本研究采用功能性近红外光谱技术(fNIRS)测量27名成年人在进行23分钟区块设计的瑜伽体式序列期间前额叶皮层的活动。在练习前后均记录了静息态功能连接。研究结果突显了fNIRS在基于运动的研究中的有效性,并为瑜伽体式的影响提供了神经科学层面的见解。
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本研究采用功能性近红外光谱技术(fNIRS)测量27名成年人在进行23分钟区块设计的瑜伽体式序列期间前额叶皮层的活动。在练习前后均记录了静息态功能连接。研究结果突显了fNIRS在基于运动的研究中的有效性,并为瑜伽体式的影响提供了神经科学层面的见解。
本研究旨在利用功能性近红外光谱(fNIRS)移动神经成像技术,检测瑜伽体式(身体姿势)练习前、练习中及练习后前额叶皮层(PFC)活动的变化。共有27名健康成年人参与了一项采用区组设计的23分钟瑜伽体式训练。在训练序列前后,参与者分别完成了两次各6分钟、无任务的静息状态。使用置于颅骨额区的fNIRS设备持续记录PFC活动。训练内容包括一种对照姿势与三种主动姿势交替进行。每种主动姿势保持30秒,随后进行25至30秒的对照姿势间隔,整个序列重复8次。该区组设计共产生25次对照姿势间隔和每种主动姿势各24次重复。分析过程包括对原始fNIRS数据进行预处理,以计算氧合血红蛋白(HbO)和脱氧血红蛋白(HbR)浓度,校正运动伪影,并采用经Bonferroni校正的方差分析(ANOVA)进行统计评估。连接性分析考察了前额叶皮层内的半球间和半球内相关性。总之,本研究展示了fNIRS在真实世界、基于运动情境中的应用价值,并为瑜伽体式的神经效应提供了科学见解。
瑜伽是一种古老的印度实践,通过结合体位法(asana)、呼吸练习(pranayama)、冥想以及伦理原则,促进整体身心健康的全面发展。近年来,随着越来越多的科学研究支持,瑜伽作为心理健康状况的辅助干预手段日益受到认可。大量研究表明,规律的瑜伽练习能显著减轻焦虑、抑郁和压力症状,同时改善情绪、情绪调节能力以及整体心理韧性1,2,3。荟萃分析和随机对照试验进一步证实了瑜伽作为抑郁症和创伤后应激障碍辅助治疗的有效性,相关证据还表明其可提升生活质量与认知功能4,5,6,7,8。
尽管已有令人鼓舞的证据支持,但基于运动的瑜伽练习(尤其是身体姿势(asana))背后的神经机制仍不清楚9,10。这一知识空白阻碍了将瑜伽整合到神经认知干预模型中的努力。本研究的目的是实时探讨与瑜伽体式练习相关的大脑活动,从而促进对基于运动的冥想练习如何影响皮层功能的机制性理解。
为实现这一目标,我们采用了功能性近红外光谱技术(fNIRS),这是一种无创、便携的神经影像技术,可测量大脑皮层的血流动力学反应11。选择fNIRS的依据在于其能够在接近自然状态的直立运动过程中监测脑活动——而传统的成像方法(如fMRI或PET)要求受试者处于静止状态并置身于人工环境中,无法实现此类研究12。与这些方法相比,fNIRS具有多项优势:它无噪音、对运动干扰具有耐受性,并支持在真实环境中研究生态效度高的任务13。因此,该技术已被广泛应用于运动学习、认知负荷、婴儿发育、步态与平衡以及正念训练等领域的研究,能够可靠地揭示静态和动态条件下前额叶皮层的活动特征14,15,16,17,18。fNIRS在自然情境下的应用,尤其是在运动过程中的使用,为研究具身认知以及整合性健康干预的神经基础开辟了新的途径。
然而,很少有研究将该技术专门应用于瑜伽体式,更少有研究在一次完整的课程时间过程中——从练习前、练习中到练习后——使用具有人群代表性的样本进行考察。为解决这一问题,本研究采用基于区组设计的实验方案,利用功能性近红外光谱技术(fNIRS)检测在结构化瑜伽体式序列练习前、练习中和练习后的皮层活动及静息态功能连接。研究在自然情境下开展,纳入了27名来自墨西哥的以西班牙语为母语的参与者,从而填补了关于瑜伽对西班牙语拉丁人群影响研究的重要空白。参与者年龄介于18至65岁之间,包括男性和女性,瑜伽练习经验范围广泛,从完全初学者到拥有长达15年规律练习经验的练习者均有代表。所有参与者均报告无严重心理或生理疾病,能够顺利完成23分钟的瑜伽课程。患有严重精神疾病或影响活动能力的躯体疾病者被排除在外。尽管未对高血压或糖尿病等特定医学病症进行筛查,但在课程开始前已明确告知参与者,若感到身体不适或不适,可随时中止练习。事先约定,任何未完成的课程数据将不纳入分析。
在最初的30名参与者中,无人因瑜伽练习期间不适而退出。然而,由于可能由硬件干扰或技术软件故障导致的信号噪声过大,其中3人被排除在最终分析之外。本研究通过纳入人口学上多样化且具代表性的样本,并实现可耐受运动的实时成像,提高了研究结果的生态效度和可推广性。对于希望探究基于运动的冥想实践神经动态的研究人员和临床医生而言,该方法在认知神经科学、康复科学以及整合心理健康研究的应用中可能尤为相关。
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实验操作遵循《赫尔辛基宣言》进行,并由圣路易斯波托西自治大学科技创新与应用协调委员会(CIACYT)伦理委员会机构审查委员会[CIACYT-CEI-003]审核并批准。所有参与者均签署了知情同意书。
1. 受试者招募与人口统计学特征
2. 实验步骤
3. 静息态、瑜伽体式区组设计及测量实践
注意:如图4所示,每个动态姿势(B、C、D)均保持30秒,并与作为基线条件的姿势A交替进行,姿势A保持25-30秒。该基线用于提供生理参考,以分离并比较其他姿势所对应的特定脑部活动。为减轻疲劳并确保研究关注体式本身而非用力程度,参与者在每个姿势中均使用Kurunta绳索进行支撑,这是一种源自治疗性Iyengar瑜伽的方法,可使姿势保持无紧张状态。此外,在体式序列开始前和结束后均记录了6分钟的静息态测量数据,期间参与者闭眼静坐,以获取练习前后的脑功能连接情况。
4. 瑜伽体式期间血流动力学响应函数的 fNIRS 数据分析
注意:功能性近红外光谱成像(fNIRS)通过两个主要参数测量皮层血流动力学变化:氧合血红蛋白(HbO)和脱氧血红蛋白(HbR)。这些生物标志物是神经活动通过神经血管耦合机制介导的血管反应指标。神经元激活增强会导致氧气消耗速率增加,但这一过程会被区域脑血流量的显著升高所过度补偿,通常表现为HbO浓度上升,同时HbR浓度下降。在本研究中,采用多通道fNIRS系统同步记录这两个参数,以量化瑜伽体式练习期间的血流动力学反应。测量平均HbO值可提供一种稳健且可靠的激活指标,尤其适用于基于运动的任务,因为其对噪声和模型假设的敏感性低于模型推导的β系数26。然而,尽管HbO因其更高的信噪比常被优先使用,纳入HbR的分析对于增强数据的生理学解释至关重要。HbR信号通过揭示大脑的代谢反应和氧气摄取动态,对HbO提供补充信息27。同时分析HbO和HbR有助于避免过度简化,并增强所观察到的神经活动模式的有效性28。

5. 静息态功能连接的fNIRS数据分析
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对激活通道的初步分析显示,对照姿势A与姿势B和C之间存在显著差异(图5A-B)。随后使用Origin(Pro) 2018版软件包对各通道估计的血流动力学响应函数(HRF)的平均HbO值进行单因素重复测量方差分析,以评估其统计学差异。正态性假设通过Shapiro-Wilk检验进行评估。
使用多通道功能性近红外光谱(fNIRS)时,由于需要从多个通道收集数据,因此必须进行大量统计检验。这自然会增加I类错误的发生概率,即由于比较次数较多,至少一个真实的零假设可能被错误地拒绝46。为解决此问题,本研究采用Bonferroni校正进行事后成对比较,以校正多重比较,显著性阈值设定为 p < 0.05。Bonferroni校正根据所进行的检验次数调整显著性阈值,以控制整体错误率(FWER)。尽管Bonferroni方法以过于保守著称,可能导致II类错误率升高或遗漏真实效应,但在本研究中是合适的。我们的主要关注点是避免...
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本研究采用功能性近红外光谱成像(fNIRS)评估在结构化瑜伽体式练习过程中前额皮层(PFC)的活动,重点阐述了真实世界神经影像研究中的关键方法学考量及技术进展。关键实验方案要素包括fNIRS探头的精确定位,采用最佳源-探测器间距(3.0 cm)以及确保探头与头皮之间的良好耦合,以保障信号采集的准确性。采用随机区组设计,交替进行主动体式(B、C、D)与基础体式(A),并借助瑜伽绳提供支撑,以减少受试者疲劳并确保数据采集的一致性。通过使用短间距通道(1.0 cm间距)降低浅层血流动力学干扰,从而提高测量精度。为分离神经信号并减轻在基于运动的研究中常见的运动伪影,采用了广义线性模型(GLM)和时域典型相关分析(TCCA)滤波方法。
对传感器位置和信号质量的实时监测使得能够立即进行调整,以防止因头发或耦合不良导致的信号衰减。尽管采取了这些预防措施,仍存在残余的运动伪影,凸显了信号校正算法和硬件进一步改进的必要性。
该方法的主要局限性在于其对运动伪影的敏感性,尽管采用了TCCA滤波和短分离通道回归,仍导致了数据的变异性。可采用其他替代方...
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M. Goodrick 是一家瑜伽馆 Karmuka Yoga 的负责人。其余作者均无利益冲突需要声明。
作者衷心感谢CONAHCYT提供的财政支持,其中包括为首作者提供的奖学金以及用于购置fNIRS设备的资金。作者还向参与研究的志愿者们致以诚挚的谢意,他们的参与对本研究的成功至关重要。M. Goodrick 感谢CONAHCYT通过编号CVU 1241565的奖学金提供的支持。E. Guevara 感谢CONAHCYT前沿科学项目20884提供的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 3-D 数字化仪 | Artinis Medical | DGT-456 | 用于放置帽电极和区域定位 |
| Brite MKII fNIRS 设备 | Artinis Medical | BR-MK2 | 用于前额叶皮层数据采集的便携式 fNIRS 仪器 |
| Harmony 瑜伽垫 3/16” (5mm) 厚 68" (173cm) | Jade | HAR368 | 练习体式的稳定表面 |
| HOMER 3 软件 | 波士顿大学神经光子学中心(开源) | Homer v1.54 | 用于 fNIRS 数据预处理 |
| Origin(Pro) 软件 | OriginLab | ORG-2023 | 数据的统计分析 |
| Oxysoft 软件 | Artinis Medical | OXY-001 | 实时信号采集 |
| Piola 棉质 12mm 绳索 | Tarpsupplies | N/A | 壁挂式瑜伽绳系统的组成部分 |
| PowerPoint 演示文稿设置 | Microsoft | N/A | 用于教学视觉展示 |
| 不锈钢挂钩 | Homheal | liuxi-050 | 壁挂式瑜伽绳系统的组成部分 |
| 壁挂式瑜伽绳系统 | 定制 | N/A | 辅助完成瑜伽体位 |
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