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方法文章

同步双任务步态以增强前额叶皮层反应的头皮针刺法

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DOI：

10.3791/66944

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2024年8月9日

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1Department of Orthopaedics, Anshun Hospital of Traditional Chinese Medicine, 2The Fifth Affiliated Hospital of Guangzhou Medical University, 3School of Traditional Chinese Medicine, Jinan University, 4Department of Rehabilitation Medicine, The Seventh Affiliated Hospital of Sun Yat-sen University, 5Guangzhou Medical University, 6Panzhihua Central Hospital, 7Department of Physical Therapy, College of Rehabilitation Sciences, University of Santo Tomas, 8Clinical Medical College of Acupuncture and Rehabilitation, Guangzhou University of Traditional Chinese Medicine, 9Department of Spine Surgery, Zhongshan Torch Development Zone People's Hospital

* These authors contributed equally

本文内容

摘要

本方案展示了头皮针灸同步进行运动-认知双重任务及运动-认知双重任务的标准操作流程。这可为中西医结合治疗新型有效非药物疗法的临床探索提供重要参考。

摘要

研究表明，运动-认知双重任务可显著改善运动/认知功能。然而，运动-认知双重任务的治疗效果仍存在局限性。如何提升双重任务的表现是解决这一问题的关键。头针疗法是一种通过针刺头皮上大脑皮层功能区对应投射区域来治疗脑源性疾病的传统中医非药物干预方法。研究显示，头针疗法有助于改善神经元损伤和认知功能障碍，在中枢神经系统疾病中发挥神经保护作用。然而，目前尚无相关研究探讨运动-认知双重任务与头针疗法之间的协同增益效应。因此，本方案旨在通过一项随机交叉对照试验，展示头针同步联合运动-认知双重任务及单独运动-认知双重任务的标准化操作流程，并比较这两种任务在中国台湾健康受试者中的差异。本方案初步揭示了头针同步联合运动-认知双重任务对认知表现、步态控制及大脑皮层功能可能产生的影响机制，可为中西医结合临床探索新型、有效的非药物治疗策略提供新思路和理论依据。

引言

运动-认知双重任务是指同时执行一项运动任务和一项认知任务，需要运动系统与认知系统的同步参与1,2。研究表明，与单一的运动任务或认知任务相比，运动-认知双重任务可显著改善运动功能和认知功能3,4。Anson 等人5将20名帕金森病患者随机分为单任务组（依次进行步态和认知训练）和双重任务组（同步进行步态和认知训练），并进行了为期8周的康复训练。结果显示，两组均可显著降低运动障碍学会统一帕金森病评定量表的运动子量表评分，但双重任务组的下降幅度更大，且运动功能的改善可至少持续4周。Shah 等人6将224名社区老年人随机分为身体锻炼组、计算机认知训练组、运动-认知训练组和空白对照组，并进行为期16周的康复训练。所有受试者在训练前后均接受了正电子发射计算机断层扫描。结果发现，与其他三组相比，运动-认知训练组的言语记忆功能得到改善，并且左侧感觉运动皮层的脑葡萄糖代谢显著增加。此外，该脑区更高的葡萄糖代谢水平与言语记忆的改善呈正相关，提示特定组合的运动-认知训练可改善认知功能并提高脑葡萄糖代谢水平。此外，在运动方面，运动-认知双重任务可改善平衡功能并降低跌倒风险7,8。Amanda 等人9将21名帕金森病患者随机分为单任务组和双重任务组，并进行为期8周的康复训练。结果显示，两组的运动功能临床评分均显著改善，但仅有双重任务组的跌倒次数显著减少了60%。

然而，运动-认知双重任务是一种行为干预，尽管临床研究已表明其治疗效果优于单一的运动任务或认知任务，但运动-认知双重任务的疗效仍然有限。因此，提升双重 任务表现是解决这一问题的关键。目前相关研究已证实，在运动-认知双重任务基础上结合中枢干预可改善运动-认知双重任务表现10,11,12,13。常见的中枢干预包括经颅直流电刺激（tDCS）和经颅磁刺激（TMS）11。然而，tDCS或TMS无法与运动-认知双重任务同步进行，仅能在双重任务前后实施，且设备相对昂贵，限制了其在临床的推广应用。因此，提升双重任务表现的关键在于寻找一种可与双重任务同步实施、疗效与联合tDCS或TMS相当且价格合理的替代性干预手段。研究发现，头针疗法在某种程度上具有与tDCS相似的即时效应。Zhang等14探讨了tDCS与头针疗法在工作记忆中的短期表现差异，并采用随机交叉实验设计纳入44名大学生。结果显示，在0-back任务和1-back任务中，干预前后tDCS与头针疗法在准确率（ACC）和反应时间上均无统计学差异。提示头针疗法对认知功能的治疗效果与tDCS相似。

头针是一种中医非药物干预方法，通过针刺大脑皮层功能在头皮上的相应投射区域，治疗脑源性疾病。头针是世界卫生组织推荐的中风治疗方法之一，已被证明可改善卒中后认知障碍（PSCI）患者的认知功能15。研究表明，头针有助于改善神经元损伤和认知功能障碍，在中枢神经系统疾病中发挥神经保护作用16。Chen 等人15将56例PSCI患者随机分为治疗组（药物治疗加头针）和对照组（仅药物治疗），治疗周期为4周。研究结果发现，与仅接受药物治疗的患者相比，联合头针治疗显著改善了患者的认知功能，并提高了脑部血红蛋白水平。Xiong 等人17将70例卒中后认知功能障碍患者随机分为头针组（头针联合认知训练）和对照组（假头针联合认知训练），进行为期12周的康复训练。结果显示，头针组的简易精神状态检查（MMSE）、洛文斯顿作业治疗认知评定（LOTCA）以及Fugl-Meyer评定（FMA）得分均显著高于对照组，提示头针联合认知训练可改善中风患者的认知功能和运动功能。

然而，目前尚无相关研究探讨运动-认知双重任务与头针联合应用的协同增益效应。因此，本方案拟纳入39名健康受试者，通过随机交叉试验，展示头针同步运动-认知双重任务及非同步运动-认知双重任务的标准化操作流程，并比较这两种任务在健康受试者中的差异。采用Gaitrite步态分析系统和功能性近红外光谱成像技术（fNIRS）来探究头针在同步双重任务中的协同增益效应。本方案旨在揭示头针同步运动-认知双重任务影响步态控制与皮层脑功能的潜在机制，为临床探索新型有效的非药物治疗策略提供新思路和理论依据。

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方案

本项目于2023年12月5日获得广州医科大学第五附属医院医学伦理协会批准（批准号：KY01-2023-11-02）。该试验于2024年1月6日在中国临床试验注册中心注册（注册号：NO. ChiCTR2400079574）。所有参与者均签署了知情同意书。

1. 招募

  1. 纳入标准
    1. 招募年龄为20-35岁的健康受试者。
    2. 招募蒙特利尔认知评估（MoCA）得分≥26的健康受试者18。
    3. 招募无精神疾病史的健康受试者。
    4. 招募无失语症的健康受试者。
    5. 招募无明显器官功能损伤的健康受试者。
    6. 招募已自愿签署知情同意书的健康受试者。
  2. 排除标准
    1. 排除患有影响步态的疾病者，如偏瘫、帕金森病、骨折、膝关节病变及下肢关节损伤。
    2. 排除有精神疾病史或使用过抗精神病药物者。
    3. 排除妊娠期和哺乳期女性。

2. 基线信息收集

  1. 将受试者随机分为健康组1（n = 19）和健康组2（n = 20）。
  2. 收集两组的基线特征数据，包括性别、年龄、身高、体重、双侧下肢长度和蒙特利尔认知评估（MoCA）评分。

3. 干预阶段

注意：应向受试者说明相关实验步骤、目的及注意事项，以确保实验顺利进行并保证质量。

  1. 健康组 1
    1. 运动-认知双重任务
      1. 让受试者站在小路的起点处，聆听计算机和研究人员的指示。
        注意：步道来自Gaitrite步态分析系统。该系统是一条4.6米长的电子步道，通过串行端口连接至Windows XP计算机。步道厚度为1/8英寸，其有效感应区域宽0.61米、长3.66米，由夹在薄乙烯基表层与橡胶底层之间的16,128个传感器组成。该步道具有便携性，实验结束后可卷起收纳，节省空间。
      2. 让受试者在听到声音时保持站立状态 "站立" 计算机发出提示。此过程持续30秒。
      3. 让受试者在听到提示后，以自然且舒适的速度沿小路行走 "随机数 -7" 来自研究人员，并决定从该数连续减去七的结果 "随机数" （例如，研究人员说 "385-7"，受试者回答 "385 减 7 等于 378，再减 7 等于 371，再减 7 等于 364，依此类推"）。此过程持续30秒。记录认知任务的结果，并计算总计算次数、正确次数及正确率（ACC）。
        注意：该随机数为任意整数 >300.
      4. 当受试者听到时，让其停止计数 "继续行走" 从计算机断开并继续行走30秒。
      5. 重复 3.1.1.3-3.1.1.4 以完成 "随机数 -7" 认知任务三次。
      6. 当受试者听到时，让其停止行走 "结束"实验结束。
    2. 同步运动-认知双任务的头皮针刺
      注意： "同步运动-认知双任务的头皮针刺" 将在1周洗脱期后进行。这些任务 "运动认知双重任务" 和 "同步运动认知双任务的头皮针刺" 分别进行，两次干预之间设有一周的洗脱期。本实验为随机交叉对照试验，同一受试者在不同阶段接受不同的干预措施。洗脱期是指在第一阶段干预效应完全消失后、进入第二阶段治疗前的间隔期。设置洗脱期可避免第一阶段的治疗效应对第二阶段产生影响，从而提高实验结果的准确性。
      1. 选择百会穴19，沈婷20，以及四神聪21 作为关键穴位（图1).
        注意：百会穴和神庭穴属于重要经络穴位，四神聪属于经外奇穴；针刺这些穴位可调节机体功能 "杨"，醒脑开窍，宁神益智，改善认知功能19,20,21百会穴位于头部正中线发际直上5英寸（16.7厘米）处，约当两耳尖连线的中点，即头正中线与双侧耳尖连线的交点。针刺百会穴可改善记忆力减退、头晕、头痛、心悸等症状。19神庭穴位于头部前发际正中向上0.5寸（1.7 cm）处，即头颅正中线上，前发际正中点上方1.7 cm。针刺神庭穴可用于治疗头痛、头晕、失眠、鼻渊、鼻炎、癫痫、记忆力减退、精神分裂症等症状。20四神聪是一组位于头顶百会穴前后左右各1寸（3.3 cm）处的四个穴位，共四个穴位。每个穴位围绕百会穴排列，距离百会穴约1寸（3.3 cm）。针刺四神聪可用于治疗头痛、失眠、眩晕、神经衰弱、健忘等症状21.
      2. 用酒精对针灸穴位处的皮肤进行消毒，从中心向外呈环形擦拭。
      3. 取一根1.5英寸（5 cm）的针，在帽状腱膜下方以与皮肤呈15°角刺入皮下。将针插入深度达1英寸（3.3 cm），然后旋转针体 "得气" 1 分钟，然后保留针头。
        注意：当针刺入神庭、前顶和百会时，针尖向前；左右顶和后顶的针尖朝向百会。后续操作同3.1.1.1–3.1.1.6。 "德气" 是一种独特的复合感觉，被感知为流动 "qi" 或 "生命能量。“得气”" 可表现为疼痛、酸痛、肿胀、沉重感、温热感、钝痛、麻木等22.
  2. 健康对照组 2
    注意：健康组2的干预顺序与健康组1相反。
    1. 同步运动-认知双任务的头皮针刺
      1. 按照步骤 3.1.2 中所述进行实验操作。
    2. 运动-认知双重任务
      1. 按照步骤 3.1.1 中所述进行实验操作。

4. 评估

  1. 步态分析系统
    ​确保研究人员提前掌握设备操作技能，包括Gaitrite的工作原理、适用范围、受试者要求及实验操作规范，并熟悉注意事项，例如确保受试者行走时的安全，防止跌倒风险。
    1. 受试者准备
      1. 为受试者准备合适的实验服装，并将裤腿卷至踝关节以上，避免干扰步态参数的采集。
      2. 测量受试者左右腿的长度。
        注：受试者双腿分开与肩同宽站立，取其左腿或右腿股骨头至地面的垂直距离作为腿长。
      3. 让受试者站在步道起点处，听从计算机和研究人员的指令。
    2. 软件操作
      1. 打开软件 Gaitrite，点击 新建受试者 按钮，输入受试者的基本信息（姓名、性别、年龄、身高、体重、左右腿长度）。
      2. 点击 新建测试 按钮，创建测试任务。
    3. 步态参数采集
      1. 让受试者站在步道起点处，并说明实验流程。
        注：受试者需从步道一端走到另一端，起始点和终点应位于步道外作为试走。共进行3-4次测试。
      2. 点击 开始行走 按钮以同步采集步态数据。
        注：每次测试开始前均需按下 开始行走 按钮。分别采集受试者在"运动-认知双任务"和"头皮针刺同步运动-认知双任务"条件下的步态数据。具体步态参数包括行走时间（Ambulation Time）、步时（Step Time）、步长（Step Length）、步/肢体（Step/Extremity）、周期时间（Cycle_Time）、跨步长（Stride Length）、足跟-足跟支撑基底（Heel-Heel Base Support）、足趾角度（Angle of Toe）、跨步速度（StrideVelocity）、跨步速度（Stride Velocity）、左右足步时比（Left: Right Foot Step Time Ratio）、左右足步长比（Left: Right Foot Step Length Ratio）、左右足周期时间比（Left: Right Foot Cycle Time Ratio）、功能行走剖面图（Functional Amb. Profile）、基于腿长归一化的速度（Velocity Normalized using Leg Length）、摆动期占周期百分比（Swing Percent of Cycle）、摆动时间（Swing Time）、摆动时间（Swing_Time）、支撑期占周期百分比（Stance Percent of Cycle）、支撑时间（Stance Time）、单支撑期占周期百分比（Single Support percent of Cycle）、单支撑时间（Single Support Time）、双支撑期占周期百分比（Double Support percent of Cycle）、双支撑时间（Double Support Time）、足跟离地-着地时间（Heel Off On Time）、足跟离地-着地占周期百分比（Heel Off On Percent）、双支撑负荷时间（Double Support Load Time）、双支撑负荷占步态周期百分比（Double Support Load Percent Gait Cycle）、双支撑卸荷时间（Double Support Unload Time）、双支撑卸荷占步态周期百分比（Double Support Unload Percent Gait Cycle）。
      3. 点击 保存 按钮保存数据。每位受试者将获得两种行走任务的步态数据。
  2. 同步进行fNIRS脑功能评估
    1. 感兴趣区域选择
      1. 根据10-20系统设置光源和探测器，共放置10个光源和12个探测器。设定实验方案以监测以下6个感兴趣区域（ROIs），包括双侧背外侧前额叶皮层（DLPFC）、背外侧运动前区皮层（PMC）和背外侧初级运动皮层（M1）。
        注：DLPFC主要负责认知、情绪和感觉处理；PMC参与运动规划；M1负责运动执行23,24,25,26。
    2. 研究人员准备
      1. 确保研究人员经过培训，掌握fNIRS设备操作技能，并熟悉实验操作流程和注意事项，以保证数据采集结果的准确性和真实性。
    3. 受试者准备
      1. 为受试者佩戴fNIRS帽。
      2. 确保Cz点位置正确。
        注：fNIRS帽上的Cz点位于帽中线从前额到枕叶方向的第四个点。受试者头部的Cz点位于鼻根与枕外隆凸连线的中点，或两侧耳甲上窝（耳锥）连线的中点。
      3. 调整fNIRS帽的位置，使受试者头部的Cz点与帽子上的Cz点重合。
      4. 根据受试者颅骨大小，收紧耳侧帽带，使受试者耳朵从缝隙中露出。
      5. 为受试者背上便携式fNIRS背包，并确保背包不影响其正常行走。
      6. 当受试者准备就绪后，打开fNIRS背包上的电源按钮。
      7. 让受试者站在步道起点处，听从计算机和研究人员的指令。
    4. 软件准备
      1. 打开Nirsmart软件，选择实验范式，并输入受试者信息和备注（姓名、性别、年龄、任务类型）。
      2. 点击 预采集 以检测所有脑通道的信号源质量。若信号源质量不理想（脑区通道标记为绿色表示信号源质量最佳），则使用理线器拨开受试者头发进行调整。
      3. 当所有脑通道的信号源质量达到最佳时，点击 自动增益 按钮完成采集设置。
    5. fNIRS脑功能数据采集
      1. 让受试者站在步道起点处，通过点击fNIRS 开始 按钮同步采集脑功能数据。
        注：fNIRS脑功能采集与Gaitrite步态分析系统同步进行。当受试者执行第3节所述任务时，两个系统同时使用。
      2. 实验结束后，点击fNIRS 结束 按钮保存数据。

5. 统计分析

  1. 使用统计分析软件分析所有数据。采用 Kolmogorov-Smirnov 法检验测量数据的正态性。正态分布的数据以均值 ± 标准差表示，非正态分布的数据以中位数（四分位间距）表示。
  2. 对于符合正态分布的数据，采用配对样本 T 检验比较两种干预方法对结果的影响。
  3. 对于不符合正态分布的数据，采用秩和检验进行比较。使用 χ2 检验比较数据的采纳率或构成比。以 P < 0.05 为差异具有统计学意义。

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结果

本方案采用随机对照交叉设计，招募了39名年龄在20至35岁之间的健康受试者，其中包括14名男性和25名女性。这些参与者被随机分配至健康组1（n = 19）和健康组2（n = 20）。收集了两组的基线数据（表1）。两组在性别、年龄、身高、体重、左右腿长度以及MoCA评估得分方面均未观察到显著差异（所有 P > 0.05）。

认知任务结果表明，头皮针刺同步运动-认知双重任务在准确率（P = 0.022）、正确答案数量（P < 0.001）和总计算次数（P < 0.001）方面均优于运动-认知双重任务（表2）。

步态参数分析显示，与运动-认知双重任务相比，同步进行运动-认知双重任务的头皮针刺在速度、步频、步长、步幅/肢体、左步态周期速度、右步态周期速度以及按腿长标准化的速度方面均有所提高。数据显示，行走时间、左步时、右步时、足趾角度、左右足步时比值、左步周期时间、右步周期时间、...

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讨论

既往研究尚未见将头针与运动-认知双重任务相结合的报道"。本方案探讨了同步进行的运动-认知双重任务联合头针治疗的协同增益效应，比较了头针同步结合运动-认知双重任务与单纯运动-认知双重任务之间的治疗差异。头针操作是本方案的关键技术，选取百会穴、神庭穴和四神聪穴作为关键穴位。百会穴和神庭穴属于重要经穴，具有振奋机体"阳"气、宁心安神、缓解因脑功能障碍所致精神症状的作用27,28。四神聪穴属于经外奇穴，针刺"四神聪"可调节机体"阳"气，具有镇静安神之效29。因此，本方案假设头针可协同增强运动-认知双重任务的疗效，从而改善步态表现和认知功能。

本方案的结果支持该假设，表明头皮针刺同步运动-认知双重任务可显著增强认知任务表现，同时通过提高行走速度和缩短行走时间来改善步态表现。此外，功能性近红外光谱（fNIRS）结果显示，与仅执行运动-认知双重任务相比，头皮针刺同步运动-认知双...

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披露

作者声明无利益冲突。

致谢

本研究得到广东省中医药信息化重点实验室（2021B1212040007）、广州市临床特色技术建设项目（2023C-TS19）、贵州省卫生健康委员会科技基金项目（gzwkj2023-390）以及2022年广州医科大学学生创新能力提升计划项目（PX-66221494/02-408-2304-）的资助。19062XM），广东省中医药局中医药科研项目（20241182）. 我们感谢中山大学附属第七医院员工郑宇欣的数据分析工作，广州医科大学本科生王思晴和中山大学本科生林雨婷的文章翻译工作，以及广州医科大学本科生陈思豪、林伟杰、邱志清、吴子威、唐莎莎和广州医科大学附属第五医院员工唐贵兵的数据收集工作。 

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
一次性针灸针Huan Qiu, 中国N/A头针疗法
GAITRiteCIR Systems Inc, 美国 https://www.gaitrite.com/Gaitrite 步态分析系统 
NirSmart-500 慧创, 中国N/AfNIRS 

参考文献

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