《Frontiers in Human Neuroscience》：Cortical activation and functional connectivity during dual-task walking under different cognitive loads: an fNIRS study
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背景：认知-运动双任务处理在日常生活中很常见，但行走过程中与负荷相关的皮质激活和功能连接变化尚未被完全表征。本研究使用功能性近红外光谱(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)检测不同认知需求下的神经和行为反应
背景：认知-运动双任务处理在日常生活中很常见，但行走过程中与负荷相关的皮质激活和功能连接变化尚未被完全表征。本研究使用功能性近红外光谱(functional near-infrared spectroscopy, fNIRS)检测不同认知需求下的神经和行为反应。方法：三十名健康大学生完成了单任务行走(single-task walking, ST)、1-back双任务行走(1-back dual-task walking, DT1)和2-back双任务行走(2-back dual-task walking, DT2)。使用便携式fNIRS记录前额叶、运动和顶叶区域的血流动力学信号。分析了步态参数、认知准确率、双任务成本(dual-task cost, DTC)以及基于感兴趣区(region of interest, ROI)的功能连接(functional connectivity, FC)。结果：皮质激活表现出任务依赖性的区域变化。DT1和DT2期间的FC高于ST期间(p < 0.001)，而随着任务需求增加，认知和步态表现恶化(p < 0.05)。激活-负荷关联在不同条件下也存在差异。结论：在健康年轻人中，双任务行走期间认知需求的增加与皮质激活、区域间连接和行为表现的明显变化相关。这些发现描述了双任务行走中皮质激活和功能连接的负荷相关模式。
本研究旨在探讨不同认知负荷下双任务行走对皮质激活、功能连接及行为表现的影响。日常生活中，人们常需在行走同时进行认知活动，这种认知-运动双任务处理依赖于多个脑区的协调。已有fNIRS研究显示认知负荷增加会降低认知和步态表现，并增强前额叶激活，但较少有研究在行走过程中同时考察参数化工作记忆负荷、区域激活、功能连接、行为双任务成本及主观负荷。因此，研究人员采用同一受试者内设计，结合窄路径行走与听觉n-back任务，系统表征负荷相关的神经和行为变化。研究招募了30名健康大学生（15男15女，平均年龄21.13±2.42岁），要求其完成ST、DT1和DT2三种行走条件，同时记录步态参数、认知准确率、双任务成本、NASA-TLX主观负荷及便携式fNIRS信号。结果显示，皮质激活呈任务依赖性区域改变，DT1和DT2期间功能连接显著高于ST，而认知和步态表现随任务需求增加而下降，激活-主观负荷的相关模式也随任务条件改变。结论表明，健康年轻人在双任务行走中，认知负荷增加伴随皮质激活、功能连接及行为表现的协同变化。
研究人员采用的关键技术方法包括：样本来自天津某高校，共30名健康大学生。实验采用窄路径行走范式（路径宽度为双侧髂前上棘间距的50%）和听觉n-back工作记忆任务（1-back和2-back），以参数化调控认知负荷。使用便携式fNIRS系统（NirSmartII-100Pro）以11 Hz采样，多通道覆盖前额叶、运动及顶叶区域，经MNI坐标配准定义10个感兴趣区。预处理包括坏段去除、运动伪影校正及0.01–0.2 Hz带通滤波，基于修正的Beer-Lambert定律计算氧合血红蛋白浓度变化。FC分析采用ROI间Pearson相关并经Fisher z变换，统计使用重复测量方差分析、Friedman检验及事后多重比较，并执行FDR校正。
研究结果分述如下。
**3.1 fNIRS数据**
**3.1.1 脑激活**
重复测量方差分析显示，RM1、RPFC、RDLPFC、LM1、LPFC、LDLPFC和LPPC存在显著的任务主效应。通道水平比较中，CH18、CH29、CH30、CH33、CH35、CH43和CH48在不同任务间激活差异显著。例如，CH33和CH35在DT1期间激活最高，且显著高于ST和DT2；CH43在DT2期间激活显著高于ST；CH48在DT2期间激活显著高于DT1，但ST高于DT2。这些结果表明，随着认知负荷增加，前额叶和运动相关区域出现非线性的激活变化。
**3.1.2 功能连接**
全脑平均连接强度在ST为0.32±0.14，DT1为0.41±0.14，DT2为0.44±0.14，差异显著（p < 0.001），且DT1和DT2均显著高于ST。ROI间FC分析显示，多个前额-顶叶和感觉运动连接在双任务条件下增强，包括RPFC-RPPC、RDLPFC-RPPC、RDLPFC-LDLPFC、RM1-RS1、LPFC-RPPC、LPFC-LPPC、LDLPFC-LPPC、LS1-RPPC、LM1-RS1、LM1-RPPC和LM1-LDLPFC。其中，RM1-RS1和LM1-RS1连接在DT2时显著高于DT1，而多数连接的DT1与DT2差异不显著。整体上，从ST到DT1再至DT2，多数ROI对间的连接强度呈递增趋势，提示更高认知负荷增强了前额-顶叶和感觉运动网络间的功能耦合。
**3.2 行为数据**
**3.2.1 行走表现**
与ST相比，DT1和DT2的步长和步幅显著缩短，步频显著增加。DT2还引起站立相和摆动相时间显著缩短，而DT1中这两个指标与ST无显著差异。此外，DT2相比DT1进一步缩短步长和步幅，并增加步频，站立相和摆动相时间亦显著减少。
**3.2.2 运动双任务成本**
步长、步幅、步频和站立相的DTC在DT1与DT2间存在显著差异，即DT2的运动DTC大于DT1；摆动相DTC未达显著差异。
**3.2.3 认知表现**
DT2的n-back准确率（93.4±5.1%）显著低于DT1（98.5±3.4%）和对应的认知单任务条件，而DT1准确率与认知单任务无显著差异。
**3.2.4 双任务成本**
认知DTC在DT2期间显著大于DT1，表明更高工作记忆负荷导致更大的认知表现下降。
**3.2.5 相关分析**
皮质激活与NASA-TLX各维度的相关模式随任务条件变化。ST下，仅PPC区域与少数维度相关；DT1下，RM1激活与心理需求、时间需求、努力和总体负荷呈负相关；DT2下，感觉运动区和顶叶区域与多个负荷维度呈正相关。通道水平分析显示，ST时CH18激活与多种负荷维度负相关，CH30与任务表现正相关；DT2时CH35与心理需求等呈负相关。总体而言，随任务负荷增加，相关模式从集中且显著转向分散且减弱。
**讨论总结**
本研究整合了皮质激活、功能连接、行为表现和主观负荷，发现DT2期间前额叶和DLPFC激活降低可能符合补偿相关神经回路利用假说或倒U形工作记忆负荷模型，反映前额叶资源招募模式的改变。功能连接从单任务到双任务显著增强，但DT1与DT2之间多无显著差异，提示FC主要对“双任务”状态敏感，而对负荷增加不敏感。行为表现随负荷下降与容量限制和资源竞争理论一致。不同任务条件下脑激活与主观负荷的相关模式表明，随认知需求提高，主观负荷相关的神经处理逐渐从额叶扩展到感觉运动和顶叶区域。
**结论翻译**
在健康年轻人中，窄基底行走时工作记忆需求的增加伴随更大的认知和行走双任务成本、区域特异性皮质激活变化，以及多个前额-顶叶和感觉运动连接的功能连接增强。这些发现表明，在认知-运动双任务行走中，皮质激活、功能连接和行为表现可能表现出不同的负荷相关模式。该研究的关键贡献在于，在保持行走任务不变的情况下，综合评估了分级工作记忆负荷、皮质激活、多区域功能连接、双任务成本和主观负荷。这一框架提供了负荷相关神经和行为变化的多维表征，并可为设计更精确分级的双任务范式提供参考。未来研究应在更宽的认知负荷范围以及老龄或临床人群中扩展这些发现。
