運動對各年齡階段人群腦健康的影響及機制研究進展①

魏勝敏，高前進

石家莊學院體育學院運動人體科學實驗中心，河北石家莊市050035

據(jù)預測，到2050年，全球老年人口將達到21億[1]。80歲及以上老年人口數(shù)量迅猛增加，長壽同時也伴隨著功能障礙增多，生活質(zhì)量下降，以及患有多種慢性疾病，包括與增齡有關的神經(jīng)退化性疾病。阿爾茨海默病(Alzheimer's disease,AD)是一種主要表現(xiàn)為認知、記憶及理解能力下降的疾病，該病與衰老密切相關，發(fā)病機理復雜。AD防治應重視早期干預，包括注意優(yōu)化早年腦發(fā)育，促進神經(jīng)元可塑性，保持認知功能完整[2]。

運動能增加認知功能，對抗包括AD在內(nèi)的神經(jīng)退化性紊亂，還可以減少諸如焦慮，沮喪等[3]心理性疾病的發(fā)生。以往認為，運動對腦健康的影響是間接的，主要通過減少影響腦健康的危險因素，如肥胖、糖尿病、心血管疾病以及癌癥等。然而人體和動物實驗表明，運動能直接增強腦健康，提高認知功能，主要影響腦的結構和功能[4]。運動對腦血管、神經(jīng)營養(yǎng)因子、應激和炎癥的影響也影響腦健康[5]。運動還能促進神經(jīng)可塑性，即人一生中腦連續(xù)適應生活的能力和神經(jīng)元再生的能力[6]。

運動對不同年齡階段腦及認知功能的影響不同：青少年進行有規(guī)律的運動可以優(yōu)化影響腦發(fā)育成熟的神經(jīng)環(huán)境和增強認知發(fā)展[7]；中年進行有規(guī)律的鍛煉可通過減少心腦血管事件風險，增加腦血流量，增進腦健康和認知功能[8]；老年進行有規(guī)律運動，對維持腦連接成分完整、預防認知功能降低非常重要[9]。

1 兒童青少年

1.1 兒童青少年時期腦發(fā)育特征

從嬰兒、兒童到青少年，腦發(fā)育經(jīng)歷顯著性的變化。在最初2年，腦質(zhì)量增長最快[10]。3～6歲時，腦發(fā)育仍較迅速，神經(jīng)纖維分支加多加長，這有利于神經(jīng)元聯(lián)系的形成；6歲左右，大腦半球一切神經(jīng)傳導通路幾乎都已髓鞘化，身體在接受刺激后，可以快速、準確地傳到大腦皮質(zhì)高級中樞。大腦皮質(zhì)各區(qū)間增加了暫時聯(lián)系的可能性，分化作用也大大加強，條件反射的形成比較穩(wěn)定。7～8歲的兒童大腦半球繼續(xù)發(fā)育，接近成人腦質(zhì)量(1350～1400 g)，同時神經(jīng)細胞體積增大，細胞分化基本完成，神經(jīng)細胞突起分支更密，出現(xiàn)許多新的神經(jīng)通路；大腦額葉迅速生長，使兒童運動的正確性、協(xié)調(diào)性得到發(fā)展；由于大腦發(fā)育，抑制能力及分析綜合能力加強，工作能力也逐漸增強，兒童的行為變得更加有意識。9～16歲少年腦質(zhì)量增加不多，主要進行腦的結構和功能復雜化過程，神經(jīng)聯(lián)絡纖維數(shù)增加，聯(lián)絡神經(jīng)元的結構和皮質(zhì)細胞結構功能發(fā)展和形成，這是聯(lián)想、推理、抽象和概括思維的物質(zhì)基礎，是大腦功能進一步成熟的標志，大腦的認知功能明顯增強[11]。

1.2 運動對腦發(fā)育的影響

越來越多的證據(jù)表明，兒童時期有規(guī)律的運動能影響大腦灰質(zhì)和白質(zhì)的完整性，對認知功能的發(fā)展有重要意義[12]。影像學研究顯示[13]，相對于心肺適能低的兒童，心肺適能高的兒童腦背側(cè)紋狀體體積增大，背側(cè)紋狀體與注意力調(diào)節(jié)有關，較大體積的背側(cè)紋狀體與較高的認知控制能力相關，這種相關性是運動影響認知功能的機制之一。海馬在學習和記憶形成中起著重要的作用。一項關于9～10歲兒童的研究證實[14]，與低心肺適能組相比，高心肺適能組樹突棘和齒狀回外錐體細胞分枝增加，雙側(cè)海馬體積增大，相關記憶任務表現(xiàn)更佳；雙側(cè)海馬體積能夠調(diào)節(jié)有氧運動與相關記憶之間的關聯(lián)性。

腦白質(zhì)束微結構的完整以及對灰質(zhì)的連接功能對認知功能非常關鍵。白質(zhì)束在灰質(zhì)間起傳遞神經(jīng)沖動的作用，促進基本和復雜認知過程完成[15]。白質(zhì)微結構的特性是“經(jīng)歷依賴”，以及對心肺適能水平敏感[16]，已觀察到心肺適能較高的兒童白質(zhì)纖維束的結構完整性明顯強于心肺適能較低的兒童[7]?？傮w來講，較高的心肺適能與較高的白質(zhì)完整及髓鞘形成相關，帶來更準確的神經(jīng)傳遞。

1.3 運動對青少年認知功能的影響

有學者觀察了一次急性運動對青少年認知功能的影響[17]。運動由多組項目組成，持續(xù)40 min左右，研究證實一次急性運動和青少年認知功能呈正相關關系，尤其執(zhí)行功能對運動特別敏感。急性運動之所以對認知功能有影響，主要是由于增加腦血流量，腦額葉區(qū)氧供增加；而規(guī)律的長期運動訓練引起的執(zhí)行力增強，可能主要是白質(zhì)微結構優(yōu)化，提高中樞之間的連接和傳遞速度[18]。

已有研究證明，青少年時期運動對腦健康帶來的益處能夠惠及晚年腦健康?？v向的跟蹤研究數(shù)據(jù)表明，在15～25歲進行有規(guī)律的運動，與62～85歲時較好的認知功能相關[19]。對9000名婦女的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，年輕時運動越積極，晚年患認知功能障礙的可能性越低[20]。因此應鼓勵和倡導兒童青少年早期進行運動訓練。確定早年腦健康和認知功能發(fā)展的運動處方是當前緊迫的任務。

2 中年

2.1 成年人腦特征

正常成人在30～90歲間丟失15%左右大腦新皮質(zhì)組織[21]。大腦皮質(zhì)發(fā)育頂峰在青春期，然后開始下降，呈現(xiàn)倒“U”型，并且呈現(xiàn)出區(qū)域差異，如額葉和頂葉的皮質(zhì)發(fā)育軌跡在12歲時達到頂峰，顳葉在16歲，而枕葉皮質(zhì)的增加一直持續(xù)到20歲[22]。隨著年齡增長，體力活動減少，心血管健康以及認知功能下降與大腦皮質(zhì)和皮質(zhì)下區(qū)域的功能和結構改變一致，包括海馬、顳葉皮質(zhì)、頂葉皮質(zhì)和前額葉皮質(zhì)等[23]。大部分關于體力活動對灰質(zhì)影響的研究都采用神經(jīng)影像學技術，并報道灰質(zhì)密度和特定腦區(qū)灰質(zhì)總體積的變化。

2.2 運動對中年人腦健康和認知功能的影響

大腦皮質(zhì)變化遵循一定的模式：運動時皮質(zhì)體積增加，運動停止后皮質(zhì)體積增加的趨勢消退。一項研究調(diào)查20名健康成人志愿者(11名女性，9名男性)[24]，發(fā)現(xiàn)在運動中雙側(cè)額葉、顳葉和扣帶回皮層灰質(zhì)暫時增加；練習1周后枕部灰質(zhì)也暫時增加，但練習停止后上述腦區(qū)灰質(zhì)增加現(xiàn)象消失。運動總量的增加與灰質(zhì)體積增加一致，運動總量越大，灰質(zhì)體積越大。在健康成年人中，有較高心肺適能者前頂葉灰質(zhì)體積較大[25]。一項研究使用越野行走和體操訓練6個月進行干預，干預后前額葉皮層和扣帶回皮層體積增加，且與運動量呈正相關[26]。有研究認為[27]，評估基線水平的步行距離可以預測9年后灰質(zhì)體積的變化，運動量增大往往伴隨著灰質(zhì)體積增大，包括額葉、顳葉和枕葉區(qū)域。

參與運動可以緩解與年齡相關的腦體積下降趨勢，對于年齡相關的內(nèi)側(cè)顳葉萎縮有選擇性調(diào)節(jié)作用。運動較少的中年人內(nèi)側(cè)顳葉呈明顯年齡相關體積下降，而運動較多的中年人則未出現(xiàn)這種現(xiàn)象，表明運動對中年人內(nèi)側(cè)顳葉完整性具有潛在保護功能[28]。心肺適能與海馬體積顯著相關，更年輕和心肺適能更好的人群，大腦海馬體積往往更大；心肺適能較高的中年人對海馬體積具有更強的保持作用，并與更準確、更快的空間記憶和更少的遺忘片段有關[29]。一項隨機對照試驗顯示，運動訓練增加2%海馬體積，有效防止1～2年內(nèi)由于增齡引起的海馬體積減少；海馬體積增加與腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)的增加相關，BDNF是齒狀回神經(jīng)形成的中介物[30]。

中年時期有規(guī)律的運動訓練可以保持甚至提高晚年的腦健康和認知功能。

3 老年

3.1 老年人腦及認知功能變化

60歲以后認知功能加速下降，老年人的認知過程，如工作記憶、思維速度均下降，尤其執(zhí)行功能最易受年齡影響[31]。大量神經(jīng)結構和生理功能隨增齡發(fā)生改變，主要包括突觸密度減少、線粒體失功能、代謝率改變、氧化應激和神經(jīng)炎癥增加等[32]。60歲以后，大多數(shù)腦區(qū)灰質(zhì)每年萎縮0.5%～1%，與記憶力降低相關[33]；尤其發(fā)生在前額葉皮質(zhì)和海馬區(qū)的灰質(zhì)和白質(zhì)萎縮，嚴重影響老年人執(zhí)行功能和記憶力[34]。

3.2 運動是判斷老年人認知功能的預測指標

老年個體之間認知功能障礙的發(fā)生不同，運動可以作為預測認知功能的指標，經(jīng)常久坐被認為是認知功能下降和癡呆發(fā)展的風險因素[35]。Santos-Lozano等[36]認為，70～80歲老年人提前5年甚至更早些，每周進行150 min中高強度運動，比同年齡不運動老人患老年癡呆的風險降低40%。最近的一項研究表明[37]，60歲以上老年人身體活動量越小，癡呆的風險越高，甚至比高運動量的同年齡老年人提早10年患癡呆。這項研究也提示，較大的灰質(zhì)量和海馬區(qū)腦量與較高水平的運動量相關。這些研究與運動的神經(jīng)保護作用的研究結果一致。

3.3 運動對老年人腦神經(jīng)保護的作用機制

運動對老年人腦的保護作用是通過提高心肺適能和腦白質(zhì)微結構完整性而達到的。與經(jīng)常久坐的成年人相比，常年參加有氧運動的老年人白質(zhì)信號異常降低80%[38]。老年人心肺適能與腦白質(zhì)的完整性相關，腦白質(zhì)廣泛分布于腦灰質(zhì)之間，具有神經(jīng)信號傳遞的功能[39]。一項Meta分析證實，老年人較大運動量和白質(zhì)損傷減少以及較大白質(zhì)量之間存在正相關[40]。老年人運動量大，心肺適能較高，可能對大腦有更多保護作用，這種保護作用并非一般的簡單體力活動所能達到。如較高的心肺適能與腦的靜息態(tài)默認功能網(wǎng)絡功能提高相關，靜息態(tài)默認功能網(wǎng)絡由扣帶回后部皮質(zhì)、楔前葉、前額葉內(nèi)側(cè)皮層構成，是大腦在靜息狀態(tài)時存在的有組織的網(wǎng)絡，最易受增齡影響[41]。這些發(fā)現(xiàn)說明，只有達到一定運動強度才能提高心肺適能，心肺適能增加與額葉和顳葉的白質(zhì)微結構以及短期記憶力的提高相關。

有氧運動和抗阻力訓練對老年人認知功能都有益。86名70～80歲的婦女分別進行抗阻力訓練和戶外步行訓練6個月，對照組進行平衡和拉伸練習，發(fā)現(xiàn)抗阻力訓練顯著提高老年婦女空間工作記憶能力，而有氧步行訓練對言語學習有益，有氧運動和抗阻力訓練對認知功能有不同影響[42]。

運動訓練還增加BDNF水平。BDNF是齒狀回神經(jīng)形成的中介物，神經(jīng)再生可能是運動促進老年人認知功能提高的機制之一，BDNF的增加提高了老年人腦的神經(jīng)可塑性[43]。

總之，低水平體力活動是認知功能障礙或癡呆的危險因素。大量研究支持運動對老年人腦健康和認知功能的有益作用。那些有較大運動量的人有較大的灰質(zhì)和白質(zhì)，腦白質(zhì)的完整性更高。在認知功能障礙發(fā)生前，盡早從事運動是最有效的預防和延遲老年癡呆的策略。

有氧運動與腦健康存在正相關。美國運動醫(yī)學會運動指南推薦，老年人每周進行不少于150 min中等強度運動，即每周5 d，每次30 min中等強度有氧運動，或最少每周60 min劇烈有氧運動(每次20 min，每周3次)[44]。宜于老年人參與的有氧運動包括太極拳、健身氣功、八段錦等。老年人還應重視力量訓練，盡可能保持肌肉量[45]。

老年人健身要注意安全，盡可能在專人指導下進行鍛煉或老年人集體進行鍛煉，這樣效果較好。

需要特別說明的是，社會角色、心理、日常生活活動能力等方面的改變也會影響認知功能。

4 小結

運動對腦健康和認知功能有益，無論兒童青少年、中年還是老年，運動對腦健康有長期持續(xù)的有益影響。雖然增齡可引起腦血管病、腦灰質(zhì)和白質(zhì)結構異常以及AD，但是運動可通過改善腦血管活動，增加腦血流量，增加腦灰質(zhì)量和改善白質(zhì)完整性等機制，對抗腦萎縮，提高認知功能。

值得注意的是，青少年和中年時期運動對腦健康帶來的益處能夠惠及晚年腦健康。因此我們應該強調(diào)終身體育意識，提高老年生活質(zhì)量。

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