身體活動促進腦的執(zhí)行功能：行為、腦電和核磁共振研究

蔣長好 閻守扶 王守恒

運動機能評定和技術(shù)分析北京市重點實驗室，國家體育總局運動能力評價與研究重點實驗室，首都體育學院（北京 100191）

1 引言

身體活動（physical activity）對認知活動的影響始于Spirduso的研究［1］。該研究發(fā)現(xiàn)，積極參與身體活動的老人比久坐少動的老人的認知表現(xiàn)更好，而且與久坐少動的年輕人的認知表現(xiàn)一樣好，這一研究引發(fā)了身體活動和認知表現(xiàn)研究的熱潮。但是隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)身體活動并非對所有的認知表現(xiàn)均有促進，而是有著選擇性的影響，其中對執(zhí)行功能的影響最大［2］。

執(zhí)行功能也稱執(zhí)行控制，屬于腦的高級或元認知功能，與大腦前額葉等結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)聯(lián)，它管理著其它認知功能、控制情緒調(diào)節(jié)和注意，為意識行為和目標行為服務。執(zhí)行功能包括計劃、任務管理、行為發(fā)動和停止以及語義信息加工等一系列子過程。借助這些過程，個體可以連續(xù)監(jiān)察外部世界、注意相關(guān)的信息、搜集有用的信息、從長時記憶中提取相關(guān)信息、對信息進行處理和整合，最后向特定腦區(qū)發(fā)出恰當?shù)闹噶?，同時抑制不恰當行為，并做出快速而恰當?shù)臎Q策。

當前，身體活動促進腦的執(zhí)行功能日益得到重視，成為運動科學和腦科學等多個學科共同關(guān)注的焦點。在運動科學領域，相關(guān)的研究熱點從早期的加工速度任務，逐漸轉(zhuǎn)移到執(zhí)行功能任務；在腦科學領域，身體活動促進腦的神經(jīng)生長、減緩老化引發(fā)的執(zhí)行功能下降等問題也逐漸成為研究熱點。

2 身體活動對執(zhí)行功能的影響研究

2.1 行為研究

一些執(zhí)行功能如抑制、更新和時間分配會隨年齡的增長而衰退，而身體活動有助于降低這些執(zhí)行功能的老化。如一項研究以349名老人為被試，研究者在測量被試的體能（physical fitness）基線水平后，讓被試完成多種認知任務。研究發(fā)現(xiàn)，基線體能水平更高的被試在6年后的測試中，認知表現(xiàn)也更好，提示基線體能水平對于被試6年后的認知表現(xiàn)具有一定的預測意義［3］。另一項研究以5925名年齡均在65歲以上的老年婦女為被試，這些被試每周作街區(qū)步行，研究發(fā)現(xiàn)，每周作街區(qū)步行的次數(shù)可以預測6～8年后的認知功能狀態(tài)，身體活動基線水平更高的被試6～8年后認知水平下降更?。?］。進一步研究發(fā)現(xiàn)，身體活動特別是有氧鍛煉對認知功能有選擇性影響，即對于需要更大量的執(zhí)行功能的認知任務，身體活動的調(diào)制作用更大。老年化導致執(zhí)行功能的下降很大。這些結(jié)果表明，即使最易于受老年化影響的執(zhí)行功能也會受益于鍛煉干預［2］。

身體活動也有益于中年人的認知保護。一項對1919名36歲的中年被試的研究表明，36歲時身體活動水平高的被試，比身體活動低的同齡被試語言記憶表現(xiàn)更好，而且在被試年齡達到43～53歲時復測結(jié)果表明，在36歲時身體活動水平高的被試仍然比身體活動低的同齡被試的語言記憶表現(xiàn)更好。而空余時間活動如玩游戲、參加宗教活動、演奏樂器則不能產(chǎn)生這一效果。身體活動基線水平高的人具有更低的認知障礙、Alzheimer病及退行性疾病發(fā)生風險［5］。

關(guān)于兒童的研究發(fā)現(xiàn)，體能和兒童的執(zhí)行功能有著積極的關(guān)聯(lián)。如Chaddock等［6］將9～10歲兒童分為高體能組和低體能組，采用編碼再認任務考察體能對兒童的工作記憶影響。研究發(fā)現(xiàn)，在有聯(lián)系編碼條件下，低體能組兒童較之于高體能組兒童再認的記憶成績更差。這一結(jié)果提示，兒童的體能高低是影響相關(guān)記憶材料有效編碼和檢索執(zhí)行控制加工的一個重要因素。此外，Davis等［7］采用隨機控制實驗方法考察有氧運動干預對過重兒童認知功能的影響。研究者將94位平均年齡9歲的過重健康兒童隨機分配至高運動組、低運動組和控制組中，高、低運動組均參與15周、每周5天的運動，其中高運動組每天運動40分鐘，低運動組每天運動20分鐘。認知測驗包括執(zhí)能（計劃能）與非執(zhí)能（專注、同步能和連續(xù)注意能等）兩類。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與20分鐘的低運動組和控制組相比，高運動組的運動干預對認知執(zhí)能有顯著的積極影響，然而對非執(zhí)能的影響較小。這一結(jié)果證明身體活動對于兒童的認知促進具有選擇性。此外鑒于執(zhí)行功能隨兒童年齡增長而發(fā)展，這一結(jié)果提示，身體活動對這一年齡段的執(zhí)行功能發(fā)展特別有益［8］。

2.2 腦電研究

腦電的研究也揭示了與身體活動行為相關(guān)的執(zhí)行功能差異。關(guān)于腦電圖（electroencephalograph，EEG）的基線譜頻分布研究發(fā)現(xiàn)，身體活動更多或有氧體能更好的被試EEG的δ波（0.25～4Hz）、θ波（4～8 Hz）和β波（13～20 Hz）的平均頻率更高，提示身體活動影響基線皮層EEG并進而影響認知操作［9-12］。進一步研究證據(jù)表明，頻譜激活的個體差異與事件相關(guān)電位研究 （event-related potentials，ERP） 的P3成分的個體差異相關(guān)［13，14］。

近些年，采用ERP技術(shù)研究身體活動的認知功效日益受到重視，對少年［15］、青年人［16］和中老年人［10，17，18］的研究發(fā)現(xiàn)，身體活動和有氧體能相關(guān)的差異與P3及錯誤關(guān)聯(lián)負波 （error-related negativity，ERN）成分的相關(guān)指標（波幅和潛伏期）有關(guān)。

許多ERP研究考察了長期鍛煉 （chronic exercise）對老年人認知的影響，目的在于考察長期鍛煉是否有益于降低認知老年化。已有研究發(fā)現(xiàn)，40歲后P3波幅逐年下降，并更多分布于頭皮前部；P3潛伏期逐年增加，表明刺激分類速度隨年齡增長下降［19］。而長期有氧鍛煉參與和P3潛伏期降低相關(guān)聯(lián)，長期參與有氧鍛煉的老年人，其ERP的P3潛伏期更短。一項研究對參與有氧鍛煉和久坐少動的老年人及年輕人的P3成分作了比較，發(fā)現(xiàn)盡管老年人較之于年輕人潛伏期增加 （提示加工速度更慢），但是長期參與有氧鍛煉的老年人和年輕人的P3差異減小，而且參與有氧鍛煉的老年人比久坐少動的老年人P3潛伏期更短。P3潛伏期更短反映更快的認知加工，提示有氧鍛煉有助于減緩年齡相關(guān)的認知下降，保持中樞神經(jīng)系統(tǒng)的健康［20］。另有研究進一步根據(jù)身體活動的參與水平將老年人分為高、中、低身體活動參與組，并和年輕控制組作了比較，發(fā)現(xiàn)P3潛伏期隨身體活動參與水平增加而降低。然而對年輕被試的研究沒有發(fā)現(xiàn)鍛煉的P3潛伏期效應，證實了 P3潛伏期 40歲后會變慢［18］。

長期鍛煉也影響P3波幅。一項以年輕人為對象，采用聽覺和視覺oddball任務的研究發(fā)現(xiàn)，參加有氧運動越多的年輕人，中線位置的P3波幅更大［14］；另一項研究采用任務切換范式（該范式要求被試在不同的任務之間切換），以老人為實驗組、年輕人為控制組，發(fā)現(xiàn)長期鍛煉的老人額區(qū)P3波幅更大，長期鍛煉的年輕人頂區(qū)P3波幅更大［21］。P3涉及刺激加工和記憶更新等認知操作，P3波幅增強反映注意資源分配擴大。

長期鍛煉會提高體能，而體能的高低也會影響P3波幅。如一項研究采用視覺oddball任務，以高低體能的兒童組和匹配的青年組為被試，發(fā)現(xiàn)高體能的兒童大腦中線位置P3波幅更大［15］。另一些研究分別將9～10歲兒童分為高體能和低體能組，要求被試完成flankers任務，這一任務要求在一排分心刺激中識別中央箭頭的朝向。在50%的試次中，分心刺激的箭頭方向和中間線索一致，另有50%的試次中，分心刺激的箭頭方向和中間線索不一致。為了作出正確的反應，要求被試抑制兩側(cè)刺激提供的信息。綜合的研究表明，低體能的兒童反應精確性差，反應時增加，高體能的兒童在各種任務中保持高水平的表現(xiàn)。同時低體能的兒童P3波幅更小，潛伏期更長，而高體能兒童的P3波幅更大。研究者認為，高體能的兒童在對不斷增長的任務需求反應中，表現(xiàn)出調(diào)制行動監(jiān)控能力更強［22-24］。

一些研究還比較了不同體能的被試在錯誤行動情況下，沖突評價引發(fā)的反應監(jiān)控差異。一項研究發(fā)現(xiàn)，與活動少的老年人及體能低的年輕人相比，活動更多的老年人及高體能的年輕人，錯誤反饋引發(fā)的ERN的波幅更?。?5］。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，在任務執(zhí)行期間，身體活動更多或體能更好的被試自上而下調(diào)控能力更強，由此引發(fā)的任務相關(guān)的反應沖突減少。研究者提出，通過自上而下控制調(diào)節(jié)，身體活動對任務表現(xiàn)產(chǎn)生影響，表現(xiàn)為身體活動更多或體能更好的被試對那些緊跟在錯誤行動后試次的反應時間更長［26］。采用偶極子模型等源定位技術(shù)發(fā)現(xiàn)，P3成分產(chǎn)生于包括額葉、前扣帶回、下顳葉和頂葉皮層等構(gòu)成的神經(jīng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡中，ERN 產(chǎn)生于前扣帶回尾部［27，28］。

總之，已有的研究結(jié)果表明：有氧鍛煉參與和控制認知發(fā)展的神經(jīng)電活動的改變相關(guān)聯(lián)。身體活動更多或體能更好的個體在各種認知任務中引發(fā)的P3振幅更大、潛伏期更短，ERN波幅更小。這些結(jié)果提示，身體活動更多或體能更好有益于認知過程，這些認知過程與刺激編碼過程中更多地注意資源分配、更快的認知加工以及更好的抑制與監(jiān)控能力相關(guān)聯(lián)。

2.3 核磁共振研究

執(zhí)行功能和額葉活動密切相連。Kramer等基于核磁共振成像 （magnetic resonance imaging，MRI）研究提出，長期身體活動和額葉的結(jié)構(gòu)與功能有著密切的關(guān)聯(lián)［29］。研究者假設，身體活動對依賴額葉的任務如執(zhí)行控制任務影響最明顯。Kramer隨后在另一項MRI實驗中證實，改善體能的長期身體活動對執(zhí)行功能任務特別有益［30］；另有研究發(fā)現(xiàn)，高體能和體能提高后的老年人，其前額葉和顳葉灰質(zhì)及額葉白質(zhì)的容量更大，而且有更好的認知表現(xiàn)［31］。

體能高低還與基底神經(jīng)節(jié)的容量相關(guān)。Chaddock等［32］研究發(fā)現(xiàn)，認知控制的缺陷與體能差相關(guān)聯(lián)，與基底神經(jīng)節(jié)特定區(qū)域的容量差異相關(guān)?；咨窠?jīng)節(jié)可細分為腹側(cè)和背側(cè)紋狀體，前者涉及對刺激反應挑戰(zhàn)進行認知控制，后者是情感和獎賞通路的一部分。研究者將55名平均年齡為10歲的兒童分為高、低體能組，采用flankers任務考察兩組被試抑制控制能力的差異，同時比較兩組被試與體能相關(guān)的基底神經(jīng)節(jié)容量的差異。研究發(fā)現(xiàn)，低體能兒童腹側(cè)紋狀體的容量更小，同時抑制控制能力更低。同時，體能、抑制與基底神經(jīng)節(jié)的輸出區(qū)蒼白球的容量正相關(guān)，而體能、認知任務表現(xiàn)與較少涉及認知控制的背側(cè)紋狀體的容量無關(guān)。研究者認為，flankers任務表現(xiàn)中的體能差異可能與基底神經(jīng)節(jié)的特定區(qū)域容量有關(guān)。而腹側(cè)紋狀體是和認知控制、動作整合及反應消退相關(guān)的重要結(jié)構(gòu)，對兒童的身體活動行為特別敏感。

海馬也是研究者較多涉及的腦結(jié)構(gòu)。海馬在空間記憶和經(jīng)由對單個項目綁定而形成的新的關(guān)聯(lián)記憶中扮演重要角色。一項MRI研究將49名9～10歲兒童分為高體能和低體能組，考察體能、海馬容量和記憶的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，與高體能兒童相比，低體能兒童雙側(cè)海馬容量更小，關(guān)聯(lián)記憶任務表現(xiàn)更差，而且雙側(cè)海馬容量與關(guān)聯(lián)記憶任務表現(xiàn)相關(guān)，但與非關(guān)聯(lián)記憶任務表現(xiàn)無關(guān)［33］。此外，還有研究發(fā)現(xiàn)，在3個月的體能訓練后，中年被試海馬齒狀回的腦血流量增加［34］。海馬齒狀回的腦血流量增加可看作人類神經(jīng)生長的標志。腦血流量增加與語言學習、記憶和心血管功能的改善相關(guān)聯(lián)［35］。

一些MRI研究也發(fā)現(xiàn)有氧鍛煉干預引發(fā)功能激活模式變化。一項研究考察了6個月的體能干預項目對腦功能和認知的影響，研究以做慢跑等有氧運動的老年人為實驗組，以做拉伸和力量訓練等無氧運動的老年人為控制組，研究者隨機指派被試的干預方式，并要求被試作flanker任務。6個月后的檢測表明，有氧鍛煉組的認知表現(xiàn)提高，特別是對不一致試次（被試需要選擇加工靶刺激，忽視不一致的分心刺激），無氧鍛煉組表現(xiàn)沒有提高。有氧鍛煉組的上頂皮層和額中回 （分別負責空間注意集中和工作記憶中的任務目標維持）的激活增加。無氧鍛煉組的前扣帶回（幫助解決反應沖突）激活增加。研究者認為，這一腦區(qū)活動模式的改變，是因為前額葉對負責刺激分配和選擇加工的紋狀皮層和頂區(qū)的控制更有效。這一結(jié)果提示，促進體能改進的鍛煉參與可能對老年人腦的功能整合起著積極作用［35］。

追蹤研究還發(fā)現(xiàn)身體活動水平降低對執(zhí)行控制的消極影響。一項研究對90名60歲以上的老人身體活動水平和認知功能作了4年的追蹤研究，研究表明，身體活動水平降低的被試整體腦血流減少，并且認知功能降低［36］。這一結(jié)果從另一方面證實了身體活動水平對執(zhí)行控制的影響。

3 研究展望

盡管身體活動促進執(zhí)行功能的研究取得許多令人鼓舞的成果，但總體而言，這方面的研究尚處于初步階段，仍有諸多問題需要進一步考察。

3.1 執(zhí)行功能結(jié)構(gòu)的細分

雖然長期鍛煉促進執(zhí)行功能的研究結(jié)果相當充分，但是鍛煉對執(zhí)行功能的影響究竟是積極的，還是消極的？相關(guān)研究仍不盡一致。如一些研究發(fā)現(xiàn)鍛煉對作決定任務的認知表現(xiàn)促進作用［37，38］；另一些發(fā)現(xiàn)鍛煉對知覺和執(zhí)行功能等認知表現(xiàn)的消極影響［39］。關(guān)于鍛煉對執(zhí)行功能的消極影響，Dietrich［40］提出額葉瞬間激活降低假設，這一假設認為腦內(nèi)的信息加工資源有限，在鍛煉期間，由于對身體運動以及伴隨的生理系統(tǒng)的組織和控制，需要在沒有代謝資源相應增加的條件下募集更多的資源。而鍛煉所需要的資源分配以犧牲信息加工系統(tǒng)中的其他認知需要為代價。這一資源再分配導致與鍛煉相關(guān)的神經(jīng)網(wǎng)絡（如額葉）的暫時抑制。因此，鍛煉期間額葉控制的加工將會受到損害。這一理論得到相關(guān)研究的支持。如有研究發(fā)現(xiàn)，在鍛煉過程中，涉及大量執(zhí)行功能的任務受到損害，而較少涉及執(zhí)行功能的任務不受影響［39］；但另外的研究卻得出不同的結(jié)論，如一項采用檢驗認知靈活性和注意朝向任務的研究發(fā)現(xiàn)，在一次性自行車運動期間，執(zhí)行功能得到促進［41］。由于執(zhí)行功能包括計劃、任務管理、行為發(fā)動和停止等一系列子成分，而調(diào)制不同執(zhí)行功能加工的神經(jīng)結(jié)構(gòu)也不盡相同。上述不同研究結(jié)論之間的差異，可能與不同研究考察的特定成分差異有關(guān)。因此，進一步的研究不僅要確立身體活動對執(zhí)行功能的影響，更重要的是分析身體活動與執(zhí)行功能的特定成分之間的關(guān)系。

3.2 研究條件的控制

一些研究考察同一種執(zhí)行功能結(jié)構(gòu)，然而關(guān)于一次性鍛煉（acute exercise）對執(zhí)行功能影響的研究結(jié)果還存在較大爭議。如一項研究采用聽覺和視覺oddball范式，要求被試用根據(jù)他們年齡預測的最大心率的65～75%的速度騎車。研究發(fā)現(xiàn)，與運動前相比，運動過程中P3波幅更小、潛伏期更短。提示與基線相比，鍛煉期間可獲得的注意資源減少、認知加工速度更快［42］；另一項研究采用聽覺 oddball范式，以經(jīng)訓練的自行車手為被試，要求被試以66%的最大吸氧量運動，鍛煉時間為180分鐘，每隔一段時間（鍛煉開始后的3、36、108和144分鐘） 測量 P3，研究發(fā)現(xiàn)，在鍛煉的第108分鐘P3波幅顯著增加，并維持到144分鐘。P3潛伏期在鍛煉過程中穩(wěn)步增加，并在鍛煉的第108和144分鐘更長。這提示，在長時間鍛煉過程中，注意資源增加、認知加工速度更慢［43］。造成上述差異的原因可能與鍛煉時間、強度、樣本量和電極數(shù)量及鍛煉效應的評估時間等因素有關(guān)。以鍛煉效應的評估時間為例，有研究發(fā)現(xiàn)，在鍛煉停止后，與鍛煉有關(guān)的神經(jīng)激活很快會返回基線，因此對鍛煉后和鍛煉過程中的執(zhí)行功能評估很難達到一致的結(jié)果［39］。未來的相關(guān)研究應控制好研究條件，避免無關(guān)因素的干擾，以利于得出確切的結(jié)論。

3.3 身體活動與生活因素的交互作用

元分析表明，鍛煉對腦及執(zhí)行功能影響過程中，有一些別的因素發(fā)生作用。如有氧鍛煉與力量及靈活性項目結(jié)合比僅僅使用有氧鍛煉有更好的效果。關(guān)于鍛煉對神經(jīng)生長的影響及其與社會因素關(guān)系的研究發(fā)現(xiàn)，較之于社會互動良好的動物，處于社交孤立的動物，鍛煉對其神經(jīng)生長的影響的促進作用大為降低［44］。

也有研究探索各種生活方式因素的獨立和綜合影響。如一項研究對778名平均年齡為75歲的老年人進行了為期3年的追蹤，考察執(zhí)行功能水平、鍛煉和社會參與程度三個因素與降低老年癡呆風險的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有三個因素得分都高的老人，罹患老年癡呆的風險更低［45］。因此，未來的研究應注意進一步考察鍛煉和神經(jīng)生長、社會互動以及飲食干預等其他生活因素對執(zhí)行功能和腦健康的交互影響。

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