《Frontiers in Aging Neuroscience》：Age-related cortical mechanisms underlying postural control: a systematic review
摘要
引言： 尽管年龄相关的姿势控制皮层机制日益受到关注，但研究间的异质性限制了对现有证据的综合分析。本系统综述旨在：（1）表征在感觉、认知和机械挑战下的站立平衡任务中，年龄相关的皮层活动改变；（2）检验皮层活动与姿势摆动之间的关联；（3）表征当前在老年人（OA）站立平衡任务中评估皮层活动的方法学特征。
方法： 通过对MEDLINE、EMBASE、PsycINFO和CINAHL数据库从建库至2025年10月8日的系统检索，识别相关研究文献。符合条件的研究采用脑电图（EEG）或功能性近红外光谱（fNIRS）技术，在感觉、认知和机械挑战条件下测量站立平衡期间的皮层活动。研究人员使用定量研究标准质量评估标准进行质量评估。
结果： 共纳入37项研究，总计1,302名参与者，其中788名老年人（OA）（60.5%）。大多数研究（n = 29，78.4%）显示出较强的方法学质量。证据表明，与年轻人（YA）相比，OA在任务需求增加时表现出任务依赖性皮层调节减弱，以及皮层活动与姿势摆动之间的关联减弱。在机械扰动后，OA倾向于表现出延长的潜伏期和降低的幅值。然而，部分研究也提示，OA在特定任务条件下仍可能募集额外的皮层资源，这可能反映了代偿过程。
讨论： 本系统综述表明，衰老可能与任务依赖性皮层调节减弱、皮层活动与姿势摆动之间的关联减弱，以及在具有挑战性的平衡任务中感觉运动处理延迟相关。这些发现为未来旨在阐明站立平衡过程中姿势控制年龄相关皮层机制的研究奠定了基础。
系统综述注册： https://www.crd.york.ac.uk/PROSPERO/，标识号CRD420251159695。
引言
跌倒在老年人（OA）中十分常见，每年约有30%的老年人经历跌倒。跌倒发生率随年龄增长而增加，80岁以上老年人中每年约有50%经历跌倒。跌倒与OA日常生活活动能力受损增加、社会参与受限及生活质量下降相关。在各种跌倒风险因素（如平衡、步态、感觉功能和认知功能下降）中，平衡能力下降是主要风险因素。因此，理解姿势控制的潜在神经机制对于有效降低OA的跌倒风险至关重要。
平衡/姿势控制被定义为在任何姿势或活动中维持、达到或恢复平衡的能力，源于运动、感觉和认知成分的复杂整合。平衡功能随年龄增长而下降，当感觉输入不可用、减弱或受到扰动时，这种下降更为明显。例如，与睁眼舒适站立相比，当视觉（如闭眼、光学流）、躯体感觉（如泡沫表面）、前庭或多感觉模态受到扰动时，OA表现出更大的姿势不稳定性。同样，同时执行平衡和认知任务（即双任务）或在机械挑战条件下（如移动平衡平台），也已证明OA相比年轻人（YA）表现出更大的姿势摆动。然而，尽管已有充分证据表明主要基于运动学测量的平衡功能下降，但关于姿势控制的年龄相关皮层机制，尤其是在结合不同感觉、认知和机械挑战时，所知甚少。
大脑在维持平衡中起着关键作用，随着年龄增长，充分姿势控制所需的皮层参与水平和高级认知过程增加，这主要归因于感觉或多感觉功能下降、与衰老相关的结构和功能性大脑改变，以及注意资源需求的增加。脑电图（EEG）和功能性近红外光谱（fNIRS）等神经影像技术的进步，使研究人员能够在平衡任务期间评估直接、实时的皮层参与。先前使用这些方法的研究已考察了皮层活动的多个维度，以研究OA在姿势控制中改变的皮层反应，包括频带功率谱、功能连接、事件相关电位（ERPs）和血流动力学反应，特别是在各种感觉、认知和机械挑战条件下。
在皮层活动的各维度中，使用EEG测量的delta（0.5–4 Hz）、theta（4–7 Hz）、alpha和mu（8–12 Hz）、beta（13–30 Hz）及gamma（>30 Hz）频带的功率谱已被广泛用于研究平衡背后的皮层机制，因为每个频带与不同的运动和认知过程相关。例如，与单任务条件相比，OA在双任务条件下额叶和额中央区域表现出delta和theta功率增加，其中delta功率与更大的姿势需求相关，theta功率与更高的认知任务难度相关。Alpha功率在感觉加工和抑制控制中发挥关键作用，alpha功率增加反映功能性抑制，alpha功率降低反映运动和皮层激活增强。特别是，感觉运动区域的alpha频带活动（通常称为mu功率）与运动和躯体感觉加工密切相关，在OA中，运动准备和执行以及姿势需求增加时mu功率降低。Beta频带活动以情境依赖的方式支持姿势控制。Beta功率降低可能反映灵活的感觉运动加工，而beta功率增加可能表明在挑战性条件下更大的认知努力和感觉再加权。Gamma频带活动与高级认知加工和感觉运动整合相关，在挑战性机械扰动期间gamma功率增加反映了在要求苛刻的条件下维持站立所需的更大皮层募集。然而，先前研究的方法在皮层测量、感兴趣区域（RoI）和平衡范式方面存在差异，导致结论不一致，限制了对平衡过程中年龄相关皮层机制的全面理解。
据研究人员所知，近期一项范围综述调查了OA站立或行走的EEG功率谱相关性。然而，其范围仅限于EEG频谱测量，且作为范围综述，未提供与站立平衡相关的其他皮层活动结果（包括功能连接、事件相关电位和血流动力学反应）的全面综合。因此，本系统综述的主要目的是通过综合使用EEG和fNIRS的研究，调查站立平衡中年龄相关神经机制差异的广泛测量维度，包括频谱功率、功能连接、事件相关电位和氧合血红蛋白反应。具体而言，本综述旨在：（1）表征在感觉、认知和机械挑战下的站立平衡任务中，年龄相关的皮层活动改变；（2）检验皮层活动与姿势摆动之间的关联；（3）表征当前在OA站立平衡任务中评估皮层活动的方法学特征。
方法
本系统综述遵循系统综述和荟萃分析首选报告项目（PRISMA）指南，综述方案已在健康和社会保健前瞻性系统综述国际数据库（PROSPERO）注册（注册号：CRD420251159695）。
信息源与研究选择
研究人员使用MEDLINE、Embase、PsycINFO和CINAHL进行了从建库至2025年10月8日的全面系统检索。使用数据库特定的MeSH术语和关键词组合来制定检索策略。简要而言，检索式包括（“aging” OR “older adult”）AND（“balance” OR “postur”）AND（“fNIRS” OR “EEG” OR “neural activit*”）等关键词。此外，作者（M.B.和A.H.）进行了网站检索（如Google Scholar）并手动检查纳入研究引用的参考文献，以进一步识别潜在相关文章（即引文检索法）。
文献筛选由两位作者（M.B.和A.H.）使用Covidence网络协作软件独立进行。Covidence软件首先自动去除重复文献，使作者能够高效地进行标题和摘要筛选。全文筛选使用研究的Population（人群）、Intervention（干预）、Comparison（比较）、Outcome（结局）和Study design（研究设计）（PICOS）标准进行。文章纳入或排除的分歧在完成摘要和全文筛选后由作者讨论解决。
PICOS资格标准
本系统综述纳入年龄60岁及以上健康、非痴呆成人，包括轻度认知障碍者。然而，涉及神经退行性疾病（如帕金森病、肌萎缩侧索硬化症（ALS）、阿尔茨海默病、多发性硬化等）或肌肉骨骼疾病（如骨关节炎）的OA研究被排除，即使纳入健康OA作为比较组。本综述不适用干预标准。关于比较标准，本综述确实纳入了涉及健康比较组（如健康年轻人（YA）或中年人（MA））的研究。研究符合条件需使用EEG或fNIRS在站立姿势控制任务期间测量皮层活动，并结合感觉操作（如窄支撑面、视觉干扰、泡沫表面）、认知（如运动-运动、认知-运动）和机械挑战（如外部诱发的平台平移）。纳入以英文发表的观察性研究，如横断面设计、临床试验基线数据、二次数据分析和前瞻性队列设计。方案论文、会议摘要和病例报告被排除。
纳入研究质量评估
两位作者（M.B.和K.P.）使用定量研究标准质量评估标准独立进行方法学质量评估。作者之间的评估分歧经讨论解决直至达成共识。该质量评估工具包含14个项目，评估研究方法学质量的范围，包括受试者选择/特征、测量的稳健性和详细结果报告。每个项目以“是”（2分）、“部分”（1分）、“否”（0分）和“不适用”（N/A）作答。最终得分按以下程序计算：（1）总分 =（“是”数 × 2）+（“部分”数 × 1）；（2）可能总分 = 28 -（“N/A”数 × 2）；（3）最终得分 = 总分/可能总分。遵循先前发表的系统综述中使用的方法，最终得分越高反映方法学质量越好，最终得分分为低（<0.70）、良好（0.70–0.79）或强（≥0.80）。
数据提取
纳入研究的数据初始提取由一位作者（M.B.）完成，随后由另一位作者（K.P.）审查其准确性。提取的数据包括：（1）研究特征：研究设计、国家；（2）参与者特征：样本量、年龄、性别、比较组；（3）平衡方案：平衡任务、平衡测量和行为学发现；（4）皮层活动测量；（5）RoI和/或空间位置；（6）皮层活动发现；（7）皮层活动与姿势摆动之间的关联。
数据综合
本系统综述纳入研究的特征综合为三个主要类别：（1）人口统计学特征；（2）研究方法学；（3）主要发现。人口统计学特征总结了纳入研究报告的样本量、年龄、性别和比较组。关于研究方法学，描述了平衡任务、平衡测量、脑测量和ROIs。本综述的主要发现被表征为年龄相关（如OA vs. YA）和任务相关（如基线 vs. 挑战性任务）的OA在涉及感觉、认知和机械挑战的站立平衡任务中的行为学和神经模式。此外，确定了皮层活动如何与OA的平衡表现相关联。鉴于本综述纳入的所有fNIRS研究报告了氧合血红蛋白（HbO2），这是一种稳健可靠的测量指标，与脱氧血红蛋白（HHb）相比与神经活动相关性更强，皮层激活结果基于HbO2。对于EEG研究，本综述的主要结局包括站立平衡任务期间delta、theta、alpha和mu、beta及gamma频带内频谱功率的变化。各种功能连接、事件相关电位和其他EEG衍生测量，如相位-幅值耦合（PAC），在可用时作为次要结局进行综合。PAC是皮层-姿势耦合的指标，量化带特异性EEG振荡的幅值根据姿势波动的相位变化的程度。更强的PAC反映姿势控制期间皮层振荡与姿势动力学之间更大的时间协调。
结果
文献检索与提取研究
上述数据库的初始文献检索产生3,036篇文章，其中1,019篇重复文献由Covidence软件自动排除。在剩余2,017项研究中，摘要/标题筛选排除1,963篇文章，共54项研究进入全文审查。通过全文筛选排除不符合PICOS标准的研究（n = 18）后，共确定36项研究纳入本系统综述。从引文检索中识别出一篇额外符合资格的文章，最终本系统综述共纳入37项研究。
质量评估
在37项研究中，29项（78.4%）表现出较强的方法学质量，7项（18.9%）表现出良好的方法学质量，1项（2.7%）表现出较低的方法学质量。大多数研究（n = 34）未满足或部分满足“控制混杂？”标准。仅有少数研究（n = 9）进行了样本量计算的效能分析并招募了适当数量的参与者。若干研究未正确报告主要结果的方差估计（n = 13），也未说明明确的参与者招募策略（n = 17）。
参与者特征
本综述共纳入1,302名个体，包括788名OA（60.5%）、30名MA（2.3%）和484名YA（37.2%）。纳入研究的总样本量中位数为32（范围：15–95），OA样本量中位数为20（范围：9–46）。大多数参与者为女性（n = 622，56.1%），YA平均年龄范围为19至26岁，MA为46至49岁，OA为65至81岁。
在37项研究中，25项研究招募了健康YA（n = 22）或MA（n = 2）作为对照组。在仅招募健康OA的12项研究中，两项研究额外纳入了轻度认知障碍（MCI）的OA。值得注意的是，Chang等人（2016）将OA参与者分为高或低跌倒风险组。
纳入研究特征
所有研究均采用横断面设计。大多数研究在美国进行（n = 14，38.9%），其次为台湾（n = 8，22.2%）和中国（n = 7，19.4%）。值得注意的是，所有纳入研究均在过去10年内发表，时间跨度为2016至2025年。
纳入研究在站立平衡任务中采用了各种扰动方法。大多数研究操作视觉输入，通过移除视觉信息（即指示参与者闭眼，n = 6）或提供视觉干扰如光学流图像（n = 6）。研究通过使用泡沫表面破坏本体感觉（n = 5）、通过改变偏好站立姿势减小支撑面（如半串联或串联姿势；n = 7），以及纳入平衡板/可移动平台（n = 8）或摆动参考平台（n = 6）来增加姿势需求。十三项研究同时扰动两个或更多感觉输入（如闭眼站在泡沫表面上）。十四项研究在站立平衡任务中使用双任务，包括认知-运动（n = 10）或运动-运动（n = 4），并结合视觉和/或躯体感觉操作。六项研究对参与者进行机械扰动。除使用机械挑战的研究外，每次试验的站立时间中位数为40秒（范围：20–121）。
二十四项研究（64.9%）采用EEG方法学。十二项研究使用频带功率谱作为结局，其中beta（12–30 Hz，n = 12）和alpha（8–12 Hz，n = 10）频带评估最频繁，其次为theta（4–8 Hz，n = 8）、gamma（30–50 Hz，n = 5）和delta（0.5–4 Hz，n = 4）频带。两项研究评估了PAC。若干研究评估了各种指标的功能连接，包括相位滞后指数（PLI）和使用同步似然（SL）的ERP。六项研究还使用相干性分析评估功能连接，其中四项研究在快速alpha频率（10–12 Hz）下测量T3–Fz和/或T4–Fz相干性。Saadat等人（2021）在alpha和beta频带测量了F3–C3、F3–P3、C3–P3、F4–C4、F4-P4和C4–P4相干性。Palmer等人（2021）采用机械扰动，在beta频带评估了Cz–CPz和Cz–AFz上的扰动诱发相干性。四项研究在机械扰动后使用N1和P1潜伏期、N1和P2幅值、仅N1幅值以及均方根（RMS）幅值测量了ERPs。在EEG研究的RoIs方面，额叶区域（n = 21）评估最频繁，其次为中央（n = 18）、顶叶（n = 17）、颞叶（n = 12）和枕叶（n = 11）区域。
皮层活动发现
在EEG研究的频谱功率方面，Bohle等人（2019）发现delta和theta功率随任务难度增加在YA和OA中均增加，额叶区域最为显著；YA相比OA在平衡任务期间表现出更高的delta和theta活动。Alpha活动随任务难度增加而减少，YA的减少幅度更大。Hu等人（2023）发现，在感觉操作（SOT）下，OA在所有姿势控制相关皮层区域表现出显著高于YA的beta功率；在快速机械扰动（MCT）下，OA在Cz处表现出显著高于YA的相对beta功率。Kahya等人（2022）发现，与安静站立相比，双任务诱导中央左侧、中央右侧和后部左侧区域alpha功率显著降低；OA在双任务期间所有皮层区域theta功率和theta/beta比值显著增加。
在功能连接方面，Chan等人（2019）发现较高的运动意识量表（MSRS-C）得分与参与者从宽支撑面转向窄支撑面时T3-Fz相干性变化较小显著相关。Chu和Wong（2019）发现，串联姿势在泡沫表面上的T3–Fz EEG相干性显著高于窄姿势和舒适姿势在泡沫表面上。Huang等人（2017）发现，OA在姿势需求增加时增强了额-感觉运动皮层以及额叶和前额叶皮层之间的功能连接；OA在姿势需求增加时增加了顶-枕连接，而YA在这些区域表现出连接减少。Chen等人（2021）发现，闭眼减弱了额-中央连接，但增强了额-顶-枕连接，尤其是在theta、alpha和beta频带。
在ERP和PAC方面，Huang等人（2017）发现，YA在额叶和感觉运动区域表现出比OA更大的N1幅值；P2幅值在动态表面（稳定平台）上高于坚实表面。Chen等人（2024）发现，YA在theta和alpha活动与姿势摆动的同步性方面优于OA，特别是在FCz和双侧颞-顶-枕区域；OA在左侧初级运动皮层（C3）处表现出beta活动与姿势摆动的更大同步性。Chen等人（2025）发现，间歇性视觉干扰显著增强了theta频带PAC，主要在额-运动区域和顶叶区域；alpha和beta频带PAC也因视觉干扰而增加。
皮层活动与姿势摆动的关联
在EEG研究中，Chen等人（2021）发现，在睁眼条件下，姿势摆动与delta、theta和beta频带的皮层网络显著相关；在闭眼条件下未观察到此类相关。Kahya等人（2022）发现，OA中theta/beta功率比值在前部左侧、中央右侧和后部左侧区域增加较大的个体表现出更大的姿势摆动双任务代价；前部右侧和中央右侧区域alpha功率较大的OA在双任务期间姿势摆动更大。Hu等人（2023）发现，在SOT中，YA在Pz处beta功率与较低的平衡得分（即更大摆动）之间存在显著中等负相关，而OA中无相关；在MCT中，OA在Fz和Cz处相对beta功率与平均潜伏期（即更差平衡）正相关。Chen等人（2025）发现，额叶和感觉运动区域beta频带PAC的标准化变化与短期开环控制的标准化变化之间存在显著负相关。
讨论
本系统综述的主要发现表明，与YA相比，OA在站立平衡任务中表现出任务依赖性皮层调节减弱，皮层活动与姿势摆动之间的关联减弱，以及在机械扰动后感觉运动处理延迟。这些发现与衰老导致皮层参与和感觉运动整合效率下降的观点一致。
在频谱功率方面，OA在挑战性任务中表现出较弱的任务依赖性调节，如delta和theta功率增加较少、alpha去同步减少，以及beta功率调节模式改变。这可能反映了OA皮层资源募集能力下降或皮层抑制/兴奋平衡改变。在功能连接方面，OA在姿势需求增加时倾向于增强额-感觉运动和顶-枕连接，这可能反映了代偿性皮层网络重组。在ERP方面，OA在机械扰动后表现出N1幅值降低和潜伏期延长，表明感觉运动加工延迟。在PAC方面，OA在theta和alpha频带表现出与姿势摆动较弱的耦合，而在beta频带表现出较强的耦合，这可能反映了从自动到更受控的姿势加工策略的转变。
值得注意的是，部分研究提示OA在特定条件下仍能募集额外的皮层资源，这可能反映了代偿过程。例如，OA在姿势需求增加时增强额-感觉运动连接，以及在某些条件下beta功率增加，可能表明OA通过增加认知参与来补偿感觉运动功能下降。
本综述还揭示了当前方法学的重要特征。大多数研究采用横断面设计，使用EEG或fNIRS测量皮层活动。EEG研究最常评估额叶和中央区域，fNIRS研究主要关注前额叶区域。感觉操作（如闭眼、泡沫表面、窄支撑面）是最常见的挑战类型，其次为双任务和机械扰动。
本综述的发现为未来研究提供了基础。需要纵向研究来阐明年龄相关皮层机制的时间进程。标准化测量方案和报告方法将有助于提高研究间的可比性。此外，结合多种皮层测量（如EEG和fNIRS联合）可能提供更全面的皮层活动表征。干预研究应考察皮层活动改变是否可作为平衡训练效果的生物标志物，以及针对皮层机制的干预措施是否能有效降低OA的跌倒风险。
总之，本系统综述表明，衰老与站立平衡任务中任务依赖性皮层调节减弱、皮层活动与姿势摆动关联减弱以及感觉运动处理延迟相关。这些发现增进了对OA姿势控制年龄相关皮层机制的理解，为未来研究和干预提供了重要基础。
