认知负荷监测新视角：基于前额θ脑电活动的老年群体四周体感游戏干预研究

本刊推荐：为量化老年人体感游戏(exergaming)干预中的认知负荷，研究人员开展为期四周的纵向脑电研究，通过监测前额θ功率(4-7 Hz)发现：相比基线运动，所有游戏难度均诱发显著更高的前额θ活动(p<0.01)，且随干预进程持续增强(p<0.001)，表明exergaming能持续激活认知功能。该研究首次实现干预期间多时点EEG监测，为个体化认知-运动训练提供神经生理学依据。

　　

随着全球人口老龄化进程加速，老年人群体面临的身体功能衰退和认知能力下降已成为重大公共卫生问题。年龄增长不仅带来疾病风险上升，还会导致身体功能减弱，这些因素共同促使认知障碍、虚弱和跌倒发生率显著增加。值得关注的是，体育锻炼被证明能有效改善老年人的身体和认知功能，而近年来兴起的体感游戏（exergaming）更将物理运动与认知训练有机结合，通过虚拟游戏环境要求参与者进行身体运动，同时接受认知挑战，成为促进老年健康的新兴手段。

尽管既往研究表明体感游戏能改善老年人的平衡能力、步态以及执行功能、注意力处理和视觉空间技能等认知领域，但如何精确监测游戏过程中的认知需求仍存在重大空白。传统研究多依赖干预前后的认知测试作为间接指标，无法实时反映训练过程中的神经活动变化。更关键的是，个体化训练方案的制定需要基于对认知负荷的精准量化，而现有技术难以在动态运动场景下实现持续监测。正是这些挑战，激发了Helen Miller等研究团队开展这项探索性脑电图研究。

研究人员创新性地采用便携式脑电技术，在为期四周的干预中多次测量老年人进行体感游戏时的大脑活动，重点关注前额θ波段功率变化这一认知负荷的核心生物标志物。他们的研究成果发表在《Scientific Reports》期刊，为理解体感游戏的认知效益提供了直接的神经生理学证据。

本研究采用多项关键技术方法：通过64通道无线EEG系统（Live Amp 64）采集脑电数据，使用独立成分分析（ICA）和偶极子定位技术处理运动伪影，建立前额叶功能集群分析θ频段（4-7 Hz）功率变化；采用SilverFit体感游戏系统，包含侧重平衡控制的Puzzle游戏和强调跨步训练的Fox游戏两种任务范式；通过线性混合模型统计分析12次训练课程中6个测量时间点的数据变化；研究对象为21名独立生活的老年人（平均年龄74.80±0.81岁），所有参与者完成全部干预课程。

前额θ功率

结果显示，在所有游戏条件和难度水平下，体感游戏期间的前额θ功率均显著高于参考运动（p<0.01）。容易条件和困难条件与参考运动相比均存在显著差异（MD 0.578，95%CI 0.14-1.01，p<0.01；MD 0.605，95%CI 0.17-1.04，p<0.01），但两个难度水平之间无显著差异（MD -0.03，95%CI -0.46-0.41，p=0.904）。

混合模型分析显示课程次数对θ功率变化有显著影响（F(5,393.52)=15.0，p<0.001），表明从参考运动到游戏条件的θ功率差异随着干预进程逐渐增大。详细的事后检验显示，从第1课程到后续多个课程（特别是第9课程）的θ功率变化均达到显著水平。游戏类型（F(1,388.23)=1.28，p=0.26）和难度水平（F(1,388.23)=0.14，p=0.71）对前额θ功率变化无显著影响，所有交互作用也均不显著。

体感游戏表现

参与者在两种游戏中表现均显著提高（Puzzle：F(1.49,29.85)=44.57，p<0.001，η2=0.69；Fox：F(1.90,37.94)=97.30，p<0.001，η2=0.83）。事后检验表明，Puzzle游戏表现直到第6课程持续提高，Fox游戏直到第9课程持续提高。

容易条件下的表现显著优于困难条件（Puzzle：F(1,20)=258.14，p<0.001，η2=0.93；Fox：F(1,20)=1596.21，p<0.001，η2=0.99）。难度水平与课程次数存在显著交互作用（Puzzle：F(2.25,44.91)=23.15，p<0.001，η2=0.54；Fox：F(2.56,51.20)=34.50，p<0.001，η2=0.63），表明参与者在Puzzle游戏的困难水平和Fox游戏的容易水平提高更多。

讨论

本研究首次在体感游戏干预期间重复测量脑电活动，发现前额θ活动作为认知参与的稳健标志物。主要发现包括：体感游戏在所有分析的六个时间点均诱发比参考运动更高的前额θ功率，表明四周干预期间持续存在较高的前额皮层激活；这种由体感游戏引起的前额θ功率变化在整个四周期间显著增加，同时游戏表现也随时间显著改善。

研究发现前额θ功率随干预进程增加的可能解释包括：老年人通过重复游戏课程对任务更加熟悉，由于运动的自动化和游戏控制的优化，他们能够更精确地将注意力集中在游戏的关键细节上；θ功率增加可能反映了体感游戏训练适应过程，表现为更专注和自动化的游戏方式；参与者表现在第6课程后趋于平稳，这是运动学习研究和体感游戏研究中观察到的典型模式，可被视为掌握程度的标志。

与年轻参与者的研究结果不同，本研究发现难度水平对前额θ功率没有显著影响，但困难条件下的表现确实较差。这一发现可能支持神经回路补偿利用假说（CRUNCH），即老年大脑需要付出更大努力才能获得可比结果，在相似任务中比年轻人需要更多神经资源；当需求进一步增加时，年轻大脑能够增加神经处理，而老年人的神经资源可能达到极限无法进一步增加，导致处理不足和结果变差。

两个游戏类型（Puzzle和Fox）对参与者前额脑活动没有影响，两种游戏都表现出相比参考运动增加的前额θ活动。这表明无论是游戏内容还是不同类型的运动（倾斜与跨步）都没有改变以前额θ功率为指标的认知参与。前额θ活动相比参考运动的增加可能来自体感游戏的整体需求，代表了需要复杂信息处理的交互式运动-认知任务。

结论与意义

本研究首次在老年人体感游戏干预期间重复测量和描述脑电结果，发现体感游戏固有地涉及认知需求，且这种需求在四周干预过程中持续存在，不会因习惯化而消失。体感游戏因此能够在延长运动期间有效 engaging 认知能力。此外，干预导致体感游戏期间前额θ活动相比参考运动增加，突出了其积极影响。

研究结果具有重要理论和实践意义：提供首批证据表明体感游戏在干预期间针对认知需求，因此可能有效训练老年人的认知功能；前额θ功率变化可能作为监测体感游戏认知参与程度的测量指标，这与EEG功率谱测量的先前发现一致；这可能实现基于身体和认知特征的体感游戏干预控制，为个体化训练方案提供依据；便携式EEG允许在玩实际游戏时收集数据，而其他模态仅限于游戏后记录的静息状态数据，因此可提供实际认知参与的信息，补充传统前后测试设计中对体感游戏效果的研究。

然而，解释体感游戏期间前额θ活动的意义仍需进一步研究。未来研究可包括事件相关分析，以聚焦于诱导认知参与的刺激周围的短时间段，尽管这种方法需要大量事件，可能导致参与者疲劳和潜在不良反应。尽管通过独立成分分析和CapTrac收集的个体头部模型坐标对抗EEG有限的空间分辨率，但偶极子位置是估计值，不一定代表信号的实际皮层来源。