認(rèn)知與姿態(tài)控制的雙任務(wù)研究述評

認(rèn)知與姿態(tài)控制的雙任務(wù)研究述評

廣義姿勢控制（pc）是指通過控制肌肉活動來實現(xiàn)的身體局部和整體空間定位和身體穩(wěn)定性維護(hù)。而通常意義上的姿勢控制則指身體直立站姿和身體重心穩(wěn)定的維系,其控制機(jī)制涉及大腦、小腦等腦結(jié)構(gòu)多種感知覺、決策和控制等復(fù)雜信息加工過程,包含下意識的前饋控制、反饋控制和意識性的隨意姿勢控制等不同控制方式,并受年齡、疾病等多種生物醫(yī)學(xué)因素的影響。姿勢控制多與交談、思考、決策等認(rèn)知任務(wù)同時完成,這些認(rèn)知任務(wù)需要不同程度地占用和消耗腦認(rèn)知資源,從而對姿勢控制和認(rèn)知任務(wù)均產(chǎn)生不同程度的影響。研究認(rèn)知與姿勢控制相互作用的基本規(guī)律,探討認(rèn)知與姿勢控制的作用機(jī)制,對于深化大腦運動控制機(jī)制具有重要理論意義。1肢體姿態(tài)控制任務(wù)與認(rèn)知任務(wù)的關(guān)系認(rèn)知與姿勢控制雙任務(wù)研究范式主要用于研究認(rèn)知與神經(jīng)肌肉行為控制的相互影響,是近年來認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)和智能控制研究倍受關(guān)注的研究方法。相關(guān)研究對于進(jìn)一步揭示大腦的意識與下意識神經(jīng)肌肉控制途徑和控制方式,并應(yīng)用于康復(fù)醫(yī)學(xué)、人機(jī)工程和航天航空等領(lǐng)域具有重要的科學(xué)意義。根據(jù)經(jīng)典的認(rèn)知與姿勢控制雙任務(wù)研究范式,姿勢控制任務(wù)通常要求受試者在坐、站立或行走等條件下保持身體平衡,主要績效評價指標(biāo)包括姿勢搖擺時前后和兩側(cè)方向的壓力中心(centerofpressure,COP)位移、平均身體搖擺速度、單位時間內(nèi)搖擺軌跡所覆蓋的范圍、恢復(fù)平衡所需時間、行走步數(shù)及速度等,若受試者需要完成某個動作或受到某種姿勢干擾,則還需測量相關(guān)肌肉的表面肌電信號,計算反應(yīng)延時和幅度等;認(rèn)知任務(wù)種類較多,主要有隨機(jī)數(shù)字或字母生成任務(wù)、反應(yīng)時任務(wù)、心理計算任務(wù)、數(shù)字記憶任務(wù)、視覺空間記憶任務(wù)等,主要績效評價指標(biāo)包括反應(yīng)時和正確率等。用該范式進(jìn)行實驗時,通常要求受試者站在測力臺上記錄其身體姿勢晃動的情況,或使用步態(tài)分析器分析其步態(tài)生成情況,同時完成上述認(rèn)知任務(wù)。受試者通常采用口頭報告的形式完成認(rèn)知任務(wù),以防產(chǎn)生不必要的姿勢晃動。通常情況下為了測量雙任務(wù)的影響,會將受試者在雙任務(wù)情況下的任務(wù)績效與基線即單任務(wù)情況下的任務(wù)績效相比較,以兩者的區(qū)別來確定姿勢控制任務(wù)與認(rèn)知任務(wù)相互影響的程度。姿勢控制和認(rèn)知雙任務(wù)范式假設(shè),由于人腦信息加工能力的局限性,當(dāng)雙任務(wù)信息超過腦信息加工能力時,可以造成一種或兩種任務(wù)績效的下降,其中至少一種任務(wù)績效會受到明顯影響。Kerr等首次使用該范式研究認(rèn)知與姿勢控制的關(guān)系。實驗要求受試者以腳跟接腳趾串聯(lián)站姿站在測力臺上完成身體平衡控制,同時完成Brook空間記憶任務(wù),即逐詞重復(fù)耳機(jī)里播放的與空間位置相關(guān)的句子,或非空間言語記憶任務(wù),即把Brook空間記憶任務(wù)的句子中與空間位置相關(guān)的詞換成無關(guān)詞,記錄COP偏離中心位置的絕對距離和標(biāo)準(zhǔn)差、COP在前后和兩側(cè)方向上偏離中心位置的絕對距離和最大范圍、以及記憶任務(wù)的錯誤數(shù)。結(jié)果顯示,在進(jìn)行平衡任務(wù)時受試者空間記憶任務(wù)錯誤率顯著增加,而非空間言語記憶任務(wù)不受影響。Lajoie等要求受試者直立于普通界面或泡沫界面測力臺上,同時分別在睜眼或閉眼的情況下完成聽覺反應(yīng)時任務(wù),結(jié)果發(fā)現(xiàn)姿勢控制任務(wù)復(fù)雜度增加時聽覺反應(yīng)時變慢。還有研究采用了雙任務(wù)范式研究了年輕人、老年人或腰痛患者完成不同姿勢控制和認(rèn)知任務(wù)時的雙任務(wù)績效,結(jié)果均表明認(rèn)知和姿勢控制雙任務(wù)存在相互影響,證實了雙任務(wù)范式中一種或兩種任務(wù)績效下降,其中至少一種任務(wù)績效會受到明顯影響的假設(shè)。2影響兩個任務(wù)績效的因素2.1環(huán)境條件對正確理解親水性的影響在外部因素中,首先是姿勢控制任務(wù)的性質(zhì)。Lajoie等的研究中,受試者在坐、站立和行走條件下完成聽覺反應(yīng)時任務(wù),發(fā)現(xiàn)姿勢控制任務(wù)越簡單聽覺反應(yīng)時越快。其次是任務(wù)環(huán)境的影響。Shumway-Cook等讓老年受試者站在固定界面或可移動界面上,在3種視覺環(huán)境(有視覺、無視覺、移動視覺)下完成聽覺選擇反應(yīng)時任務(wù),結(jié)果顯示受試者在移動界面上無視覺和移動視覺這兩種情況下姿勢控制受到明顯影響。Ehrenfried等研究受試者在移動視覺區(qū)域內(nèi)完成姿勢控制和認(rèn)知雙任務(wù),發(fā)現(xiàn)受試者姿勢搖擺的幅度和標(biāo)準(zhǔn)差隨著視覺運動速度增加而增加。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)給予站在力臺上的受試者腓腸肌刺激以干擾其平衡時受試者的姿勢搖擺較多。以上實驗結(jié)果證明環(huán)境條件對于姿勢控制任務(wù)有限制作用。此外,次任務(wù)的性質(zhì)和認(rèn)知需求也是影響雙任務(wù)績效水平的重要因素。由于視覺是姿勢控制的一部分,因此有研究認(rèn)為包含視覺-空間信息的次任務(wù)比語言報告的次任務(wù)更容易干擾姿勢控制。Huxhold等發(fā)現(xiàn)老年人的COP位移在完成工作記憶任務(wù)時較完成選擇反應(yīng)時任務(wù)時更大。而次任務(wù)的認(rèn)知需求也會限制姿勢控制的績效,當(dāng)次任務(wù)的認(rèn)知需求較大時,姿勢控制會因為認(rèn)知和感覺運動加工間的注意資源競爭而受到不利的影響。最后,McNevin等發(fā)現(xiàn)注意點的放置也會影響雙任務(wù)績效。他們要求受試者站在測力臺上,同時用右手食指輕觸前方一塊織物,給一組受試者的指導(dǎo)語為“盡可能減小食指的動作”(內(nèi)部注意),給另一組的指導(dǎo)語為“盡可能減小織物的運動”(外部注意),結(jié)果表明外部注意較內(nèi)部注意條件下受試者姿勢搖擺頻率更高,顯示出較高的穩(wěn)定性。Vuillerme等的研究也發(fā)現(xiàn),當(dāng)要求受試者將注意力集中在自身姿勢控制上時,受試者神經(jīng)肌肉激活增強(qiáng)以確保站立時的姿勢控制,表明其自動控制過程受到阻礙。2.2不同特征組合的勢在內(nèi)部因素中,年齡是影響績效的主要因素。Maylor等的研究中,年輕和老年受試者在站立時完成幾種認(rèn)知任務(wù)(隨機(jī)數(shù)字生成任務(wù)、空間記憶任務(wù)、數(shù)字回憶任務(wù)、心理計算任務(wù)和減三倒數(shù)任務(wù)),結(jié)果顯示當(dāng)完成空間記憶和數(shù)字回憶任務(wù)時姿勢穩(wěn)定性的年齡差異顯著增加,表明當(dāng)認(rèn)知任務(wù)包含工作記憶的視覺空間部分時平衡的年齡差異增大,可能因為老年人本體或前庭感覺喪失而在姿勢控制時對視覺的依賴增加。Stelmach等的研究發(fā)現(xiàn)老年人在雙任務(wù)條件下整合沖突的或額外的信息時更加困難。還有研究表明老年人姿勢控制中感覺和肌肉系統(tǒng)的功能下降,減弱了其相互作用。因此,年齡對雙任務(wù)績效的影響可能是因為老年人無法在兩個任務(wù)之間轉(zhuǎn)移注意,或與姿勢控制相關(guān)的注意資源需求上升,或注意容量下降,或是這些因素的結(jié)合。此外,對于青少年姿勢控制和認(rèn)知雙任務(wù)研究發(fā)現(xiàn),14~15歲是個體姿勢控制的轉(zhuǎn)折點,此時認(rèn)知任務(wù)導(dǎo)致的COP位移多于16~17歲青少年和成年人。個體感覺運動能力也是影響雙任務(wù)績效的因素之一。老年人外周感覺運動功能下降,即時感覺運動機(jī)制減慢,導(dǎo)致姿勢定向過程中信息更新速度減慢,從而影響認(rèn)知任務(wù)的績效。Brauer等要求受試者同時完成姿勢恢復(fù)任務(wù)和聽覺反應(yīng)時任務(wù),結(jié)果顯示使用恢復(fù)策略時平衡受損的老年人較健康老年人需要更多的注意,并且雙任務(wù)時比單任務(wù)需要更長的時間來恢復(fù)穩(wěn)定,而健康老年人在兩種情況下無區(qū)別。對帕金森和老年癡呆癥患者的研究也發(fā)現(xiàn)次任務(wù)顯著增加了其走路時間。這些研究都表明感覺運動能力下降會導(dǎo)致雙任務(wù)下姿勢控制績效的下降。Stins等發(fā)現(xiàn)個體的專業(yè)技能也會影響雙任務(wù)績效。他們比較了青少年舞者和非舞者完成認(rèn)知任務(wù)時的姿勢搖擺,顯示舞者搖擺幅度和范圍都比非舞者小,并且次任務(wù)績效較高。Speers等的研究也發(fā)現(xiàn)航天員在太空飛行后回到地球時身體搖晃顯著增加,閉眼時無法保持穩(wěn)定姿勢,表明姿勢控制可能還依賴于某些個體特征如專業(yè)技能。另外,有研究認(rèn)為生理喚起可能也是影響認(rèn)知與姿勢控制雙任務(wù)相互作用的因素。3相互作用的理論模型認(rèn)知與姿勢控制相互作用涉及注意資源、神經(jīng)肌肉控制等多種生理心理過程,目前認(rèn)知心理學(xué)主要形成以下3種理論解釋。3.1動態(tài)姿態(tài)控制與認(rèn)知任務(wù)的匹配機(jī)理注意資源競爭模型(cross-domaincompetitionmodel)認(rèn)為注意資源容量有限,姿勢控制和認(rèn)知活動會競爭注意資源,如果兩個任務(wù)資源需求總和超過了這個容量,其中一個任務(wù)或者兩個任務(wù)的績效下降。Lajoie等的研究發(fā)現(xiàn)姿勢控制任務(wù)越簡單聽覺反應(yīng)時越快,表明姿勢控制需要注意并且與認(rèn)知任務(wù)所需的注意資源存在競爭關(guān)系。此外,姿勢穩(wěn)定性的年齡差異為該模型提供了證據(jù)。Redfern等的研究發(fā)現(xiàn)雙任務(wù)下老年人比年輕人姿勢搖擺大,并且受到認(rèn)知任務(wù)的影響,此外老年人反應(yīng)時較長,并且隨姿勢任務(wù)難度的增加反應(yīng)時變長,表明在雙任務(wù)范式下由于注意資源的沖突而導(dǎo)致兩種任務(wù)績效下降,而該效應(yīng)在老年人中尤為明顯。此外,Lavie的知覺負(fù)荷理論(perceptualloadtheory)從知覺角度支持了注意資源競爭模型。該理論認(rèn)為,當(dāng)前任務(wù)中的知覺負(fù)荷的高低決定了完成任務(wù)時的注意資源分配。在認(rèn)知與姿勢控制雙任務(wù)條件下,當(dāng)認(rèn)知任務(wù)的知覺負(fù)荷較高時,所需的注意資源更多,因此姿勢控制績效就會因為注意資源不足而下降。3.2次任務(wù)的認(rèn)知需求對姿態(tài)控制任務(wù)績效的影響U型模型(U-shapednon-linearinteractionmodel)認(rèn)為姿勢控制績效可以提高或下降,依賴于次任務(wù)的認(rèn)知需求。當(dāng)次任務(wù)的認(rèn)知需求較低時姿勢穩(wěn)定性會提高,可能是因為將注意力從姿勢控制中移開可以增加其自動化過程從而提高穩(wěn)定性,而當(dāng)次任務(wù)的認(rèn)知需求較高時則會對姿勢任務(wù)產(chǎn)生負(fù)面的影響,因此次任務(wù)的認(rèn)知需求與姿勢控制任務(wù)績效之間是U型的非線性關(guān)系。Huxhold等對U型模型進(jìn)行了驗證。實驗者測量了受試者在僅站立,以及站立同時完成看數(shù)字任務(wù)、選擇反應(yīng)時任務(wù)、數(shù)字工作記憶任務(wù)、或空間工作記憶任務(wù)時的姿勢搖擺范圍,發(fā)現(xiàn)站立并看數(shù)字較僅站立時姿勢搖擺范圍小,即姿勢更穩(wěn)定,而隨著認(rèn)知任務(wù)難度的增加姿勢搖擺范圍增大,符合U型曲線。文獻(xiàn)也發(fā)現(xiàn),年輕受試者在站立并完成認(rèn)知任務(wù)時的姿勢搖擺較僅站立時小。U型模型和注意資源競爭模型并不矛盾,U型模型中有利于姿勢控制績效的部分注意資源的使用未超過資源容量,而當(dāng)任務(wù)所需注意資源增加并超過資源容量時,兩種任務(wù)出現(xiàn)資源競爭從而產(chǎn)生U型模型中姿勢控制績效下降的部分。3.3動態(tài)姿態(tài)控制任務(wù)優(yōu)先模型認(rèn)為個體可以運用不同的感覺運動策略達(dá)到身體平衡控制,這種策略的選擇依賴于環(huán)境和任務(wù)難度的心理表征。實驗觀察發(fā)現(xiàn)老年人與同伴談話時會停下腳步,表明老年人會選擇合適的策略來防止摔倒。此外,與年輕人相比,老年人在分散注意的情況下較容易優(yōu)先選擇姿勢控制,也就是遵循“姿勢優(yōu)先”原則,該原則可以解釋在雙任務(wù)范式下由于姿勢控制優(yōu)先而導(dǎo)致的認(rèn)知任務(wù)績效下降。Kerr等的研究中雙任務(wù)下受試者空間記憶任務(wù)錯誤增加,但姿勢控制績效不受影響,表明受試者將注意資源優(yōu)先分配給姿勢控制任務(wù)。Laessoe等的研究發(fā)現(xiàn),受試者在受到姿勢干擾時會用預(yù)期姿勢調(diào)整策略來減小干擾,而在雙任務(wù)條件下APAs會增強(qiáng),說明受試者在雙任務(wù)下會首先確保姿勢的穩(wěn)定性。任務(wù)優(yōu)先模型認(rèn)為姿勢控制與認(rèn)知任務(wù)的相互影響及其隨年齡的變化是由于個體對注意分配策略的改變,而非資源的競爭或注意容量的下降。4任務(wù)績效變化航天員在太空中完成任務(wù)時微重力環(huán)境會導(dǎo)致肌肉萎縮,H反射和牽張反射活動過度,肌肉生物力學(xué)特征改變,下肢肌肉激活模式改變,以及本體感受和前庭功能變化。而由失重引起的支撐面?zhèn)魅胄畔⒌臏p少則會導(dǎo)致前庭覺、視覺、皮膚、肌肉、隔膜和關(guān)節(jié)感受器接收到的信號之間的關(guān)系發(fā)生變化,如果該變化與大腦中特定的功能模式不匹配則容易產(chǎn)生太空不適并且導(dǎo)致姿勢控制混亂。這種由身體動作引發(fā)的實際感覺傳入與期望的不一致,會使感覺神經(jīng)系統(tǒng)重建感覺信息整合過程,以此確定空間朝向,修改動作控制策略和動作協(xié)同模式,從而協(xié)調(diào)身體動作。由于該重建過程需要耗費大量的注意和認(rèn)知資源,航天員的認(rèn)知任務(wù)績效可能會受到影響。Manzey等研究了航天員在太空中同時完成追蹤任務(wù)和記憶搜索任務(wù)時的雙任務(wù)績效,結(jié)果顯示雙任務(wù)下追蹤任務(wù)績效較單任務(wù)時明顯下降。研究者認(rèn)為,由于兩個任務(wù)都需要視覺注意,因此績效的下降可解釋為注意選擇性的提高,即由于兩種任務(wù)需要耗費共同的資源而產(chǎn)生時間序列上的沖突,導(dǎo)致受試者同時注意到的線索范圍減小,因此對任務(wù)刺激信息不能充分的加工,從而造成任務(wù)績效的下降。航天員回到地球時無法立刻完成微重力向重力環(huán)境的轉(zhuǎn)換,從而導(dǎo)致姿勢穩(wěn)定性下降。Layne等對航天員回到地球后完成快速舉臂任務(wù)的研究發(fā)現(xiàn),受試者在完成快速舉臂任務(wù)時COP位移增加,并且肌肉活動波形的相位特征也發(fā)生變化。Paloski等的研究也發(fā)現(xiàn),受試者在太空飛行后較飛行前姿勢搖晃范圍增加,平衡下降,并且頭部-軀干協(xié)調(diào)策略也有所改變。此外,太空飛行后航天員受到外部姿勢干擾時生物力學(xué)反應(yīng)過度,肌肉反應(yīng)潛伏期增加,恢復(fù)新的平衡所需時間延長。5行為-事件對雙任務(wù)績效的影響姿勢控制和身體穩(wěn)定性維系是中樞神經(jīng)系統(tǒng)在各種復(fù)雜作業(yè)和環(huán)境條件下根據(jù)肌肉本體感覺、視覺和前庭覺信息對全身肌肉主動控制的結(jié)果,是日常生活、學(xué)習(xí)和工作過程中任何隨意運動賴以進(jìn)行的必要條件。以往大量研究發(fā)