身体功能调节衰老过程中白质特征与不平整地形行走步态变异性之间的关系

《Neurobiology of Aging》：Physical function moderates the relationship between white matter characteristics and gait variability during uneven terrain walking in aging

　　

**摘要** 在不平整地形上行走对老年人来说是一项重大挑战，通常会导致跌倒。识别不平整地形上行走的神经相关因素可能有助于理解与年龄相关的行动能力下降机制。我们检查了不同年龄和白质微结构以及体能功能组之间的差异，并检验了白质测量指标与不平整地形行走行为之间的关联在这些组之间是否有所不同。22名年轻人（22.45 ± 2.58岁）和86名老年人（75.47 ± 6.77岁）完成了结构和弥散加权MRI检查，以及在平坦、低、中和高不平整地形条件下的跑步机行走。老年人根据简短体能功能电池（SPPB）评分被分为较高功能或较低功能组。自由水（FW）和自由水校正的各向异性分数（FAt）是主要结果指标。行走行为通过步时变异系数（COV）和感知稳定性进行量化。较低功能的老年人表现出更大的基线步态变异性，且随着地形不平整度增加，其变异性增长幅度也更大，均超过年轻人和较高功能的老年人。与年轻人相比，老年人表现出更广泛的FW升高和组织完整性降低，特别是在前额和运动相关白质中。次要分析显示，较高功能的老年人在前额和半球间区域的轴向弥散度（ADt）高于较低功能的老年人。显著的分层行为交互效应显示，FW升高与较低功能老年人（相比较高功能老年人）更大的基线步态变异性之间的关联更为强烈，特别是在胼胝体膝部。细胞外自由水和组织特异性白质测量指标显示出与老年人基线行走和与不平整地形行走不同的关联。

**引言** 跌倒显著降低老年人的生活质量，是第五大死因，由此引发的重大公共卫生问题（Deandrea等人，2010年）。现实世界的行走环境可能给老年人带来额外挑战，因为它们很少具有平坦表面。不平整表面（如不平整人行道）、合规表面（如草地、沙子等）、湿滑条件以及自然路径（如带有石头、树根等）可在日常行走中遇到。先前的研究报告指出，与平坦地形相比，在不平整地形上行走时，年轻人（Coleman等人，2016年）和老年人（Thies等人，2005年）的步宽变异性均更大。类似地，Menz等人（2003年）和Thies等人（2005年）显示，在不平整表面（与平坦表面相比）行走时，老年人表现出步变异性增加、步速降低以及骨盆和头部运动变异性降低。另一项研究评估了年轻人和老年人行走于多种表面地形时的步态特征，发现老年人表现出更短的步长和更慢的步速（Marigold和Patla，2008年）。Downey等人（2022年）在不同体能功能的年轻人和老年人中研究了不同程度不平整地形对跑步机行走的影响。体能功能通过简短体能功能电池（SPPB）进行量化，SPPB是一种广泛应用于衰老人群下肢行动能力和功能容量的临床测量方法（Guralnik等人，1994年）。他们发现，地形不平整度增加与所有组别中骶骨位移和步时变异性增加相关，这在较低功能的老年人（SPPB评分<10者）中最为明显。他们还报告了年轻和老年人在地形不平整度增加时感知稳定性下降。综合而言，这些发现表明，不平整地形与更大的步态变异性、更慢的步速和降低的动态稳定性相关，且这些关联在老年人和较低体能功能中更为明显。

大脑的结构和功能变化随年龄增长而发生，独立于病理条件的存在。此外，健康人脑的尸检研究表明，衰老对白质的影响比灰质更严重（Piguet等人，2009年）。白质退化的主要原因是轴突纤维的丧失（Marner等人，2003年）。正如Walhovd等人（2005年）所指出的，白质宏观结构（即体积）通常在中老年前保持稳定；此后开始急剧下降。另一方面，使用弥散加权磁共振成像（dMRI）可以早在中年检测到白质的微结构变化，dMRI测量组织中水分子扩散的方向和幅度（Clements等人，2025年）。dMRI是一种常用于研究白质特征的技术，因为它对检测和微观结构变化敏感（Alexander等人，2007年）。该技术测量脑组织中的水分子扩散，从而确定每个体素的特性，如扩散方向间的变异性（即各向异性分数，FA）、沿轴突的扩散速率（即轴向弥散度，AD）以及沿横向方向的扩散速率（即径向弥散度，RD）（Soares等人，2013年）。

白质微结构已知会随年龄增长而退化，表现为细胞外自由水增加和各向异性分数降低（Bennett和Madden，2014年；Pasternak等人，2012年）。在扩散指标中应用自由水（FW）校正揭示了一些先前报告的FW、FA、AD和RD测量的年龄差异源于流体效应而非组织退化。组织相关扩散指标提供了对白质退化的更好理解，并改善了脑-行为关系的解释（Chad等人，2018年；Edde等人，2019年；Hupfeld等人，2022年）。FW校正应用两室模型拟合来区分脑组织附近的扩散和细胞外自由水（如脑脊液和水肿）（Pasternak等人，2009年）。FW室代表不受约束或定向的水分子，因此代表细胞外空间（Chad等人，2018年；Pasternak等人，2009年）。分离FW的过程在衰老研究中起着至关重要的作用，因为老年人在细胞外空间中产生更多的间隙液，而这未被更基本的扩散模型（如弥散张量成像（DTI））所考虑（Chad等人，2018年；Hupfeld等人，2022年）。在本研究中，我们主要关注FW和自由水校正的组织各向异性分数（FAt）作为主要扩散结果指标，同时通过次要分析检验自由水校正的组织轴向弥散度（ADt）和自由水校正的组织径向弥散度（RDt），以辅助对FAt结果的解释。

以往研究步态特征与dMRI指标之间关系的研究报告指出，FA值降低（特别是在左侧前丘脑辐射和左侧皮质脊髓束）与老年人行走于平坦表面时的步宽和安全边际缩小显著相关（Bruijn等人，2014年）。另一项研究表明，丘脑辐射、联络束和压果中的FA升高和RD降低与老年人更好的行走表现相关（Verlinden等人，2016年）。一致地，研究发现，灰质体积较大和RD、AD降低与更好的平衡和椅子起立能力相关，这加强了微妙的行动力差异与潜在脑微结构之间的联系，即使在健康老年人中也是如此（Demnitz等人，2017年）。当考虑到在不平整地形上行走需要认知资源时（Clark等人，2020年；Fettrow等人，2021年），这些发现的相关性变得更加显著。研究表明，与年龄相关的认知下降，特别是在记忆、执行功能和知觉速度方面，可能由白质微结构变化解释（Madden等人，2009年；Voineskos等人，2012年）。最近，Shah等人（2025年）报告了步速降低与地形不平整度升高之间的关联，这与老年人抑制控制和触觉辨别能力差有关。这些发现表明，认知控制和躯体感觉功能在不平整地形上行走中的作用需要进一步研究，特别是在老年人中。

在不平整地面上行走需要比在平坦地面上行走更多的感觉运动和姿势调整（Clark等人，2020年；Darici和Kuo，2023年）。例如，一位老年人在平坦地面上可能表现出接近正常的步态，但在不平整地面上需要显著更多的在线运动和认知控制来维持稳定的步态模式（Clark等人，2020年；Shah等人，2025年）。这种储备需求可能在平坦地面测试中无法发现，但在地形挑战下表现为步间变异性增加（Downey等人，2022年），而在这样的挑战下识别所动员的白质基础可能有助于在明显下降之前标记低行动储备，并指出认知运动或感觉运动干预目标。因此，本研究的第一个目标是比较年轻成人与老年人（两个亚组合并）以及较高和较低体能功能老年人之间的白质微结构指标（即FW和FAt）。我们招募了具有不同程度体能功能（由SPPB评分确定）的年轻和老年人进行dMRI扫描。使用自由水分析模型评估白质微结构，使我们能够分离FW和组织区室，从而在脑内计算组织相关DTI指数（Pasternak等人，2009年）。纳入年轻组有助于评估在老年人中发现的差异，特别是体能功能较高和较低者之间的差异，是代表偏离健康年轻规范还是规范衰老的程度。第二个目标是检查白质微结构指标与不平整地形行动能力之间的关联是否因年龄和体能功能组别而异。除了检验特定分层的脑-行为交互效应外，我们还进行了合并所有参与者的次要分析，以检验不平整地形上白质特征与行走行为之间的整体关联。

**研究样本** 本研究的参与者来自一个更大的项目（Clark等人，2020年）。22名年轻人和86名老年人被纳入。老年人根据其SPPB评分（Guralnik等人，1994年）分为较高体能功能（n=28）和较低体能功能（n=58）组。经过MRI质量控制和离群值排除后，分析样本量因测量指标而异，详见表1及下方相应章节。SPPB评分<10的参与者被归类为较低体能功能。

**行为测量指标的分层差异：步时COV和感知稳定性** 每个分析样本的参与者特征总结见表1。由于结果测量指标缺失数据，各分析样本量有所不同。离群值针对每个指标单独识别（±3 SD），仅从涉及该指标的分析中排除。一位较低功能的老年人在步时COV斜率和截距上均为离群值；另有一位参与者仅在斜率上为离群值，一位仅在截距上为离群值。

每个指标的**描述性统计**

**讨论** 不平整地形行走揭示了步态变异性与白质微结构之间的关联，其中细胞外自由水与基线步态变异性显示出最清晰的关联。与先前研究和我们的第一个目标一致，老年人在运动相关白质束中（包括上冠放射和后冠放射）普遍表现出较低的FAt（Chad等人，2018年；Hupfeld等人，2022年）。老年个体的FW显著高于年轻人，

**结论** 本研究证明，在不平整地面上行走揭示了在正常行走时不明显的步态控制与脑白质之间的显著联系。我们发现，衰老与前额、联络和运动相关白质通路中细胞外FW增加和组织完整性降低相关，使用了FW校正扩散成像。步态变异性的不同方面与不同的白质特征相关。基线步态变异性与

**作者贡献声明** Sumire D. Sato：撰写——审阅与编辑、形式分析、数据整理。Rachael D. Seidler：撰写——审阅与编辑、项目管理、方法学、调查研究、资金获取、概念化。Seda Tasci：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、软件、方法学、形式分析、数据整理、概念化。Ofer Pasternak：撰写——审阅与编辑。Daniel P. Ferris：撰写——审阅与编辑、方法学、调查研究、资金

**利益冲突声明** 作者没有个人、财务或学术利益冲突。

**致谢** 本研究由美国国立卫生研究院（NIH）在赠款U01AG061389和共享仪器赠款S10 OD021726下提供资助。额外支持通过美国国家科学基金会（NSF）合作协议#DMR-1644779与佛罗里达州共同提供。本研究由佛罗里达大学Evelyn F.和William L. McKnight脑研究所授予的职业发展基金支持。

**验证声明** 作者确认所述工作未

Seda Tasci | Sumire D. Sato | Jacob Salminen | Pragnya P. Prusty | Valay A. Shah | Tyler Fettrow | David J. Clark | Daniel P. Ferris | Chris J. Hass | Todd M. Manini | Ofer Pasternak | Rachael D.

Seidler，佛罗里达大学应用生理学与人體活动学系，美国佛罗里达州盖恩斯维尔