運動對殘疾兒童及認知功能障礙兒童學(xué)習(xí)記憶功能的影響

王弘　楊莉　姜泉花

摘 要 在生物和臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，國內(nèi)外近年來的研究發(fā)現(xiàn)，青少年、尤其有身體殘疾的青少年進行的身體活動，與其認知功能的改善是相互關(guān)聯(lián)的。由于缺乏積極的運動，有身體殘疾的青少年與他們的同齡人相比較難從運動中受益，尤其在心血管健康和腦健康方面。動物實驗研究表明，體力活動增強了學(xué)習(xí)和記憶功能，降低了激活神經(jīng)再生的閾值，并且在神經(jīng)系統(tǒng)受傷后或神經(jīng)退行性疾病中，促進了神經(jīng)保護作用。臨床研究表明，運動鍛煉能增大腦容量，尤其在與加工、執(zhí)行動作相關(guān)的腦區(qū)。有研究表明，為使神經(jīng)營養(yǎng)因子最優(yōu)化，運動強度應(yīng)選擇中等強度，長時間低強度持續(xù)運動能使神經(jīng)營養(yǎng)因子維持增長，而以腦損傷大鼠模型為實驗對象的一項研究表明，高強度運動上調(diào)了應(yīng)激激素、皮質(zhì)醇和腎上腺素的水平。因此，對于具有極高神經(jīng)可塑性的青少年兒童大腦而言，中等強度的適量運動是極其重要的，可能對于殘疾兒童更具有決定性的作用。

關(guān)鍵詞 運動 神經(jīng)可塑性 神經(jīng)營養(yǎng)因子 腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子 康復(fù)

中圖分類號：R749.94 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.09.070

Abstract This commentary reviews selected biomedical and clinical research examining the relationship between physical exercise and cognitive function especially in youth with disability. Youth with physical disability may not benefit from the effects of exercise on cardiovascular fitness and brain health since they are less active than their non-disabled peers. In animal models，physical activity enhances memory and learning， promotes neurogenesis and protects the nervous system from injury and neurodegenerative disease. In clinical studies， exercise increases brain volume in areas implicated in executive processing， improves cognition in children with cerebral palsy and enhances phonemic skill in school children with reading difficulty. Studies examining the intensity of exercise required to optimize neurotrophins suggest that moderation is important. Sustained increases in neurotrophin levels occur with prolonged low intensity exercise， while higher intensity exercise， in a rat model of brain injury， elevates the stress hormone， corticosterone. Clearly， moderate physical activity is important for youth whose brains are highly plastic and perhaps even more critical for young people with physical disability.

Keywords Neurotrophin； neuroplasticity； brain-derived neurotrophic factor； BDNF； rehabilitation

0 前言

眾所周知，運動能增強體質(zhì)，促進健康，提高心肺適能，維持肌肉骨骼系統(tǒng)機能。近年來，運動與認知這一領(lǐng)域正在迅速發(fā)展、并逐漸得到關(guān)注。殘疾兒童每天要在看電視上花費大于4小時，這一時間相當(dāng)于正常兒童的2倍，因此，殘疾兒童不僅在心肺適能、肌肉骨骼系統(tǒng)功能上表現(xiàn)更差，由于殘疾他們也難從運動中獲益。

一項針對于成年人的研究顯示，耐力運動對于認知能力具有保護作用，能防止認知功能下降，尤其在執(zhí)行計劃與工作記憶方面。在認知任務(wù)中，運動能提高注意力與行為表現(xiàn)。在一項針對腦卒中模型大鼠的研究中，跑步運動能使神經(jīng)元樹突分支增多，并且增強前肢運動技能的再學(xué)習(xí)。如今，在運動如何能影響執(zhí)行和控制的機制方面，有三種猜想。一是在與運動控制相關(guān)的重要腦區(qū)，運動能提高其氧飽和度、促進血管再生。克雷默等人發(fā)現(xiàn)，行走運動等能使健康的老年人利用氧的速率提高，這對于提高反應(yīng)速率以及執(zhí)行力至關(guān)重要。第二種猜想是運動能提高大腦神經(jīng)遞質(zhì)的水平，比如5-羥色胺和去甲腎上腺素，從而促進信息傳遞。在小于70%最大攝氧量（中等強度）的運動中，有研究學(xué)者通過腦電圖檢測到了喚醒水平的提高。第三種假設(shè)是，運動上調(diào)了神經(jīng)營養(yǎng)因子，比如腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子，胰島素樣神經(jīng)生長因子-1，堿性成纖維細胞生長因子，這些神經(jīng)營養(yǎng)因支持著大腦發(fā)育和突觸發(fā)生。換句話說，對于身體殘疾的青少年兒童而言，他們的大腦面臨著學(xué)習(xí)新知識和面對新的認知挑戰(zhàn)，因此需要更多的體力活動。

1重要的神經(jīng)營養(yǎng)因子

神經(jīng)營養(yǎng)因子一直以來被認為是在神經(jīng)元形成過程中對其生長和分化起中介作用的蛋白質(zhì)。而近年來發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)營養(yǎng)因子是維持成人神經(jīng)元生存能力的重要物質(zhì)，在神經(jīng)元受到傷害和老化過程中對其起到保護和修復(fù)的作用。神經(jīng)元被認為是“可塑的”，突觸間傳遞的效力是可變的，而神經(jīng)營養(yǎng)因子恰恰是神經(jīng)元可塑性的調(diào)節(jié)物質(zhì)，具有活動（功能）依賴性。除此之外，神經(jīng)營養(yǎng)因子還能調(diào)節(jié)編碼功能蛋白的靶基因、酶以及神經(jīng)遞質(zhì)，從而起到調(diào)節(jié)神經(jīng)元形態(tài)和功能的作用。神經(jīng)營養(yǎng)因子對于神經(jīng)元可塑性的這種功能，對于保持記憶以及各種知識（如空間、認知和運動）的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）在大腦的記憶中心海馬，對于神經(jīng)可塑性的起著關(guān)鍵的中介作用。有實驗研究表明，在BDNF作用于大鼠海馬幾秒鐘后，突觸的信號傳遞和反應(yīng)便得到了增強，BDNF也增多了突觸的數(shù)量，增強了神經(jīng)元軸突和大腦皮層的聯(lián)系。[1]當(dāng)大鼠腦中關(guān)鍵的BDNF的表達被阻斷后，大鼠表現(xiàn)出學(xué)習(xí)和記憶的障礙。[2]更重要的是，體力活動能增強大鼠腦的BDNF表達，以及通過調(diào)控基因的表達和信號傳輸路徑來影響突觸功能。endprint

2運動和神經(jīng)再生

神經(jīng)再生發(fā)生在海馬和室下區(qū)，并且運動能調(diào)控這種神經(jīng)元增殖的發(fā)生。[3]最近的研究表明，在腦卒中大鼠模型實驗中，運動和環(huán)境增強因素能促使干細胞遷移并移植到大腦受傷區(qū)域并促進感覺運動功能的恢復(fù)。運動可能會增強神經(jīng)活動并提高神經(jīng)營養(yǎng)支持的基線，為神經(jīng)元提供必備的信號來整合神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)。在腦發(fā)育的過程中，干細胞（包括內(nèi)生的以及移植的）和運動的作用研究，對于殘疾和認知障礙兒童是至關(guān)重要的，值得深入探究。

3運動增強認知功能

大鼠模型中，一周的自愿運動能增強BDNF表達，提高其在水迷宮測試（一種空間記憶測試）中的表現(xiàn)。這一結(jié)論已被其他研究者證實，在正常大腦以及損傷大腦都成立。有證據(jù)表明，運動-認知現(xiàn)象同樣存在于人類大腦中，尤其是年輕人。兒童有氧適能與神經(jīng)元放電（誘發(fā)電位P3波幅）、認知速度以及執(zhí)行控制測試中的表現(xiàn)均呈正相關(guān)。有學(xué)者運用元分析方法證實了學(xué)齡兒童的體力活動、認知功能以及學(xué)習(xí)成績之間存在的正相關(guān)性。即使體力活動易被其他因素，諸如IQ、社會地位等所影響，但以上結(jié)果仍然是令人信服的。

在兩年的隨機控制實驗隨訪調(diào)查中，雷諾茲和尼克爾森[4]發(fā)現(xiàn)，六周的家庭感覺運動項目訓(xùn)練，增強了36個有語言障礙（部分有失讀癥）兒童在學(xué)校的閱讀表現(xiàn)。每天練針對小腦和前庭的家庭訓(xùn)包括單腳站立、旋轉(zhuǎn)、跳躍、平衡板站立、串列步列，投球以及接球。學(xué)生們在閱讀準(zhǔn)確性，發(fā)音技巧方面有所提高，注意力難以集中的癥狀得到改善，并且在學(xué)校的標(biāo)準(zhǔn)化考試中成績顯著提高。這些結(jié)果表明，運動的益處不僅體現(xiàn)在心血管方面，體力活動的這些效應(yīng)，對于表面上看起來毫不相關(guān)的執(zhí)行處理腦區(qū)有著廣泛的影響。更進一步說，維索爾倫等人的研究表明，持續(xù)八個月，每周兩次，每次45分鐘的訓(xùn)練，不僅能提高7-20歲腦中風(fēng)患者的有氧能力，并且能顯著提高他們的認知功能和生活質(zhì)量。有趣的是，4個月后停止訓(xùn)練的參與者在體適能指標(biāo)回到基線后，仍然維持著認知功能的提高。這項研究支持了關(guān)于殘疾兒童的運動-認知交互作用理論，即運動訓(xùn)練在促進殘疾兒童身體健康和活動能力的同時，也促進了其執(zhí)行功能。將來的研究在評價運動訓(xùn)練對于身體健康以及運動功能的作用的同時，也應(yīng)該評價認知、情感以及生活質(zhì)量等的指標(biāo)。

4運動保護神經(jīng)系統(tǒng)

身體活動能降低記憶和認知功能下降的速度，通常記憶和認知功能的下降發(fā)生在正常老化和阿茲海默等病理狀態(tài)下。最近的研究表明，運動能提高堅持鍛煉的健康人群的腦容量。在一項研究中，研究者利用MRI來檢測腦容量，59名年齡在60-79歲的人被隨機分為有氧運動組和安靜對照組，運動方案為六個月，每周三次，每次一個小時。結(jié)果顯示，有氧運動組前額葉腦容量增大，而前額葉與命令的加工處理、注意力的控制以及記憶功能是密切相關(guān)的。

在一項嚙齒類腦中風(fēng)模型動物試驗中，腦中風(fēng)前兩周每天進行0.8千米的自愿運動，能夠提高多個腦區(qū)在中風(fēng)后的神經(jīng)元存活率和節(jié)余量?？_等人已經(jīng)證實，在腦損傷嚙齒類動物模型，中等強度的運動（每天1km）能夠促進功能性恢復(fù)以及神經(jīng)元的節(jié)余，他們分別在海馬退化（常見于阿茲海默綜合癥）、腦干損傷以及遺傳性小腦退行性病變中證實了這一點。染毒的動物在腦損傷前運動有助于神經(jīng)元存活和節(jié)余，而在染毒后運動五周效果更好。運動能維持小腦浦肯野細胞的功能，并且能夠防止遺傳性小腦退行性病變的共濟失調(diào)。雖然人、尤其是年輕人的神經(jīng)保護作用研究還較少，但是在神經(jīng)生物學(xué)領(lǐng)域的研究成果還是很引人注目的。關(guān)于一個缺乏運動的人在面臨神經(jīng)系統(tǒng)疾病以及神經(jīng)退行性病變時，是否更加缺乏保護機制這一問題，值得深入探究。

5適宜的運動量

如果運動對于大腦是有益的，那么接下來的問題便是，多大的運動量是適宜的呢？一項在37個研究（包含1306個受試者，其中有兒童、青少年和老人）的基礎(chǔ)上進行的元分析表明，盡管大部分研究結(jié)果顯示運動對于認知功能是有益的，但是單從心血管機能的角度進行解釋是不足以令人信服的。運動對于執(zhí)行功能的影響并不依賴于運動量，意味著體適能越好并不意味著認知方面的作用更顯著。事實則相反，體適能獲益與認知功能獲益呈負相關(guān)。在一項關(guān)于閱讀障礙兒童的研究中，研究結(jié)果顯示，從以提高平衡力和協(xié)調(diào)性的運動項目中，兒童的認知功能得到了改善。這意味著，以提高認知功能為目的的體力活動，可能并不需要有以提高心肺適能為目的的體力活動那么大的運動量。然而也有一些研究表明，劇烈運動、而不是中等強度的運動，能夠增強神經(jīng)遞質(zhì)的水平，提高執(zhí)行表現(xiàn)。因此，能引起運動-認知效應(yīng)的運動量閾值還有待進一步研究。

有研究使用了腦中風(fēng)成年大鼠模型，運用不同參數(shù)的跑步運動，使運動對于大腦的神經(jīng)化學(xué)作用最優(yōu)化，讓大鼠在轉(zhuǎn)輪上自愿運動30 — 60分鐘，然后60分鐘后，檢查腦組織中腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子和其他的神經(jīng)可塑性標(biāo)志物含量。[5]使用遙感技術(shù)來監(jiān)測運動強度，有助于分析結(jié)果以及臨床應(yīng)用。盡管60分鐘的運動后即刻海馬BDNF快速上調(diào)，但是長時間低強度（用心率控制）運動兩小時后可以檢測到BDNF更多更持續(xù)的上調(diào)。這暗示了臨床康復(fù)應(yīng)該采用持續(xù)性、間歇性、低強度的訓(xùn)練，這能夠提高腦卒中后海馬BDNF水平，以建立“神經(jīng)可塑性環(huán)境”來促進康復(fù)。劇烈的運動會促進皮質(zhì)醇和腎上腺素的分泌，而這兩種壓力激素會下調(diào)BDNF的表達，因此，適度的身體活動有助于大腦健康。

6臨床注意事項

眾所周知，當(dāng)今社會的人們?nèi)狈\動。這種運動缺乏對于大腦健康的影響尚未定論。希爾曼等人[6]指出，兒童時代的體育運動，對于大腦結(jié)構(gòu)和功能的影響最為深遠，但是對于殘疾兒童，最大的挑戰(zhàn)是找到加強體育運動的正確途徑?？档热苏{(diào)查了造成146名年齡在12-19歲間的殘疾兒童缺乏運動的因素后，結(jié)果表明一些客觀因素比如缺乏時間、疼痛或不舒適感、缺乏與同伴一起運動的場地、天氣狀況以及人們異樣的眼光等是主要因素。而殘疾的成年人缺乏運動的原因主要有，心理障礙（動機和自我束縛）。而通過運動處方的制定、立法等手段，這些障礙都應(yīng)該被清除。這些年輕的患者應(yīng)該被給予運動的權(quán)利，因為運動有助于他們的身體健康和認知功能改善。endprint

參考文獻

[1] White L， Volfson Z， Faulkner G， et al. Reliability and Validity of Physical Activity Instruments Used in Children and Youth with Physical Disabilities： A Systematic Review.[J]. Pediatric Exercise Science，2015.

[2] Wendell C R， Gunstad J， Waldstein S R， et al. Cardiorespiratory Fitness and Accelerated Cognitive Decline With Aging[J]. The Journals of Gerontology： Series A， 2014.69（4）：455-462.

[3] Themanson J R， Hillman C H. Cardiorespiratory fitness and acute aerobic exercise effects on neuroelectric and behavioral measures of action monitoring[J].Neuroscience，2006.141（2）：757-767.

[4] McMorris T， Collard K， Corbett J， Dicks M， Swain JP. A test of the catecholamines hypothesis for an acute exercisecognition interaction. Pharmacology and Biochemistry of Behavior 2008.89：106-115.

[5] Hicks AU， Hewlett K， Windle V， Chernenko G， Ploughman M， Jolkkonen J， et al. Enriched environment enhances transplanted subventricular zone stem cell migration and functional recovery after stroke. Neuroscience 2007.146：31-40.

[6] Ding Q， Vaynman S， Akhavan M， Ying Z， Gomez-Pinilla F.Insulin-like growth factor I interfaces with brain derived neurotrophic factor-mediated synaptic plasticity to modulate aspects of exercise-induced cognitive function. Neuroscience 2006.140：823-833.endprint