步行中重复视觉扰动对老年人与年轻人平衡控制的影响差异

《GeroScience》：Balance control is more affected in older than younger adults by repeated visual perturbations during walking

　　

感觉系统随衰老而退化会损害平衡控制，部分原因在于视觉对自身运动估计的贡献受到干扰。研究人员探究了在步行中暴露于重复视觉扰动时，年龄相关差异对额状面内质心（center of mass, CoM）轨迹控制的影响。研究人员假设，老年人对视觉扰动会表现出更大的反应，并且对重复视觉扰动暴露的适应能力较差。研究人员对14名健康老年人（年龄 = 75.0 ± 2.4岁）和16名年轻人（年龄 = 23.4 ± 3.9岁）在跑步机上步行时施加三种视觉扰动：注视固定目标而背景向右移动（moving background, MB）；头部转动追踪在静止背景上向右移动的目标（moving target with head rotation, MT-HR）；仅用眼球运动追踪移动目标（moving target with eye movement, MT-EM）。评估了由视觉扰动引起的CoM位置偏移。在整个试验中，老年人在视觉扰动步行期间并未表现出比年轻人更大的CoM位置变异性，这与研究人员的假设相反。在视觉扰动时段内，除MB条件外，两个年龄组均向相同方向偏移。在MB条件下，经过几次扰动重复后，老年人向相反方向偏移。此外，在MT-HR和MT-EM条件下，老年人比年轻人更早发生偏移，并且在MT-HR条件下偏移幅度更大。这表明，当暴露于视觉扰动时，老年人通过其他感觉模态的校正来准确估计自身运动的能力下降。在重复扰动过程中，老年人在MT-EM条件下的CoM偏移减小，这表明他们在重复暴露后仍保留下调视觉信息权重的能力。

# 论文解读：步行中重复视觉扰动对老年人与年轻人平衡控制的影响

## 一、研究背景与目的

人类作为双足动物，在步行中需要将质心（center of mass, CoM）维持在相对较小的支撑面内，主要机制是根据CoM的实时状态选择适当的足部落点位置。为此，中枢神经系统需要整合视觉、前庭觉、本体感觉和皮肤感觉等多种感觉信息来估计CoM状态。随着年龄增长，感觉系统发生退行性变化，如前庭功能下降会导致空间定向敏感性降低和平衡控制能力受损，因此老年人可能更依赖视觉系统维持平衡。然而，视觉信息在特定情境下可能提供关于身体朝向的错误信息。当个体注视静止目标而背景移动时，会产生与背景运动方向相反的自身运动错觉；视觉追踪移动目标也会在视网膜上产生背景的相对运动，从而诱发类似错觉。这些视觉挑战在日常生活中频繁出现，但其对步行平衡的影响及年龄相关差异尚不清楚。研究人员此前对年轻人的研究发现，视觉扰动可显著改变足部和CoM轨迹。鉴于老年人对视觉的依赖程度更高，这类视觉扰动可能对老年人造成更大影响，对其平衡控制构成更大挑战。基于此，研究人员开展本研究，旨在探究老年人在步行中暴露于重复视觉扰动时，CoM额状面轨迹控制的年龄相关差异，并检验三个假设：与年轻人相比，老年人（1）在整个步行试验中CoM轨迹变异性更大；（2）在视觉扰动期间出现更大的CoM峰值偏移；（3）对重复视觉扰动暴露的适应能力下降。

## 二、研究方法概述

研究人员招募了14名健康老年人（年龄75.0±2.4岁，5女9男）和16名年轻人（年龄23.4±3.9岁，10女6男）。采用集成运动捕捉系统（Optotrak，50 samples/s）、instrumented跑步机（Motek-Forcelink）和投影屏幕的实验平台，在跑步机上施加三种视觉扰动：移动背景（moving background, MB）——注视静止目标而背景右移；移动目标伴头部转动（moving target with head rotation, MT-HR）——头部转动追踪右移目标；移动目标伴眼球运动（moving target with eye movement, MT-EM）——仅眼球追踪右移目标。每个步行试验包含约14次扰动，共进行5分钟试验。主要分析指标包括整个试验的CoM位置变异性、扰动期间CoM峰值偏移及其随重复扰动次数的变化。统计方法包括重复测量方差分析、单样本t检验、独立样本t检验和线性混合效应模型。

## 三、研究结果

### 3.1 整个试验中视觉扰动对CoM位置变异性的影响

重复测量方差分析显示，视觉扰动条件和年龄对CoM位置变异性均有显著主效应，但两者无显著交互作用。三种视觉扰动条件下的CoM位置变异性均显著大于正常步行（NW）条件。老年人整体上表现出比年轻人更大的CoM位置变异性，但视觉扰动导致的变异性增加幅度在两组间并无显著差异，这与研究人员的第一个假设不符。

### 3.2 视觉扰动期间的失稳效应

在MB条件中，年轻人在移动阶段和静止阶段均一致地向与背景运动相反的方向（左侧）偏移，而老年人的平均峰值CoM位置在两种阶段均与零无显著差异，且个体间变异较大。在MT-HR条件下，两组均向目标运动方向（右侧）偏移，但老年人从移动阶段开始即发生偏移，而年轻人仅在静止阶段才出现显著偏移；老年人在移动和静止阶段的偏移量分别为年轻人的8.5倍和3.8倍。在MT-EM条件下，两组同样向目标方向偏移，老年人同样更早开始偏移，但峰值偏移量在两组间无显著差异。

### 3.3 重复视觉扰动暴露的影响

线性混合效应模型分析显示，在MB条件下，首次扰动时两组均向左偏移，但随重复次数增加，老年人的CoM偏移方向逐渐由左转为右，而年轻人的偏移无显著变化。在MT-HR条件下，两组偏移均随重复次数增加而显著增大，但无年龄与重复次数的交互作用。在MT-EM条件下，老年人的CoM偏移随重复次数显著减小，而年轻人无显著变化，表明老年人在该条件下表现出对视觉信息权重的下调能力。

## 四、讨论与结论

讨论部分指出，视觉扰动引起CoM轨迹改变的原因在于视觉信息与前庭、本体感觉等信息整合后形成自身运动估计，扰动改变了这种估计，进而导致足部落点调整和CoM轨迹偏移。MB条件下老年人随重复暴露出现方向反转，可能归因于注意力减退或转而采用站立腿力矩进行快速纠正的策略。MT-HR条件中老年人偏移更大的现象，可能与颈部本体感觉信息准确性下降导致前庭信号抑制不足有关。MT-EM条件下老年人随重复扰动偏移逐渐减小，说明其仍保留感觉重加权能力，但当头部运动同时干扰前庭和躯体感觉信息时，这种能力不足以有效补偿。

研究结论可翻译为：本研究发现，老年人在步行中暴露于水平视觉扰动时，对额状面内CoM轨迹的控制能力较低。这似乎是由衰老导致的自身运动估计受损所驱动的。老年人在暴露于视觉扰动时，通过其他感觉来源的校正来准确估计自身运动的能力较差。然而，他们在重复暴露于视觉扰动后，仍保留下调视觉信息权重的能力。