptive Statistics of the AverageAmplitude of P3 in the Two Groups

电极锻炼组(n=13)非锻炼组(n=13)Cz4.011±1.2472.966±1.709Pz4.666±1.7993.225±1.848

图 1 两组完成空间定向任务时Cz点诱发的ERP比较图

Figure 1. Comparison of ERP Elicited on Cz Points whenTwo Groups Complete the Spatial Orientation Task

图 2 两组完成空间定向任务时Pz点诱发的ERP比较图

Figure 2. Comparison of ERP Elicited on Pz Points whenTwo Groups Complete the Spatial Orientation Task

图 3 锻炼者(左)和非锻炼者(右)在空间定向任务上诱发的ERP地形图

Figure 3. Comparison of ERP Topographic Map about Exerciser(left)and Non Exerciser(right) when Complete the Spatial Orientation Task

在表1的基础上，对两组参与者的P3波幅进行混合设计的重复测量方差分析，结果显示，两组别的P3波幅的差异可靠，F(1,24)=5.155，P=0.032，partial η2=0.177，即锻炼者较非锻炼者在完成空间定向任务时P3的波幅更大，两电极点上P3波幅的差异不可靠，F(1,24)=1.632，P>0.05，电极点和组别之间交互作用不可靠，F(1,24)=0.305，P>0.05。

4 分析与讨论

行为学结果方面，锻炼者在心理旋转任务上的反应时短于非锻炼者，表明锻炼者较非锻炼者的认知加工效率更高，能够准确而快速地完成认知任务，身体锻炼能够促进个体的认知加工速度，从而提高个体完成认知任务的能力。加工速度表征个体执行不同认知操作的快慢程度，是衡量心理能力的重要指标[11]。加工速度在很大程度上解释了增龄对认知功能的影响，研究表明，加工速度在认知能力年老化过程中起决定作用[2]，身体锻炼可以通过提高加工速度来延缓基本心理能力的老化[1]。本研究与以往研究结果一致，同时也支持了Salthouse(1985)提出的加工速度理论(processing speed theory)，即加工速度减慢是认知功能发生老化的重要原因[27]。

脑电结果方面，本研究采用经典的心理旋转测验来测查参与者的空间定向能力，心理旋转的事件相关电位研究最初是Wijers等[31]1989年开始的，研究认为，在心理旋转过程中，顶叶区域出现明显的P300，且随着旋转角度的增加，P300波幅减小。在心理旋转测验的ERP的研究中，头皮顶区分布的P300或P3b成分是最重要的，因为它们和事件分类的认知加工过程相关[13]。本研究结果显示，在完成心理旋转任务时，锻炼者较非锻炼者的P3波幅更高，表明注意资源分配更多[21,22]，能够动员更多的神经元来完成任务，同时，锻炼组P3波幅高也表明个体的工作记忆能力更强[19]，而工作记忆又会影响心理旋转任务的完成[12]，这与以往研究中工作记忆是锻炼与基本心理能力之间的中介变量的研究结果是一致的[1]。身体锻炼可以影响锻炼者完成任务时P3的波形，即改善了锻炼者完成空间任务的脑功能。从两组参与者脑地形图的比较可见，锻炼者能够更迅速地启动认知资源进行认知任务的操作，在刺激出现后的350～500 ms之间，锻炼者较非锻炼者大脑的活跃程度更高，参与认知加工的神经元激活数量更多，完成任务的参与脑区更广泛。以上结果表明，身体锻炼加强了大脑协同工作的能力，并产生神经元功能的可塑性变化。总之，身体锻炼提高了中老年人完成空间任务时的中枢神经系统的功能，使个体能够动员更多的认知加工资源完成当前认知任务。这与最新的综述研究结果是一致的[24]。

本研究选取的是55岁以上的中老年参与者进行的考察，这个群体从事的锻炼项目主要有健身操、太极拳、广场舞和走步等，属于有氧锻炼的形式，因此，本研究认为，有氧锻炼是延缓中老年人空间定向能力老化的重要锻炼方式。这与前人的研究结果是一致的[17,20,25]。

总之，有氧锻炼可以促进个体的认知健康，这其中的机制在于有氧锻炼可能会增加“认知储备”[29]，使个体完成认知任务时能够动员的加工资源更多，加工能力更高。有氧锻炼促进了大脑的功能，进而延缓认知老化的发生。

5 结论

锻炼者较非锻炼者在完成空间定向任务时反应更快，P300波幅更大，能够动员更多的神经元同步兴奋。这提示，身体锻炼可以改善中老年人的脑功能，在认知加工时，认知加工资源动员程度更高。

[1]高淑青，毛志雄，张连成.身体锻炼延缓基本心理能力老化的心理机制：认知加工资源中介模型[J].天津体育学院学报，2014，29(6)：461-466.

[2]李德明，刘昌，陈天勇，等.加工速度和工作记忆在认知年老化过程中的作用[J].心理学报，2003，35(4)：471-475.

[3]林仲贤，张增慧，韩布新.儿童、中青年及老年人心理旋转能力的比较研究[J].心理科学，2002，25(3)：257-259.

[4]刘练红，刘旭峰，吕静，等.汉字心理旋转的事件相关电位研究[J].第四军医大学学报，2004，25(22)：2105-2108.[5]刘练红，刘旭峰，苗丹民，等.分类任务与心理旋转任务的事件相关电位P300比较[J].中国行为医学科学，2005，14(11)：1013-1015.[6]刘练红.心理旋转的事件相关电位研究[D].西安：第四军医大学，2004.

[7]祁乐瑛.表象表征：心理旋转的实证探索[D].上海：华东师范大学,2009.

[8]申继亮，陈勃，王大华.成人期基本认知能力的发展状况研究[J].心理学报，2000，32(1)：54-58.

[9]申继亮，陈勃，王大华.基本心理能力等因素对老年期日常问题解决的影响[J].中国老年学杂志，2001，21(5)：321-322.

[10]沈梦英.中国成年人锻炼行为的干预策略：TPB与HAPA 两个模型的整合[D].北京:北京体育大学，2011.

[11]唐慧琳，刘昌.类比推理的影响因素及脑生理基础研究[J].心理科学进展，2004，12(2)：193-200.

[12]徐宏飞，尤阳.不同工作记忆广度下心理旋转能力的差异研究[J].成都师范学院学报，2013，29(2)：5-7.

[13]徐立彬，李安民，刘玉.优秀运动员大脑神经效率及可塑性特点[J].首都体育学院学报，2013，25(6)：566-572.

[14]游旭群，王伟，杨治良.老年人表象旋转加工特点的实验研究[J].中国临床心理学杂志，1997，5(4)：200-203.

[15]于拓，毛志雄.北京市青少年身体锻炼与自尊、人格的关系[J].体育科学，2013，33(3)：49-55.

[16]CHANG Y K,HUANG C J,CHEN K F,etal.Physical activity and working memory in healthy older adults: An ERP study[J].Psychophysiol,2013,50(11): 1174-1182.

[17]CHAPMAN S B,ASLAN S,SPENCE J S,etal.Shorter term aerobic exercise improves brain,cognition,and cardiovascular fitness in aging[J].Frontiers Aging Neurosci,2013,5:1-9.

[18]DAI C T,CHANG Y K,HUANG C J,etal.Exercise mode and executive function in older adults: An ERP study of task-switching[J].Brain Cognition,2013,83(2):153-162.

[19]DONCHIN E,COLES M G H.Is the p300 component a manifestation of context updating[J].Behavior Brain Sci,1988,11: 357-374.

[20]ERICKSON K I,KRAMER A F.Aerobic exercise effects on cognitive and neural plasticity in older adults[J].Bri J Sports Med,2009,43(1): 22-24.

[21]HILLMAN C H,BELOPOLSKY A V,SNOOK E M,etal.Physical activity and executive control: Implications for increased cognitive health during older adulthood[J].Res Q Exe Sport,2004,75(2):176-185.

[22]HILLMAN C H,KAMIJO K,PONTIFEX M B.The Relation of ERP Indices of Exercise to Brain Health and Cognition[M].In Functional Neuroimaging in Exercise and Sport Sciences.Springer New York,2012: 419-446.

[23]HUANG C J,LIN P C,HUNG C L,etal.Type of physical exercise and inhibitory function in older adults: an event-related potential study[J].Psy Sport Exe,2014,15(2): 205-211.

[24]KIRK-SANCHEZ N J,MCGOUGH E L.Physical exercise and cognitive performance in the elderly:current perspectives[J].Clin Intervent Aging,2014,(9):51-62.

[25]KRAMER A F,HAHN S,COHEN N J,etal.Ageing,fitness and neurocognitive function[J].Nature,1999,400(6743): 418-419.

[26]RICHERT J,LIPPKE S,ZIEGELMANN J P.Intervention-engagement and its role in the effectiveness of stage-matched interventions promoting physical exercise[J].Res Sports Med,2011,19(3):145-161.

[27]SALTHOUSE T A.A Theory of Cognitive Aging[M].Elsevier Science Publishers,Amsterdam,1985.

[28]SCHAIE K W.Intellectual Development in Adulthood: The Seattle Iongitudinal Study[M].NY:Cambridge Univ Press,1994.

[29]STUDENSKI S,CARLSON M C,FILLIT H,etal.From bedside to bench: Does mental and physical activity promote cognitive vitality in late life[J].Science's SAGE KE,2006,(10): 21.

[30]THURSTONE L L.Primary Mental Abilities[M].Chicago: Univ Chicago Press,1938.

[31]WIJERS A,OTTEN L,FEENSTRA S,etal.Brain potentials during selective attention,memory search,and mental rotation[J].Psychophysiol,1989,26(4):452-467.

Effect of Physical Exercise on Middle-aged and Elder People’s Spatial Orientation Ability:Evidence from P300

GAO Shu-qing,ZHANG Lian-cheng,WANG Yu

ERP technical was used to test the effect of physical exercise on middle-aged and elder people’s spatial orientation ability.Twenty-six middle-aged and elder people from Tianjin Tower Street Community were invited to participate in this study.The results showed that exercise group reacted faster than non-exercisers in spatial orientation(1 116.877±258.821 ms vs.1 334.026±275.390 ms;t=-2.072,P=0.049).EEG results showed that exercise group’s amplitude of P300 in central point of Cz was 4.011±1.247 μv,and 2.966±1.709 μv in non-exercise group,as well as exercise group’s amplitude of P300 in brain vertex Pz was 4.666±1.799 μv,and 3.225±1.848 μv in non-exercise group; Repeated measures ANOVA showed that there were significant differences between exercise group and non-exercise group on amplitude of P300[F(1,24)=5.155,P=0.032，partial η2=0.177].But,there were no significant between two electrodes’ P300 amplitude[F(1,24)=1.632，P>0.05],also interaction between electrodes and groups[F(1,24)=0.305,P>0.05].Conclusion: Exercise group,which can mobilize more excited neurons synchronization,have faster speed and stronger amplitude of P300 than non-exercise group when complete spatial orientation task.Those results suggested that physical exercise can improve brain function in the middle-aged and elder people,which can promote mobilization of cognitive processing resource at the moment of cognitive processing.

physicalexercise;middle-agedandelderpeople’s;spatialorientationability;P300

1002-9826(2016)04-0059-04

10.16470/j.csst.201604008

2015-12-18；

2016-06-08

教育部人文社会科学研究青年基金项目(13YJC-ZH246)；天津市高等学校创新团队培养计划资助项目；天津市“131”创新型人才培养工程项目。

高淑青(1981-)，女，山西省人，讲师，博士，研究方向为运动心理学，E-mail：gaoshuqing2600@163.com；张连成(1981-)，男，内蒙古人，副教授，博士，研究方向为运动心理学，E-mail：zlc-hhht@163.com；王钰(1984-)，女，安徽省人，讲师，博士，研究方向为运动认知神经科学，E-mail：450672779@qq.com。

天津体育学院，天津 300381 Tianjin University of Sport，Tianjin 300381,China.

G804.8

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