恒挚分享｜行走时进行双任务处理额叶脑区激活增强:一项针对健康年轻人的fNIRS研究

引言

越来越多的研究表明，人类的行走行为不仅仅是下意识的机械运动，它还受到高级认知功能和大脑皮层的调控。近期，科学家们借助功能性近红外光谱（fNIRS）技术，对人在行走过程中的大脑活动进行了探索。研究发现，当受试者在走路的同时完成语言类认知任务时，额叶皮层中的含氧血红蛋白（HbO₂）水平显著上升，提示该区域的脑活动增强。

不过，这种脑部激活是否仅与“语言任务”有关？又是否是步态控制特有的反应？如果改为站立状态，同样的语言任务是否也会引发类似的大脑变化？本研究正是为了回答这些问题，进一步揭示双重任务（例如边走路边说话）时额叶皮层的激活是否是“行走”这一情境下独有的神经现象。

研究方法

实验设计—是“边走边算”更耗脑，还是“站着算”也一样？

为了进一步探究步态与认知任务对大脑的联合影响，研究团队招募了23名健康的年轻成年人（平均年龄约30.9岁，其中13位为女性），采用电子走道与fNIRS技术进行实验评估。fNIRS设备通过安装在额头上的两个探头，实时监测额叶区域的脑部活动。

实验设置了四种任务条件：

·自由行走（正常行走）

·边走边向前数数

·边走边连续减7（例如从100开始依次减7）

·站立时进行连续减7

在每种任务中，受试者需完成5次30米的步行或静止站立，且每次开始前先安静站立20秒，用作大脑活动的基线比较。

分析方法—重复测量方差分析（RM ANOVA）

为比较不同条件下额叶激活的差异，研究采用了重复测量方差分析（RM ANOVA）方法对结果进行统计检验。这一设计让我们能够进一步揭示，大脑在完成不同运动与认知组合任务时，是否表现出独特的激活模式。

评估方法

额叶功能评估

在本研究中，受试者额头上共放置了两对NIRS探头，分别位于左（Fp1）和右（Fp2）额叶皮层区域。每对探头包含3个发射器，合计构成6个通道。

fNIRS系统通过发出两种近红外波长（760和850纳米）的光线，并测量其在脑组织中的反射情况，来估算大脑中含氧血红蛋白与脱氧血红蛋白的微摩尔浓度变化，从而反映局部脑活动。

每次任务前，受试者需静立20秒以获取基础信号。随后，研究人员从任务期间的HbO₂数据中扣除这段基线水平，以得到任务相关的大脑激活变化。每种任务重复5次，数据再取平均，确保结果的稳定与可靠。

步态评估

除了记录大脑活动，研究还同步采用了一款“高科技地毯”——7米长的传感器地毯（PKMAS系统），以120Hz的高频率精确捕捉受试者每一次脚步的细节数据。可以分析步态速度、步伐节奏、步幅长度等关键的时空步态特征。它还能评估步伐之间的不稳定性——步幅间变异性，是衡量执行功能相关的步态协调能力的重要指标。

研究中通过计算变异系数（CV）来量化步幅时间的变化程度。CV值越高，代表步伐越不一致，可能说明在完成任务时认知控制资源受到挑战。

分析结果

1. 步态变慢且不稳定：认知任务影响走路表现

在“边走边连续减7”（步行+S7）任务中：

·步态速度显著下降

·步幅时间波动性增加，表现出“走不稳”

变异性增大反映了执行功能负担加重，提示大脑需投入更多资源维持行走协调。

2. 认知负荷越大，大脑额叶激活越强

通过fNIRS监测额叶皮层含氧血红蛋白（HbO₂）水平变化，发现：

HbO₂活动变化呈任务难度渐进增强趋势（p = 0.007）：

·最高：步行+S7

·中等：步行+计数

·最低：正常行走（不显著）

与“通常步行”相比：

·步行+计数：HbO₂↑ 0.15 μM（p = 0.03）

·步行+S7：HbO₂↑ 0.26 μM（p = 0.009）

3.大脑与步态的协同关系：互相“抢资源”？

步行+S7中，观察到显著的负相关：

·步幅变异性 ↑ → HbO₂ ↑（r = -0.47，p = 0.04）

·减法任务完成数 ↓ → HbO₂ ↑（r = -0.71，p = 0.011）

大脑在试图维持行走稳定性时，可能会牺牲部分认知表现，体现出“脑资源分配”策略。

4. 静止任务激活较弱，恢复迅速

“站立+S7”与“静止站立”之间**没有明显脑激活差异（p = 0.76）

任务结束后，HbO₂ 水平快速恢复至基线，符合典型的神经血流动力学反应。

研究结果

步行+任务：前额叶“更努力”

研究表明，随着任务复杂度的增加，大脑的激活程度也显著上升。双重任务会显著增加前额叶皮层（PFC，尤其是BA10区）的负荷，且这种激活不是简单的“语言任务反应”，而是与身体运动中的认知协调紧密相关。

行走VS站立：并非一回事

同样的认知任务（如S7），如果在站立时进行，反而会导致血氧水平下降，表明认知负荷的激活机制在静态和动态状态下完全不同。

多任务处理：大脑资源也“抢地盘”

研究还发现，在步行+S7条件下，大脑氧合水平与被试的任务完成质量呈负相关。这意味着，大脑在面对运动+认知任务时，确实存在神经资源竞争的情况。

步态与认知：更深层的联系

研究还首次发现，在双重任务中，步态的变化（如步频、步幅）与大脑氧合水平密切相关。反映了执行功能与运动控制之间的深度耦合关系。

展望未来

本研究的对象是健康年轻人，但老年人或神经退行性疾病患者的脑激活水平往往较低，可能难以有效应对“双重任务”，这也是他们更易在复杂环境中跌倒或出现认知障碍的潜在机制。

这项研究让我们意识到，“走路+想事情”这件看似简单的小事，其实背后隐藏着大脑复杂的调控机制。而fNIRS技术，也正在为我们揭开这些“日常中的认知奥秘”。

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