Physical-Cognitive双重任务训练对执行功能的影响和在老年人步态表现:随机对照试验

文摘

物理和认知训练似乎抵消下降与年龄相关的生理和心理功能。最近,将认知需求集成到体能训练的可能性吸引了注意力。本研究的目的是评估的影响十二周的设计physical-cognitive培训执行认知功能和步态在老年人的表现。36健康、积极的个人72.30±5.84岁被分配到两种类型的体能训练主要关注物理单个任务(ST)培训()和physical-cognitive双重任务(DT)培训(),分别。他们在测试之前和之后执行功能的干预(抑制、工作记忆)通过随机数生成和步态行走(有/没有谈判障碍)在单一和双重任务(圣,DT)条件。步态性能改进的两组,同时抑制性能下降在运动训练与圣的焦点,但倾向于增加训练后physical-cognitive DT的焦点。抑制性能的变化与DT行走性能的变化与组织差异作为机动任务复杂性的函数(有/没有跨栏)。这项研究支持老年人群体健身课程的有效性改善步态表现,physical-cognitive DT训练选择性地抵消下降与年龄相关的核心执行功能必不可少的日常生活。

1。介绍

日常生活的许多活动涉及多个任务的同步性能同时具有挑战性的运动和认知功能。在老化,日常生活中常见的执行多个任务的能力如行走而从事并发精神任务(例如,走路和说话)成为受损(1]。

研究人员经常采用(DT)技术(即双重任务。,simultaneous performance of two tasks) to explore multitasking ability as well as the effects of different activities or training on executive function. Based on the postulate that the attentional system has a limited pool of resources [2),预计的伴随性能不同的任务争夺同一资源可能会更糟对独立的每个任务的性能。显著衰减步态和/或认知能力时观察到老年人认知任务执行时(3,4]。这样的精神性一般被称为DT干扰和评估是单一和DT性能之间的差异与第一(DT成本)。

一个相关因素潜在的这些损失似乎是一个不相称的与年龄相关的高级认知功能下降,执行(5]。执行功能负责规划、启动、测序和监视复杂的目标导向行为以及控制复杂的活动,因此日常生活不可或缺的独立和行为适应能力(6]。

体育活动和运动已经证明对执行功能产生积极作用在老化7),大量的研究一直展示了有益的有氧运动对执行功能的影响(8]。最近,研究表明,也从有氧的运动形式不同,如强度和协调(9,10),可以改善认知和执行能力。有一致的证据表明身体和认知训练有潜力保持认知老化的效率(11),结合他们在连续或同时放大他们的功效12,13]。出于这个原因,physical-cognitive双重任务是新兴的小说形态收获最大的认知健康(14,15]。在他们的评论,Wollesen和Voelcker-Rehage [15)强调locomotor-cognitive DT的有利影响训练步态和姿势的性能和处理速度和执行功能。此外,作者表示需要一个适当的水平的任务复杂性DT训练是有效的,并质疑在多大程度上运动和/或认知DT要求导致其有效性。

介入研究表明因果关系连接认知和体力运动训练,如舞蹈、执行功能的改善(16]。然而,设计physical-cognitive DT训练是有争议的证据,所显示的评论强调就业培训任务的多样性和评价方法(17]。双重任务训练主要不同类型和运动任务的复杂性(直走,square-stepping)和并发精神任务(背单词、背诵诗歌,和心理计算;14)。因此,艺术的状态不允许全面比较和最佳形式的综合physical-cognitive DT训练尚未确定。此外,最终结论是有限的,缺乏调查研究互惠DT步态任务对认知能力的影响,反之亦然的认知任务对步态性能(18]。

因此,本研究的目的是评估是否physical-cognitive DT培训特别具有挑战性的执行功能比体育锻炼更有利于老年人较低的执行功能的要求。因此,我们比较两种类型的设计体能训练的影响类似于功能性运动任务和运动技能。然而,这些不同的类型和数量认知和具体执行功能的要求。干预效果的执行功能和步态表现进行评估在圣和DT条件为了获得信息互惠DT效果和评估他们的协会。

2。方法

2.1。参与者

伦理委员会批准后罗马Sapienza大学招聘是通过高级休闲中心进行的。样本大小计算基于步行速度主要终点从应用的角度来看,指的是前一个干预研究(19]。考虑85%的力量,这项研究将检测治疗的差异在一个双边α(概率)的水平和30%的预期辍学,下面的计算显示的最小样本量(区别意味着()=−.130;标准偏差的差异= .220;影响的大小;,+ 30% = 36)。

合格标准是年龄,结构化的体育锻炼习惯,和医疗状况,允许身体训练,不可能影响研究结果。具体来说,合格的人65 - 80岁的男性和女性,参与结构化身体活动每周不超过两次,至少4年在罗马的高级休闲中心,没有不受控制的心脏疾病和/或代谢疾病、脑血管疾病史,或其他病理条件。的进步通过阶段入学率,干预分配,跟踪和数据分析在图表示1。50岁老人同意参与签署知情同意。形成了两种不同的运动小组通过分层随机抽样,一个实验组运动主要关注physical-cognitive DT培训和对照组主要锻炼在圣时尚。特征分层是根据年龄和一般功能能力的合格的教练训练他们以前的4年。14个参与者时退出程序(28%)报告了各种原因包括疾病的发展,疼痛与锻炼,预期的计划操作,和伙伴病。因此,最后的参与者数量是36(手段和±SD:培训组与DT专注:20其中2例男性和18个女性,平均年龄为71.5±6.7岁,体重65.9±13.1公斤,身高155.5±8.9厘米;培训组织与圣专注:16其中2例男性和14个女性,平均年龄为73.7±4.5岁,体重65.9±7.9公斤,身高154.9±7.0厘米)。

2.2。测试

参与者被测试了两次,之前和之后的干预,对执行功能和步态的性能。测试进行了设施的高级休闲中心。测试前培训评估者给了标准化的口头指令对于测试过程演示的所有任务。参与者被给定一个实践试验,没有记录的性能,以确保熟悉任务。每个测试了两次,最好的试验用于分析。采用测试的有效性和可靠性评估执行功能(20.,21和步态ST和DT任务条件下22,23)和设备的量化步态参数(24,25)曾被发表。

2.3。执行功能

执行功能测试通过随机数生成(RNG)的任务,一个多维测试允许获得差异化的核心执行功能的指标,抑制和工作记忆更新(26]。参与者被指示说一个从1到9的数字以恒定速率bpm节奏的节拍器(40),这样一个请求字符串的100年订单数量尽可能随机。手动生成的数据和电子记录复杂的序列的随机性,衡量不同的指标。

六个指标反映抑制和工作记忆更新,三为每个函数,得到(表1)。抑制他们的转折点指数(TPI)邻接的),并运行(运行)。TPI高水平和低水平的调整和运行对应于高能力,抑制,避免生产定型字符串和优势的伙伴,因此代表了良好的性能。对工作记忆指标冗余(红色),优惠券(优惠券),意味着重复差距(MeanRG)。MeanRG高水平和低水平的R和息票对应高更新工作记忆能力,因此采用响应的平等交流数字代表一个好的性能。更多细节上面的意义和计算指标[27]。

两个总结指标计算为每个函数。前平均数据标准化,由于高TPI和RGMean值反映能力,而高的,运行时,冗余,和优惠券价值反映能力低,后者值正好相反。

2.4。步态

通过步态分析步态表现评估使用光电管系统(Optojump Next, Microgate,博尔扎诺,意大利24])。Optojump系统用于这项研究由10传输和接收光条相互平行放置在距离2米,总共10米的长度,每个都包含96个发光二极管。上的发光二极管发射酒吧不断沟通与接收酒吧。系统检测到任何中断在酒吧之间的通信和计算时间,为了测量参数与步态的性能。

参与者被要求他们习惯性的速度行走,穿自己的鞋之间的酒吧在一个矩形路径102米,2.5分钟。步态参数记录只有当整个酒吧。排除加速和减速阶段的分析步态参数的第一个和最后一个酒吧Optojump(第一个和最后一个米)并不认为:加速和减速阶段。行走任务执行的两个条件:平面和谈判的两个不同高度的障碍(6到30厘米)添加两种方式,分别为4和6 m。

定量步态参数提供的系统(Optojump接下来,Microgate,博尔扎诺,意大利;软件版本1.9.7.0)。我们选择步态速度、步幅和时间的敏感性检测或预测与年龄相关的执行功能下降4和步态不稳双重任务28]。步态速度是由分总距离走过走时间的持续时间(m / s);步幅(m)的脚跟点之间的距离是两个连续相同的脚步声。它获得了由高度规范化;跨步时间步态周期的持续时间是一只脚的时间从最初接触的后续联系相同的脚(s)。所有三个选定的参数我们不仅计算平均值,而且变异系数(CV,即。测量的标准差除以平均值的% (29日),因为变化的程度的被认为是一个更好的指标的动态自组织运动系统的集中趋势(30.]。

2.5。任务条件和双重任务的干扰

上面的步行和执行功能测试是由参与者作为单一任务(ST)和DT的结合。圣和DT都根据步态简单或复杂任务要求(平面行走与谈判障碍,resp)。图中概述2。这些实验条件进行平衡以避免实践效果。

分析双重任务的干扰,我们计算相对双重任务的影响(DTE)步态和认知表现如下(31日]: 在平均跨时间的情况下,CVs的步态变量,而价值越高,越表现,dt是改变公式计算如下(31日]: 通过这种方式,对于所有变量,负面终端设备值表明性能恶化DT(即。,dual task cost), whereas positive values represent an improvement in DT with respect to ST (i.e., dual task benefit).

2.6。运动训练

两组的参与者,由一个合格的教师,与音乐锻炼1小时,每周两次,12周组的运动类25每个参与者。出席在两组干预项目是85%。每个训练由10分钟热身步行速度不同,光跑步,和移动身体不同部分:手臂、手腕、手指、肩膀、腿和脚踝。这部分导致了30分钟的时间内合作培训(如行走,双臂圈),平衡(例如,维护monopodalic立场和没有自由摆动腿),加强(例如,蹲在扩展一个橡皮筋武器),敏捷性(例如,走过一个敏捷的梯子在不同速度),其次是20分钟的伸展运动,加强与练习交替收缩和放松肌肉和decontraction加上呼吸,和缓慢旋转的手,头和脚踝躺在地板上。我们的运动训练类型没有时间的特点,强度,和过载的有氧或进步的阻力训练。相反,我们一般运动模式适合合作培训的描述Voelcker-Rehage和Niemann10),包括连续知觉-运动的适应不同的任务需求。事实上,在目前的研究中,两组的参与者被要求走在圣(只有步行)或DT结合其他身体运动(例如,盘旋,摆动手臂)和/或处理小工具(例如,抛出和捕获软球),步行模式的改变(例如,在脚趾或高跟鞋)方向(向前和向后),和/或速度慢速与快速响应刺激。

实验组,体能训练任务与伴随的有关认知任务特别依赖执行功能。目标是参与行政三个核心功能:抑制(抑制能力的自动响应),工作记忆(能力、流程和操作信息记住)和转移(能力改变刺激反应协会执行的任务)。因此我们创建了一些训练条件,反映典型的额任务中创建的神经心理学的认知需求开发活动的执行功能的主要神经基质,额叶皮质(19]。例如,在物理性能的任务,几个功能的设备(即。,colour and/or size of obstacles) were associated with different motor requirements and participants were required to switch randomly between stimulus-response sets. These are characteristics of set-shifting derived from the Wisconsin Sorting Card Test [32]。

此外,根据证据表明电动机和老年认知利益可以通过DT培训取得一定程度的任务特异性和不断上升的困难(15),进一步DT的特点是嵌入在运动训练经验的实验组。使用功能迁移任务特异性是确保任务在日常生活中常见的,走在不均匀或狭窄的表面,或携带物品,走路,说话,或从地上捡对象。确保学习的影响这些特定的任务可能是分从追求潜在的认知和运动功能的改善(17),我们使用各种功能迁移训练任务,不包括那些用于测试。

2.7。统计分析

数据分析使用社会科学统计软件包,版本21.0 (SPSS Inc .,芝加哥伊利诺斯州)。统计学意义是水平所有的计算。所有数据都检查常态分布。

单向多元方差分析(MANOVAs)和随后的执行功能和门变量方差分析运行,与集团(实验与控制)因素来验证是否两组具有可比性的干预。回答研究问题的干预效果,分析了步态和认知能力作为主要措施和结果相互dt作为二级结果的措施。

平均值和CVs步态速度、步幅,跨步时间分别提交2222 MANOVAs混合模型,以集团为参与者之间因子和时间(之前和之后),运动复杂性(平面与跨栏)和认知复杂性与RNG)(圣没有提高对DT within-participants因素。

指数的抑制和工作记忆更新和提交2 dt认知效率23混合模型MANOVA,组织和时间和任务的复杂性(圣、声波时差和cDT)因素。重要的交互涉及时间和集团的因素之间的相关性分析张后差值()的认知和运动变量检查认知之间的关联和步态的性能改善。

关于dt在认知和步态表现,他们也提交给MANOVAs其次是方差分析。分析模型是一个222混合模型与参与者之间的因素组(实验与控制)和时间(pre和post)和运动复杂性(平面与跨栏)within-participants因素。

影响大小计算部分埃塔的平方(方差分析的结果。事后计划通过成对比较测试与Bonferroni调整为多个比较进行的重要的相互作用或主要影响因素有超过两个层次。

3所示。结果

在执行功能组没有显著差异(表2(表)或步态表现3在preintervention测试时间)。

关于培训执行功能的影响,大量的时间组互动(威尔 ,= 12.4,,)。方差分析结果显示这种互动效应的存在在summary抑制指数()。事后分析(调整2比较= .025)显示衰减后的抑制性能干预对照组(),但略实验组显著增加(;图3)。

关于步态训练性能的影响,大量的时间电动机复杂交互(威尔 =,。= 4.17,= .008,=。31)。方差分析结果显示显著的影响只颞步态参数的变异性(步态速度:= 10.05,,= 23)和跨时间的简历:= 13.63,,= 29)。事后分析(调整2 = .025)的比较显示,步行速度增益变化(;图4(一))和一个递减的跨步时间变异性(;图4 (b))干预后只在平面行走状态,但不是在走谈判障碍。

没有主要的影响时间和大量的时间组交互出现的任何终端设备变量。

根据研究问题,最终验证了微分张后是否改变在抑制两个干预组与步态的性能的变化,反映在平均值和CVs的门参数。显著的相关性(皮尔森的)抑制了与只的步幅CV值(表4)。之间的相关性抑制和步幅的简历在圣,视为一般估计的抑制和步态的变化之间的联系表现,并不重要。相反,符合DT的干预项目的重点培训,我们发现重要的之间的相关性抑制DT和步态变量对应的DT条件。自回归目视检查斜坡异常值的存在暗示可能会影响这些相关性,进行了多元回归分析分数(抑制和步幅的简历在ST和DT条件)预测和一个不相关的变量(BMI)相关的。2例(实验组)作为异常值检测和排除的距离。显著的相关性如图表示5分别为实验和对照组。在简单的gait-cognitive任务条件下(sDT),抑制和步幅的简历在对照组显著相关(图5(一个))。而不是在复杂gait-cognitive条件(cDT),他们只在实验组显著相关(图5 (b))。

4所示。讨论

这项工作研究的影响physical-cognitive DT培训专门针对运动对认知和执行功能的挑战在老年人步态表现。如何结合或集成电机和认知需求在体能训练代表最近越来越多的研究在整个寿命在运动科学33]。在老化的研究中,具体形式的DT训练cognitive-motor干扰和多任务平衡训练已被开发和演示步态和认知能力(13,15,34]。在目前的研究中,体能训练被整合呈现富有挑战性的认知执行功能需求DT时尚和其影响比较的主要体能训练在圣时尚。这两种类型的步态训练引起改善性能,确认精心设计的练习对老年人的功效35),但只有physical-cognitive DT干预有助于抵消与年龄相关的抑制效率的下降。此外,抑制效率的变化在DT行走步态表现被相应的变化。这可能相关的积极影响,以抵消减少老年人能够一次处理多个任务,在日常生活中是很常见的。

与我们的期望,在步态表现出现独立的存在/缺乏相应的认知任务,DT成本似乎不受培训。此外,培训时观察到的有益作用的运动条件下测试任务是相对容易的,也就是说,当步态任务只是平走在自学习惯步行速度(数字4(一)和4 (b)左),但没有当行走任务涉及的谈判障碍(数字4(一)和4 (b)右)。可能影响执行更复杂的行走动作的能力,延长培训时间(16)和/或包含strength-enhancing进步的阻力训练(36)是必要的。的另一种解释改善步态表现观察到在两个干预组学习/习惯化是由于重复的任务。然而,学习效果应该更广泛地影响步态参数。相反,观察到的改进有选择地把时间训练干预。

步时间与步态变化是反向关系的指标性能:变异性越高,性能越低(37]。事实上,似乎与电动机的控制节奏的步态模式,这是公认的一个至关重要的方面有效的运动(38]。更普遍的是,高可变性运动协调任务的性能被认为是更高配置的注意和认知控制的指标(39]。因此,速度和跨时间的减少可变性训练后表明,老年人成为更好地维持一个恒定的步态节奏没有认知控制的参与。这青春如改进相关自动化,当考虑到未经训练的老年人失去运动需要更多的认知资源规划和控制行走运动(40),在汽车和一般overengage前额叶区域规划补偿与年龄相关的下降(41]。

这两种类型的运动训练不同影响抑制功能(图的效率3)。衰老的抑制赤字假说表明,与年龄相关的认知和社会赤字取决于许多穷人抑制性控制(42,43]。虽然这个假设和底层结构效度的抑制在老年人仍然争论的问题(44,45),我们的研究结果表明,至少能够抑制老年人心理例程恶化,除非它的恶化是积极抵消设计,physical-cognitive DT培训。这一发现进一步扩展和指定的运动训练有潜力引起认知可塑性在年长的成年11),从而保护监督的效率涉及到大脑系统中抑制(46]。

后建议调查互惠DT影响步态和认知任务(18),我们进一步验证这两个培训类型的微分认知结果是否与相应的有关步态变化的性能,特别是在gait-cognitive DT。我们发现postintervention变化抑制效率一边平行的步态变化性能,作为反映在空间的可变性步态特征(图5)。与年龄相关的变化非门速度与执行功能下降有关步态变化和增量变化发展认知障碍的风险更大(4]。相反,我们的结果表明,相同的协会可以积极:培训执行功能在体能训练抒发抑制函数相关收益递减步态变化的变化。

有趣的是,我们发现不同的抑制和步态的变化之间的关系。年长的人练习锻炼主要集中在身体圣训练显示恶化抑制平行的步态的递减变化性能简单DT条件下(图5(一个))。抑制功能的恶化表示损害许多功能和日常生活的社交活动。出现这种情况时,例如,在城市环境中行人必须应对突然变化通过快速中断一个正在进行的行动和选择一个新的、合适的一个,或当常规的想法必须停止与他人有效地互动对话。相比之下老参与者的运动训练集中在physical-cognitive DT,这种联系被发现更复杂的DT条件下(图5 (b))。大胆、维护/抑制效率的改善可能会限制功能失调comovements和coactivation特别是老年人的侵犯复杂运动的行为。受体激动剂和拮抗剂的coactivation肌肉运动协调通常出现在老化负责增加代谢消耗,因此减少行走效率(47,48),这限制了性能的日常活动需要活跃的通勤。这个发现增加了体能训练为老年人设计的概念,而较少关注体育活动项目,有可能加强身体和认知能力之间的关系(49]。然而,之间没有联系DT成本/效益计算的终端设备相对于同样的步态和认知任务的性能隔离(ST)。高个人间变异性可能负责缺乏一致性的认知和运动性能变化表示相对而言。

干预影响的存在抑制作用但不是工作记忆应该指的讨论结果和不同的物理介质的多样性培训类型执行功能在年长的成年。虽然有氧运动是最承认获取效益的运动形式的认知,通过心血管和神经营养机制诱导大脑健康和激活的变化,最近,心血管的以外的其他类型的运动吸引了注意力的运动和认知研究[10]。肌肉耐力训练的年度(45)甚至每月持续时间(50]似乎提高抑制增强功能的可塑性相关大脑皮层抑制过程(51]。这是观察到,例如,年龄在65岁到75岁的女人通过高强度的耐力训练,甚至每周只有一次,主要肌肉群(手臂学术和扩展,坐着行,上肢拉,腿,腿学术语,和提高球脚的),由特定的策略来促进参与者的参与(平行52]。

我们的发现3个月的干预后干预对抑制的影响增加的证据表明,训练在不同时间尺度可能是有效的,根据设计的定量和定性特征运动任务(14]。运动协调训练,以定性变量的组合,似乎改善执行功能作为心血管锻炼,但通过不同的神经调节机制(53]。我们运动训练加入DT时尚运动定性变量组合与特定的执行功能要求的认知结果符合这些研究表明选择性福利抑制(54)和体能训练类型之间没有差异对工作记忆要求认知或多或少(即。,虚拟现实游戏跳舞和跑步机上行走补充以力量和平衡练习(16])。

这项研究有一定的局限性,必须加以解决。小样本大小没有正式的所有变量,但只有步行变量,作为当前工作的目的是生产数据必须充分全面的研究力量。以来,在目前的研究中,没有发现任何干预影响互惠DT影响变量,这些措施的权力应优先计算在一个全面研究后,与权力为主要变量估计步态和认知能力。个人的选择已经参与结构化运动训练是为了测试是否老年人可能获利DT培训作为一个额外的值超出了身体活动的好处。招聘来自同一社区中心进行体力活动老参与者避免交通问题,但涉及交叉污染的风险。没有进行测量确定维护运动停止后的效果。方法论的差异,特别是难以实施运动质量构造运动的广度和认知研究[33),分类的任务复杂性水平组的培训,与先前的研究限制了可比性。尤其是physical-cognitive DT训练可以强烈的影响根据不同研究运动和认知任务的复杂性,特异性和优先级15]。没有干预终端设备在当前研究的结果可能是由于相对较短的持续时间和低容量的训练,尤其是考虑到低逐步发展的任务复杂性由于时间老年人需要熟悉变异的训练任务执行功能任务的特点提出了镜子。

在结论与目前的干预,我们旨在超越专门体育锻炼,增加physical-cognitive DT执行功能要求而专门设计的挑战。结果支持运动训练的有效性提高步态性能一般来说,所反映的步态的时间参数的性能和设计physical-cognitive DT嵌入运动训练有利于抑制效率。training-induced改善抑制,反过来,似乎与步态的控制改善的空间特征。从一个整体的健康促进方法,有效的执行功能本身是不够的对老年人感知健康和生活质量,但它必须加上有形行走能力的经验在双任务条件下,反映日常生活的要求(55]。physical-cognitive DT的操作化培训针对提高执行功能和步态表现共同的似乎是一个合适的手段追求这样的整体的目标。未来的研究应该关注老年人精心设计的培训课程如何积极影响认知和步态性能之间的相互影响是相关的,即使不是至关重要的,在许多日常生活情况。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢所有参与者参加了这项研究,在“Associazione矛盾Dilettantistica " GTM,”和“Centro Sociale Anziani莫雷纳(市政厅罗马七世)”(安东尼奥Forieri总统)。这项研究是由意大利教育部大学和国家利益的研究(MIUR)项目(主要):体育活动对健康的影响衰老:多学科分析机制和结果(2010 kl2y73_003)。

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