认知与姿态控制的双任务研究述评

认知与姿态控制的双任务研究述评

广义姿势控制（pc）是指通过控制肌肉活动来实现的身体局部和整体空间定位和身体稳定性维护。而通常意义上的姿势控制则指身体直立站姿和身体重心稳定的维系,其控制机制涉及大脑、小脑等脑结构多种感知觉、决策和控制等复杂信息加工过程,包含下意识的前馈控制、反馈控制和意识性的随意姿势控制等不同控制方式,并受年龄、疾病等多种生物医学因素的影响。姿势控制多与交谈、思考、决策等认知任务同时完成,这些认知任务需要不同程度地占用和消耗脑认知资源,从而对姿势控制和认知任务均产生不同程度的影响。研究认知与姿势控制相互作用的基本规律,探讨认知与姿势控制的作用机制,对于深化大脑运动控制机制具有重要理论意义。1肢体姿态控制任务与认知任务的关系认知与姿势控制双任务研究范式主要用于研究认知与神经肌肉行为控制的相互影响,是近年来认知神经科学和智能控制研究倍受关注的研究方法。相关研究对于进一步揭示大脑的意识与下意识神经肌肉控制途径和控制方式,并应用于康复医学、人机工程和航天航空等领域具有重要的科学意义。根据经典的认知与姿势控制双任务研究范式,姿势控制任务通常要求受试者在坐、站立或行走等条件下保持身体平衡,主要绩效评价指标包括姿势摇摆时前后和两侧方向的压力中心(centerofpressure,COP)位移、平均身体摇摆速度、单位时间内摇摆轨迹所覆盖的范围、恢复平衡所需时间、行走步数及速度等,若受试者需要完成某个动作或受到某种姿势干扰,则还需测量相关肌肉的表面肌电信号,计算反应延时和幅度等;认知任务种类较多,主要有随机数字或字母生成任务、反应时任务、心理计算任务、数字记忆任务、视觉空间记忆任务等,主要绩效评价指标包括反应时和正确率等。用该范式进行实验时,通常要求受试者站在测力台上记录其身体姿势晃动的情况,或使用步态分析器分析其步态生成情况,同时完成上述认知任务。受试者通常采用口头报告的形式完成认知任务,以防产生不必要的姿势晃动。通常情况下为了测量双任务的影响,会将受试者在双任务情况下的任务绩效与基线即单任务情况下的任务绩效相比较,以两者的区别来确定姿势控制任务与认知任务相互影响的程度。姿势控制和认知双任务范式假设,由于人脑信息加工能力的局限性,当双任务信息超过脑信息加工能力时,可以造成一种或两种任务绩效的下降,其中至少一种任务绩效会受到明显影响。Kerr等首次使用该范式研究认知与姿势控制的关系。实验要求受试者以脚跟接脚趾串联站姿站在测力台上完成身体平衡控制,同时完成Brook空间记忆任务,即逐词重复耳机里播放的与空间位置相关的句子,或非空间言语记忆任务,即把Brook空间记忆任务的句子中与空间位置相关的词换成无关词,记录COP偏离中心位置的绝对距离和标准差、COP在前后和两侧方向上偏离中心位置的绝对距离和最大范围、以及记忆任务的错误数。结果显示,在进行平衡任务时受试者空间记忆任务错误率显著增加,而非空间言语记忆任务不受影响。Lajoie等要求受试者直立于普通界面或泡沫界面测力台上,同时分别在睁眼或闭眼的情况下完成听觉反应时任务,结果发现姿势控制任务复杂度增加时听觉反应时变慢。还有研究采用了双任务范式研究了年轻人、老年人或腰痛患者完成不同姿势控制和认知任务时的双任务绩效,结果均表明认知和姿势控制双任务存在相互影响,证实了双任务范式中一种或两种任务绩效下降,其中至少一种任务绩效会受到明显影响的假设。2影响两个任务绩效的因素2.1环境条件对正确理解亲水性的影响在外部因素中,首先是姿势控制任务的性质。Lajoie等的研究中,受试者在坐、站立和行走条件下完成听觉反应时任务,发现姿势控制任务越简单听觉反应时越快。其次是任务环境的影响。Shumway-Cook等让老年受试者站在固定界面或可移动界面上,在3种视觉环境(有视觉、无视觉、移动视觉)下完成听觉选择反应时任务,结果显示受试者在移动界面上无视觉和移动视觉这两种情况下姿势控制受到明显影响。Ehrenfried等研究受试者在移动视觉区域内完成姿势控制和认知双任务,发现受试者姿势摇摆的幅度和标准差随着视觉运动速度增加而增加。研究发现当给予站在力台上的受试者腓肠肌刺激以干扰其平衡时受试者的姿势摇摆较多。以上实验结果证明环境条件对于姿势控制任务有限制作用。此外,次任务的性质和认知需求也是影响双任务绩效水平的重要因素。由于视觉是姿势控制的一部分,因此有研究认为包含视觉-空间信息的次任务比语言报告的次任务更容易干扰姿势控制。Huxhold等发现老年人的COP位移在完成工作记忆任务时较完成选择反应时任务时更大。而次任务的认知需求也会限制姿势控制的绩效,当次任务的认知需求较大时,姿势控制会因为认知和感觉运动加工间的注意资源竞争而受到不利的影响。最后,McNevin等发现注意点的放置也会影响双任务绩效。他们要求受试者站在测力台上,同时用右手食指轻触前方一块织物,给一组受试者的指导语为“尽可能减小食指的动作”(内部注意),给另一组的指导语为“尽可能减小织物的运动”(外部注意),结果表明外部注意较内部注意条件下受试者姿势摇摆频率更高,显示出较高的稳定性。Vuillerme等的研究也发现,当要求受试者将注意力集中在自身姿势控制上时,受试者神经肌肉激活增强以确保站立时的姿势控制,表明其自动控制过程受到阻碍。2.2不同特征组合的势在内部因素中,年龄是影响绩效的主要因素。Maylor等的研究中,年轻和老年受试者在站立时完成几种认知任务(随机数字生成任务、空间记忆任务、数字回忆任务、心理计算任务和减三倒数任务),结果显示当完成空间记忆和数字回忆任务时姿势稳定性的年龄差异显著增加,表明当认知任务包含工作记忆的视觉空间部分时平衡的年龄差异增大,可能因为老年人本体或前庭感觉丧失而在姿势控制时对视觉的依赖增加。Stelmach等的研究发现老年人在双任务条件下整合冲突的或额外的信息时更加困难。还有研究表明老年人姿势控制中感觉和肌肉系统的功能下降,减弱了其相互作用。因此,年龄对双任务绩效的影响可能是因为老年人无法在两个任务之间转移注意,或与姿势控制相关的注意资源需求上升,或注意容量下降,或是这些因素的结合。此外,对于青少年姿势控制和认知双任务研究发现,14~15岁是个体姿势控制的转折点,此时认知任务导致的COP位移多于16~17岁青少年和成年人。个体感觉运动能力也是影响双任务绩效的因素之一。老年人外周感觉运动功能下降,即时感觉运动机制减慢,导致姿势定向过程中信息更新速度减慢,从而影响认知任务的绩效。Brauer等要求受试者同时完成姿势恢复任务和听觉反应时任务,结果显示使用恢复策略时平衡受损的老年人较健康老年人需要更多的注意,并且双任务时比单任务需要更长的时间来恢复稳定,而健康老年人在两种情况下无区别。对帕金森和老年痴呆症患者的研究也发现次任务显著增加了其走路时间。这些研究都表明感觉运动能力下降会导致双任务下姿势控制绩效的下降。Stins等发现个体的专业技能也会影响双任务绩效。他们比较了青少年舞者和非舞者完成认知任务时的姿势摇摆,显示舞者摇摆幅度和范围都比非舞者小,并且次任务绩效较高。Speers等的研究也发现航天员在太空飞行后回到地球时身体摇晃显著增加,闭眼时无法保持稳定姿势,表明姿势控制可能还依赖于某些个体特征如专业技能。另外,有研究认为生理唤起可能也是影响认知与姿势控制双任务相互作用的因素。3相互作用的理论模型认知与姿势控制相互作用涉及注意资源、神经肌肉控制等多种生理心理过程,目前认知心理学主要形成以下3种理论解释。3.1动态姿态控制与认知任务的匹配机理注意资源竞争模型(cross-domaincompetitionmodel)认为注意资源容量有限,姿势控制和认知活动会竞争注意资源,如果两个任务资源需求总和超过了这个容量,其中一个任务或者两个任务的绩效下降。Lajoie等的研究发现姿势控制任务越简单听觉反应时越快,表明姿势控制需要注意并且与认知任务所需的注意资源存在竞争关系。此外,姿势稳定性的年龄差异为该模型提供了证据。Redfern等的研究发现双任务下老年人比年轻人姿势摇摆大,并且受到认知任务的影响,此外老年人反应时较长,并且随姿势任务难度的增加反应时变长,表明在双任务范式下由于注意资源的冲突而导致两种任务绩效下降,而该效应在老年人中尤为明显。此外,Lavie的知觉负荷理论(perceptualloadtheory)从知觉角度支持了注意资源竞争模型。该理论认为,当前任务中的知觉负荷的高低决定了完成任务时的注意资源分配。在认知与姿势控制双任务条件下,当认知任务的知觉负荷较高时,所需的注意资源更多,因此姿势控制绩效就会因为注意资源不足而下降。3.2次任务的认知需求对姿态控制任务绩效的影响U型模型(U-shapednon-linearinteractionmodel)认为姿势控制绩效可以提高或下降,依赖于次任务的认知需求。当次任务的认知需求较低时姿势稳定性会提高,可能是因为将注意力从姿势控制中移开可以增加其自动化过程从而提高稳定性,而当次任务的认知需求较高时则会对姿势任务产生负面的影响,因此次任务的认知需求与姿势控制任务绩效之间是U型的非线性关系。Huxhold等对U型模型进行了验证。实验者测量了受试者在仅站立,以及站立同时完成看数字任务、选择反应时任务、数字工作记忆任务、或空间工作记忆任务时的姿势摇摆范围,发现站立并看数字较仅站立时姿势摇摆范围小,即姿势更稳定,而随着认知任务难度的增加姿势摇摆范围增大,符合U型曲线。文献也发现,年轻受试者在站立并完成认知任务时的姿势摇摆较仅站立时小。U型模型和注意资源竞争模型并不矛盾,U型模型中有利于姿势控制绩效的部分注意资源的使用未超过资源容量,而当任务所需注意资源增加并超过资源容量时,两种任务出现资源竞争从而产生U型模型中姿势控制绩效下降的部分。3.3动态姿态控制任务优先模型认为个体可以运用不同的感觉运动策略达到身体平衡控制,这种策略的选择依赖于环境和任务难度的心理表征。实验观察发现老年人与同伴谈话时会停下脚步,表明老年人会选择合适的策略来防止摔倒。此外,与年轻人相比,老年人在分散注意的情况下较容易优先选择姿势控制,也就是遵循“姿势优先”原则,该原则可以解释在双任务范式下由于姿势控制优先而导致的认知任务绩效下降。Kerr等的研究中双任务下受试者空间记忆任务错误增加,但姿势控制绩效不受影响,表明受试者将注意资源优先分配给姿势控制任务。Laessoe等的研究发现,受试者在受到姿势干扰时会用预期姿势调整策略来减小干扰,而在双任务条件下APAs会增强,说明受试者在双任务下会首先确保姿势的稳定性。任务优先模型认为姿势控制与认知任务的相互影响及其随年龄的变化是由于个体对注意分配策略的改变,而非资源的竞争或注意容量的下降。4任务绩效变化航天员在太空中完成任务时微重力环境会导致肌肉萎缩,H反射和牵张反射活动过度,肌肉生物力学特征改变,下肢肌肉激活模式改变,以及本体感受和前庭功能变化。而由失重引起的支撑面传入信息的减少则会导致前庭觉、视觉、皮肤、肌肉、隔膜和关节感受器接收到的信号之间的关系发生变化,如果该变化与大脑中特定的功能模式不匹配则容易产生太空不适并且导致姿势控制混乱。这种由身体动作引发的实际感觉传入与期望的不一致,会使感觉神经系统重建感觉信息整合过程,以此确定空间朝向,修改动作控制策略和动作协同模式,从而协调身体动作。由于该重建过程需要耗费大量的注意和认知资源,航天员的认知任务绩效可能会受到影响。Manzey等研究了航天员在太空中同时完成追踪任务和记忆搜索任务时的双任务绩效,结果显示双任务下追踪任务绩效较单任务时明显下降。研究者认为,由于两个任务都需要视觉注意,因此绩效的下降可解释为注意选择性的提高,即由于两种任务需要耗费共同的资源而产生时间序列上的冲突,导致受试者同时注意到的线索范围减小,因此对任务刺激信息不能充分的加工,从而造成任务绩效的下降。航天员回到地球时无法立刻完成微重力向重力环境的转换,从而导致姿势稳定性下降。Layne等对航天员回到地球后完成快速举臂任务的研究发现,受试者在完成快速举臂任务时COP位移增加,并且肌肉活动波形的相位特征也发生变化。Paloski等的研究也发现,受试者在太空飞行后较飞行前姿势摇晃范围增加,平衡下降,并且头部-躯干协调策略也有所改变。此外,太空飞行后航天员受到外部姿势干扰时生物力学反应过度,肌肉反应潜伏期增加,恢复新的平衡所需时间延长。5行为-事件对双任务绩效的影响姿势控制和身体稳定性维系是中枢神经系统在各种复杂作业和环境条件下根据肌肉本体感觉、视觉和前庭觉信息对全身肌肉主动控制的结果,是日常生活、学习和工作过程中任何随意运动赖以进行的必要条件。以往大量研究发