體力活動(dòng)/鍛煉影響認(rèn)知健康的研究進(jìn)展

曾歷經(jīng)數(shù)萬年，人類為應(yīng)對(duì)饑餓生存壓力下的不時(shí)之需，依賴頻繁的體力活動(dòng)(Physical Activity，PA)來獲取不固定的食物而謀生。由此，環(huán)境選擇性形成了人體基因組 (Booth 和 Lees, 2006)[1]。PA也成為人類面臨生存環(huán)境壓力下的一個(gè)功能構(gòu)成，人體PA基因組選擇性地適應(yīng)了滿足常規(guī)體力活動(dòng)所需的代謝需求。至今，人類習(xí)性中依然繼承著這種適應(yīng)了的長期活躍體力活動(dòng)生活方式的基因組。不幸的是，PA不足已經(jīng)成為現(xiàn)代生活方式的主要特征。越來越多的研究揭示，當(dāng)前這種典型的PA不足生活方式正是導(dǎo)致代謝失調(diào)、肥胖、2型糖尿病、代謝紊亂等靜坐少動(dòng)綜合征的 “元兇”。不僅如此，它還將影響認(rèn)知健康。所謂認(rèn)知健康是指“清晰思考，學(xué)習(xí)和記憶的能力，涉及揭示大腦如何隨著年齡的增長而變化，以及如何保持大腦的認(rèn)知功能處于最佳狀態(tài)”。為推進(jìn)PA與認(rèn)知健康的相關(guān)研究，美國運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)學(xué)會(huì)(ACSM)于2017年5月29日至6月3日在美國丹佛舉辦了第一屆PA/鍛煉(exercise)與大腦基礎(chǔ)科學(xué)國際會(huì)議，對(duì)該領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了全面交流。本文將主要圍繞兒童PA/鍛煉(PA指任何由骨骼肌收縮導(dǎo)致的能量消耗的身體運(yùn)動(dòng)。鍛煉隸屬于PA，涉及有最終和階段目標(biāo)的、有計(jì)劃的、有組織的、重復(fù)的、以保持和/或提高體適能為目的的PA[2-3])、心肺健康(Cardiorespiratory Fitness,CRF,通常用有氧能力表征，即最大攝氧量VO2max或峰值攝氧量VO2peak)與認(rèn)知功能研究的代表學(xué)者Charles H Hillman，與老年P(guān)A/鍛煉、CRF與認(rèn)知健康研究代表學(xué)者Kirk I Erickson等 2個(gè)大會(huì)主題發(fā)言的核心問題為主線，綜述PA/鍛煉與大腦最新研究成果。

1 兒童PA/鍛煉和CRF與認(rèn)知功能

1.1 PA/鍛煉和CRF提高兒童認(rèn)知能力和學(xué)習(xí)成績

Castelli，Hillman等(2007)發(fā)現(xiàn)ISAT(兒童伊利諾州標(biāo)準(zhǔn)學(xué)業(yè)成就測試)得分與PA/鍛煉水平(即20 m往返跑的PACER測試)存在正相關(guān)(R2=0.22)、與體重指數(shù)(BMI)負(fù)相關(guān)(R2=0.06)[4]；此外，美國實(shí)施的一項(xiàng)小學(xué)生PAAC計(jì)劃(持續(xù)3年課間PA/鍛煉的集群隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn)干預(yù)旨在促進(jìn)鍛煉、減少肥胖)，發(fā)現(xiàn)每周75 min以上的中到大強(qiáng)度的鍛煉，不僅明顯降低BMI(R2=0.4159)，而且實(shí)驗(yàn)組在寫作、拼寫、數(shù)學(xué)和綜合能力表現(xiàn)上均優(yōu)于對(duì)照組[5]，而影響學(xué)習(xí)成績表現(xiàn)或與PA/鍛煉引起的注意、信息加工、執(zhí)行功能、記憶等認(rèn)知能力改善有關(guān)；值得注意的是，最近一項(xiàng)采用分層回歸分析的研究發(fā)現(xiàn)，與女性兒童相比，僅僅CRF水平高的男性兒童表現(xiàn)出更佳的工作記憶，存在性別的選擇性差異[6]。更為重要的一點(diǎn)，用學(xué)習(xí)成績度量認(rèn)知能力不盡確切，學(xué)習(xí)成績并非注意、記憶和執(zhí)行功能等認(rèn)知能力的準(zhǔn)確反映，且受到測試者測試時(shí)間限制的影響。如果說信息處理速度提高可以提升特定時(shí)間內(nèi)的考試表現(xiàn)，卻不能斷言提升了獲取新知識(shí)的能力，因此關(guān)注PA/鍛煉或CRF改變兒童獲取新信息的速度似乎更有必要[7]。

1.2 PA/鍛煉和CRF提高兒童認(rèn)知能力的機(jī)制

一是腦功能適應(yīng)性變化。美國FITKids(課后鍛煉計(jì)劃)的一項(xiàng)長期隨機(jī)對(duì)照研究揭示，持續(xù)9個(gè)月的每天放學(xué)后進(jìn)行70 min以上的鍛煉，實(shí)驗(yàn)組的有氧能力VO2peak百分位變化顯著高于對(duì)照組、BMI均增加但實(shí)驗(yàn)組增幅較小，表明實(shí)驗(yàn)組健康水平更高，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)組flank任務(wù)和轉(zhuǎn)換任務(wù)中的反應(yīng)準(zhǔn)確性顯著提高、腦電圖中P3幅度較大。該研究大致揭示了在需要較高執(zhí)行控制的任務(wù)中，運(yùn)動(dòng)干預(yù)組通過提高兒童有氧能力和降低BMI改善了認(rèn)知表現(xiàn)和腦功能[8];另一項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照研究采用BOLD-fMRI技術(shù)(血氧水平依賴功能磁共振成像)檢驗(yàn)了8～9歲兒童，每周5次，每次76.8 min中到大強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)，持續(xù)9個(gè)月后，在注意與干擾控制任務(wù)中額葉前皮層BOLD響應(yīng)降低；二是大腦結(jié)構(gòu)適應(yīng)性變化。 Chaddock L等發(fā)現(xiàn)兒童有氧能力較高與其大腦海馬回體積更大有關(guān)，且關(guān)系記憶任務(wù)表現(xiàn)更佳[9]；Chaddock-Heyman L等也就此進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究，發(fā)現(xiàn)兒童中有氧能力高均引起基底神經(jīng)節(jié)體積[10]等白質(zhì)微結(jié)構(gòu)[11]、額葉前皮層[12]、上額皮質(zhì)、顳上區(qū)和枕葉外側(cè)皮質(zhì)的灰質(zhì)厚度[13]、血管增生和微循環(huán)[14]等適應(yīng)性變化。由此，指出有氧能力高的兒童涉及注意控制的基底神經(jīng)節(jié)中的背側(cè)紋狀體體積增加，而白質(zhì)結(jié)構(gòu)完整性可能是有氧能力改善灰質(zhì)區(qū)域及區(qū)域整合到網(wǎng)絡(luò)中的有效連接的神經(jīng)機(jī)制。有氧能力在大腦成長過程中的皮層灰質(zhì)變薄具有積極作用，可能是提高工作記憶的機(jī)制。有氧能力與海馬區(qū)血流變化有關(guān)，并且，可能會(huì)影響大腦通過血液流動(dòng)調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)和記憶區(qū)域的代謝需求。這些結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出有氧能力改善認(rèn)知控制能力的腦結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。概言之，通過PA/鍛煉或CRF水平的改善來促進(jìn)大腦結(jié)構(gòu)和功能的適應(yīng)性改變，進(jìn)而提高因子釋放水平,包括神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)、血清胰島素生長因子(IGF-1)、血管內(nèi)皮生長因子(VGEF)，以及通過提高心血管健康來達(dá)到營養(yǎng)運(yùn)輸和廢物清除能力的提升。

1.3 改善兒童認(rèn)知健康的運(yùn)動(dòng)劑量效應(yīng)

Davis等進(jìn)行3個(gè)月的隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，每天20 min(低劑量)和40 min(高劑量)的平均心率(166±8)次/min的有氧運(yùn)動(dòng)干預(yù)，與不參加運(yùn)動(dòng)的對(duì)照組比較，干預(yù)組的執(zhí)行功能、數(shù)學(xué)成績顯著較高，且觀察到伴隨雙側(cè)前額葉皮層活動(dòng)增加和雙側(cè)后葉皮層活動(dòng)減少，兩種劑量之間無差異[15];Hillman等設(shè)計(jì)的一次性20 min的60% HRmax中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)改善反應(yīng)準(zhǔn)確性、增加P3振幅和小學(xué)生WRAT 3學(xué)習(xí)成績[16]，同樣Pontifex 等發(fā)現(xiàn)20 min的65%～75%HRmax一次性有氧運(yùn)動(dòng)顯著提高多動(dòng)癥和健康小學(xué)生的神經(jīng)認(rèn)知功能(P3振幅增加和潛伏期縮短)和抑制控制(反應(yīng)準(zhǔn)確性和相關(guān)刺激處理水平)，閱讀和算術(shù)成績也優(yōu)于對(duì)照組[17];此外，Kao 比較了20 min平均(66%±3%)HRmax的ACE(中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng))、20 min平均40%HRmax休息、9min平均(85%±5%)HRmax的HIIT(低運(yùn)動(dòng)量大強(qiáng)度間歇運(yùn)動(dòng))后認(rèn)知能力的變化，ACE和HIIT組完成flanker任務(wù)時(shí)反應(yīng)速度比休息組更快，HIIT組在完成需要高抑制控制的任務(wù)時(shí)反應(yīng)準(zhǔn)確性均高于ACE組和休息組，ACE組P3振幅最大，HIIT組的P3振幅和潛伏期均小于休息組。ACE和HIIT都能以不同神經(jīng)激活方式改善抑制控制功能。[18]由此，長期鍛煉方案中的運(yùn)動(dòng)劑量從低到高、一次性鍛煉方案中的中等劑量和HIIT都可能帶來認(rèn)知功能的改善，尤其是HIIT被認(rèn)為是一次性短期鍛煉的有效方法，它對(duì)成年人、青少年、兒童等群體中認(rèn)知和學(xué)業(yè)獲得都有改善效應(yīng)，但是數(shù)據(jù)有限。

1.4 小結(jié)與展望

關(guān)于兒童鍛煉與大腦/認(rèn)知的研究相對(duì)于其它年齡段所取得的研究成果和進(jìn)展是相對(duì)系統(tǒng)和成熟的。(1)可以基本明確的一些結(jié)論：雖然發(fā)現(xiàn)多種認(rèn)知能力受益于PA/鍛煉或CRF水平，最有力的證據(jù)是對(duì)執(zhí)行功能和海馬區(qū)記憶力的改善。執(zhí)行功能包括認(rèn)知操作的子集如抑制、工作記憶、思維靈活性，由此對(duì)應(yīng)環(huán)境交互中的選擇、安排、協(xié)調(diào)等能力；涉及海馬基礎(chǔ)關(guān)系或聯(lián)想記憶，有賴于海馬區(qū)的功能整合。執(zhí)行功能是學(xué)業(yè)成績的一個(gè)潛在變量，海馬區(qū)對(duì)學(xué)習(xí)和記憶非常重要。進(jìn)而提出了兒童積極參與PA/鍛煉與提高學(xué)業(yè)成績有關(guān)，有氧能力與大腦結(jié)構(gòu)和功能有關(guān)，有益于提高需要認(rèn)知控制任務(wù)的執(zhí)行能力，并且有一些證據(jù)表明存在線性與非線性劑量關(guān)系；許多證據(jù)表明，一次性PA/鍛煉對(duì)大腦或認(rèn)知能力有瞬時(shí)效應(yīng)，但仍然存在許多挑戰(zhàn)。(2)存在一些不足和后續(xù)改進(jìn)之處：一是缺乏基于理論指導(dǎo)性的研究；二是認(rèn)知效益評(píng)估方法手段不一致，難以鑒別出提高兒童認(rèn)知功能的最佳方式；三是需要選擇信效度更好，且準(zhǔn)確性、靈敏性高的PA/鍛煉和學(xué)習(xí)成績測量方法；四是需要更多的擴(kuò)大樣本規(guī)模、RCTs(隨機(jī)對(duì)照組研究設(shè)計(jì))以及干預(yù)組、非干預(yù)組與無聯(lián)系組的研究來繼續(xù)推進(jìn)，其中的大規(guī)模研究可以借助現(xiàn)代流行智能手機(jī)技術(shù)來展開；五是應(yīng)用非線性統(tǒng)計(jì)學(xué)方法提高識(shí)別劑量關(guān)系的準(zhǔn)確性；六是實(shí)驗(yàn)室研究和真實(shí)環(huán)境中的研究需要更加密切聯(lián)系在一起，進(jìn)而將實(shí)驗(yàn)室的成果轉(zhuǎn)化到現(xiàn)實(shí)生活中，最終如何將這些研究成果轉(zhuǎn)化為日常生活的公共政策是未來研究的需求。

2 老年人PA/鍛煉和CRF與認(rèn)知健康

2.1 PA/鍛煉激活老年人認(rèn)知健康

Sofi F等對(duì)15篇隊(duì)列研究進(jìn)行Meta分析[19]，PA/鍛煉參與年限為1～12年的共有33 816名老年人，發(fā)現(xiàn)與靜坐少動(dòng)的對(duì)照組比較，高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)可有效抑制38%的認(rèn)知能力下降風(fēng)險(xiǎn)，即便是低到中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)也能顯著降低35%的認(rèn)知能力退化風(fēng)險(xiǎn)；Hamer M等基于16篇前瞻性研究的Meta分析發(fā)現(xiàn)，基線水平PA較高可降低癡呆患病風(fēng)險(xiǎn)的28%，患阿爾茲海默癥風(fēng)險(xiǎn)的45%[20]；Colcombe S等同樣基于18篇針對(duì)老年人運(yùn)動(dòng)干預(yù)實(shí)證研究的Meta分析也顯示，PA/鍛煉可顯著且選擇性改善認(rèn)知表現(xiàn)，其中受益最大的是執(zhí)行控制過程。同時(shí)，PA/鍛煉或CRF水平對(duì)認(rèn)知影響的幅度受到其它變量的影響，如PA/鍛煉的時(shí)長、類型、參與頻率、參與對(duì)象的性別比等。從近期神經(jīng)科學(xué)和心理學(xué)數(shù)據(jù)可知，不止于嬰幼兒期的大腦，認(rèn)知和神經(jīng)可塑性畢生都有發(fā)生。[21]Halloway S等對(duì)近年來耐力性運(yùn)動(dòng)引起中老年人大腦健康的RCTs研究進(jìn)行系統(tǒng)綜述，在6篇結(jié)合MRI和神經(jīng)認(rèn)知方法的研究中，一致發(fā)現(xiàn)PA/鍛煉可顯著改善中老年人的執(zhí)行功能[22]。綜合而言，PA/鍛煉和CRF對(duì)年齡有關(guān)的認(rèn)知障礙和功能衰退風(fēng)險(xiǎn)具有一定保護(hù)效應(yīng),能夠提高大腦功能的可塑性。

2.2 PA/鍛煉引起老年人大腦結(jié)構(gòu)與功能適應(yīng)性變化

一是PA/鍛煉和高CRF水平可增加海馬區(qū)和前額葉皮層體積。在控制年齡、性別、受教育年限條件下，老年人CRF水平(VO2peak)高與左、右側(cè)海馬區(qū)體積正相關(guān)，并且它們也與空間記憶表現(xiàn)相關(guān)。海馬區(qū)體積是健康水平與提高空間記憶的一個(gè)中間變量[23]；59名健康靜坐少動(dòng)的60～79歲志愿者，參加了6個(gè)月隨機(jī)試驗(yàn)，一半老年人參與有氧運(yùn)動(dòng)和另一半?yún)⑴c牽拉或塑形運(yùn)動(dòng)的干預(yù)組，20名年輕成年人作為不參加運(yùn)動(dòng)干預(yù)的對(duì)照組。發(fā)現(xiàn)僅有氧運(yùn)動(dòng)組老年人的大腦白質(zhì)和灰質(zhì)體積顯著增加，青年組大腦灰質(zhì)和白質(zhì)體積沒有顯著變化。表明CRF水平與老年人腦組織的保護(hù)有關(guān)，白質(zhì)和灰質(zhì)體積的適應(yīng)性改變或是老年人中樞神經(jīng)系統(tǒng)健康和認(rèn)知功能的重要生物學(xué)基礎(chǔ)[24]；為驗(yàn)證高水平的有氧能力和執(zhí)行功能提高是否受到前額葉皮層灰質(zhì)體積增加的調(diào)節(jié)，一項(xiàng)142名健康老年人的橫斷面研究發(fā)現(xiàn)，CRF水平(VO2max)高者與認(rèn)知測試成績正相關(guān)，且與包括前額葉背外側(cè)在內(nèi)的幾個(gè)區(qū)域中較大的灰質(zhì)體積有關(guān)。其中，右下額回的體積和中央回起到了CRF與stroop測試之間的調(diào)節(jié)作用，前額葉背外側(cè)雙邊不重疊區(qū)域起到了CRF水平與空間工作記憶準(zhǔn)確性的調(diào)節(jié)作用。表明CRF水平可能通過減少健康老年人目標(biāo)區(qū)域的腦萎縮來提高大腦認(rèn)知功能[25];最近一項(xiàng)薈萃分析研究了14篇共737名受試，沒有發(fā)現(xiàn)有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)整個(gè)海馬區(qū)體積的顯著影響。但是，與控制組相比，有氧運(yùn)動(dòng)可以顯著增加人類左側(cè)海馬區(qū)的大小。因果分析揭示運(yùn)動(dòng)可阻止海馬區(qū)萎縮[26]。二是PA/鍛煉或CRF水平與大腦白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的聯(lián)系。最新的一項(xiàng)老年人實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)(一組113人，一組154人)，高的VO2max與白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)改變有關(guān)，即便控制年齡、性別和教育程度也表現(xiàn)出一致的結(jié)果，并且發(fā)現(xiàn)白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)是調(diào)節(jié)VO2max和空間工作記憶表現(xiàn)的重要的中間變量[27]。三是PA/鍛煉增強(qiáng)大腦額-顳-頂連接。一項(xiàng)采用最新的網(wǎng)絡(luò)科學(xué)方法來揭示PA/鍛煉引起老年人海馬區(qū)神經(jīng)電生理變化，將健康老年分為教育干預(yù)對(duì)照組與運(yùn)動(dòng)干預(yù)實(shí)驗(yàn)組，測試4個(gè)月干預(yù)前后的靜息大腦血流變化。發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干預(yù)組海馬區(qū)腦血流量顯著高于教育干預(yù)對(duì)照組。并且，實(shí)驗(yàn)組海馬區(qū)始終顯示前扣帶皮層這一相同網(wǎng)絡(luò)模塊的血流量變化?？梢?，運(yùn)動(dòng)干預(yù)增加了海馬回與前扣帶皮層的網(wǎng)絡(luò)連接。該研究驗(yàn)證了網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)特征和大腦血流量之間的聯(lián)系，功能性腦網(wǎng)絡(luò)的改變可能是導(dǎo)致老年人鍛煉后認(rèn)知功能改善的原因[28]；另一項(xiàng)為期一年的有氧運(yùn)動(dòng)干預(yù)和無干預(yù)對(duì)照實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，有氧訓(xùn)練可提高老年大腦休息時(shí)在更高層次的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)中的功能效率。一年的步行顯著提高了前額葉和海馬區(qū)功能連通性。此外，還發(fā)現(xiàn)PA/鍛煉持續(xù)時(shí)間也是一個(gè)重要因素，與6個(gè)月步行比較，步行12個(gè)月之后才觀察到效果。同樣，拉伸運(yùn)動(dòng)干預(yù)組在6個(gè)月后出現(xiàn)默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)(DMN)連通性增加，12個(gè)月后出現(xiàn)額葉執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)(FPN)連通性增加，它們均可能是PA/鍛煉誘發(fā)大腦可塑性的特異反映。功能連通性增強(qiáng)影響認(rèn)知行為，這為PA/鍛煉誘發(fā)老年大腦系統(tǒng)功能可塑性提供了證據(jù)，而運(yùn)用功能連通性技術(shù)為揭示PA/鍛煉緩解年齡衰老相關(guān)的腦功能障礙的提出了新見解。[29]PA/鍛煉引起老年人腦結(jié)構(gòu)和功能適應(yīng)性變化雖有不同，但基于此改善老年認(rèn)知健康的主要機(jī)制，與兒童群體基本一致。

2.3 改善老年人認(rèn)知健康的PA/鍛煉方案與劑量效應(yīng)

一項(xiàng)基于310名輕度認(rèn)知障礙老年人的數(shù)據(jù)證實(shí)，控制年齡后，中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)(3.0～5.9 METs)與海馬體積有正相關(guān)，低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)(1.5～2.9 METs)和總體運(yùn)動(dòng)量與海馬體積沒有關(guān)聯(lián)。通過結(jié)構(gòu)方程分析，中等強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)不是直接作用于記憶功能，而是通過海馬體積的中間變量產(chǎn)生效益。海馬體積下降顯著且直接導(dǎo)致記憶表現(xiàn)低下。[30]另一項(xiàng)120位健康老年人隨機(jī)分成有氧運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)組和拉伸運(yùn)動(dòng)對(duì)照組，分別運(yùn)動(dòng)干預(yù)6個(gè)月和12個(gè)月，發(fā)現(xiàn)有氧運(yùn)動(dòng)組CRF水平提高更多，海馬區(qū)和內(nèi)側(cè)顳葉體積增加。由此對(duì)比，認(rèn)為僅有氧運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練增加了前海馬區(qū)體積，進(jìn)而改善空間記憶，同時(shí)，伴隨血清BDNF(腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子)濃度變化。而拉伸組出現(xiàn)海馬區(qū)體積萎縮[31]。有研究將輕度認(rèn)知障礙(MCI)女性老年人隨機(jī)分成有氧運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)組、抗阻訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)組、平衡和形體訓(xùn)練對(duì)照組，每周干預(yù)2次共6個(gè)月。與對(duì)照組比較，有氧運(yùn)動(dòng)組顯著提高了左(5.6%)、右(2.5%)及整個(gè)海馬區(qū)(4%)體積，考慮到基線認(rèn)知功能，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組左側(cè)海馬體積增加與干預(yù)后損失指數(shù)下降的語言記憶和學(xué)習(xí)表現(xiàn)獨(dú)立相關(guān)。有氧運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練顯著增加海馬區(qū)體積，海馬與其他腦區(qū)之間的連通性受到白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響。 因此，在這些群體中單獨(dú)增加海馬體積可能不會(huì)導(dǎo)致記憶改善。需要更多研究來確定PA/鍛煉誘發(fā)的海馬體積變化與MCI老年人記憶表現(xiàn)的相關(guān)性。相比較而言，抗阻訓(xùn)練沒有增加海馬區(qū)體積。[32]然而，也有研究指出抗阻運(yùn)動(dòng)同樣對(duì)老年大腦健康有積極效益，Nagamatsu L S等發(fā)現(xiàn)抗阻訓(xùn)練可顯著改變與記憶表現(xiàn)有關(guān)的腦功能區(qū)域的腦血流量，增強(qiáng)大腦功能可塑性，而有氧運(yùn)動(dòng)無此作用[33]。有氧運(yùn)動(dòng)和抗阻運(yùn)動(dòng)是運(yùn)動(dòng)干預(yù)最常見的方案，現(xiàn)有文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)一次急性和長期持續(xù)的方案都有效，長期持續(xù)時(shí)間從3個(gè)月至24個(gè)月，每周2～5次不等[26]。但有氧運(yùn)動(dòng)和抗阻運(yùn)動(dòng)通過不同的方式作用于大腦和認(rèn)知功能。“有氧運(yùn)動(dòng)和抗阻運(yùn)動(dòng)均可提高成年大鼠依賴海馬區(qū)的空間學(xué)習(xí)和記憶力，但有氧運(yùn)動(dòng)傾向于提高海馬區(qū)的BDNF水平，而抗阻運(yùn)動(dòng)傾向于提高IGF-1水平。[34]”不過，PA/鍛煉的具體效益又同時(shí)受到性別、基因多態(tài)性的交互影響。具體而言，運(yùn)動(dòng)類型可能與性別共同調(diào)節(jié)大腦健康；PA/鍛煉對(duì)不同性別的認(rèn)知健康效益可能不同，女性大于男性；APOE4和BDNF Val66Met等基因多態(tài)性可能與性別共同調(diào)節(jié)PA/鍛煉改造大腦的效益。[35]

2.4 小結(jié)與展望

當(dāng)前關(guān)于PA/鍛煉或CRF改善老年人認(rèn)知健康的研究，可以明確的一些結(jié)論：①有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)老年大腦有廣泛效益；②老年人即便每周3次中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)就足夠改善大腦健康水平；③老年人任何時(shí)候開始參與PA/鍛煉都不是徒勞的，尤其是那些不愛活動(dòng)的老年人群，將受益更大。但依然存在如下問題和后續(xù)研究建議，①大多數(shù)RCT受試樣本規(guī)模過小(N<100),可能導(dǎo)致假陽性結(jié)果和影響研究結(jié)論的穩(wěn)健性；②監(jiān)測運(yùn)動(dòng)干預(yù)的不一致性：有專業(yè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測的，也基于日常家居生活自評(píng)的；很多研究沒有報(bào)告心率監(jiān)測、RPE數(shù)據(jù)等；許多實(shí)驗(yàn)沒有報(bào)告堅(jiān)持實(shí)驗(yàn)的人數(shù)比率或堅(jiān)持人數(shù)太低(<40%)；③很多實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)沒有標(biāo)明是否與研究受試簽訂參與實(shí)驗(yàn)的意愿協(xié)議，或未報(bào)告評(píng)估中的單盲或雙盲與否等；④很多研究沒有報(bào)告基線PA/鍛煉水平，未按國際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)來度量運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的具體細(xì)節(jié)；⑤運(yùn)動(dòng)干預(yù)的持續(xù)時(shí)間也存在不一致，跨度從4周到18個(gè)月不等，而多數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明PA/持續(xù)時(shí)間越長對(duì)認(rèn)知水平的改善越顯著；⑥運(yùn)動(dòng)干預(yù)強(qiáng)度的多樣性，從低等負(fù)荷強(qiáng)度、到中等負(fù)荷強(qiáng)度都有涉及；⑦很多研究中沒有報(bào)告運(yùn)動(dòng)負(fù)荷監(jiān)測、CRF水平評(píng)估、PA/鍛煉客觀監(jiān)測的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致無法量化評(píng)比；⑧對(duì)照組的運(yùn)動(dòng)類型多不一致，包括日?；顒?dòng)、靜息不動(dòng)、教育活動(dòng)，拉伸和塑形等；⑨缺乏個(gè)體差異性測評(píng)或控制其它變量的統(tǒng)計(jì)處理(如性別、年齡、心理健康狀態(tài)等)；⑩認(rèn)知能力質(zhì)量評(píng)估手段的可能偏差 ，如僅10 min內(nèi)評(píng)估了一般認(rèn)知功能，而其它認(rèn)知測試花數(shù)小時(shí)；元分析則往往融合了不同運(yùn)動(dòng)干預(yù)的類型(如太極拳、瑜伽、步行、舞蹈等)等。因此，建議后續(xù)研究擴(kuò)大樣本規(guī)模(N>100)；規(guī)范測量PA/鍛煉、CRF和認(rèn)知效益評(píng)估的方法和手段；引入多變量控制和非線性等更合理的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法；國內(nèi)多進(jìn)行傳統(tǒng)體育項(xiàng)目的長期深入研究等。最為重要的一步是將PA/鍛煉的發(fā)現(xiàn)作為促進(jìn)健康老齡化的策略。但依然面臨著如下挑戰(zhàn)：①缺乏不同年齡階段PA/鍛煉與生理變化關(guān)系的縱向數(shù)據(jù)；②僅僅開始研究了PA/鍛煉對(duì)兒童的影響，PA/鍛煉對(duì)后期成年影響的潛在機(jī)制研究需跟進(jìn)；③在這些運(yùn)動(dòng)干預(yù)研究中，后續(xù)跟蹤研究推斷潛在的長期健康益處尚不足；④PA/鍛煉暴露的年齡段與并發(fā)或三聯(lián)多重慢性病的關(guān)系尚缺乏數(shù)據(jù)。

3 其它問題的研究動(dòng)態(tài)

3.1 青年人群PA/鍛煉改造大腦研究不多且尚存爭議

關(guān)于青年人群的研究無論在本次大會(huì)還是現(xiàn)有文獻(xiàn)中都相對(duì)較少，其原因或是一般認(rèn)為青年人群的海馬體既不會(huì)再發(fā)育，也不會(huì)萎縮，PA/鍛煉的效益不會(huì)明顯；另一方面或是研究經(jīng)費(fèi)資助上更偏向兒童和老年等弱勢(shì)群體。閱讀了7篇關(guān)于PA/鍛煉與青年大腦關(guān)系的大會(huì)墻報(bào)，其中，有3篇報(bào)告了有積極效益，3篇報(bào)告了沒有效益，另1篇不僅未發(fā)現(xiàn)有氧能力與認(rèn)知功能的關(guān)系，且與BDNF及其Irisin等生物標(biāo)記有負(fù)相關(guān)。然而，最新的一項(xiàng)研究(Schwarb H，2017)提出，以海馬體積(組織成分的總代謝)來評(píng)估海馬結(jié)構(gòu)中的個(gè)體差異無法揭示微觀結(jié)構(gòu)組織特征，尤其對(duì)于健康青年人海馬區(qū)完整性的微觀結(jié)構(gòu)可能有不同變化，這種細(xì)小的體積差異更加難以反映青年人腦組織結(jié)構(gòu)和認(rèn)知功能。由此，采用新型核磁共振彈性成像技術(shù)對(duì)鍛煉與健康青年人大腦影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了海馬體粘彈性與關(guān)系記憶任務(wù)的表現(xiàn)有關(guān)，有氧能力(VO2max)越高也與海馬體粘連性相關(guān)，海馬體粘彈性作為調(diào)節(jié)CRF改善記憶功能效益的中間變量?？芍?，海馬粘彈性可能為微觀組織及其對(duì)健康年輕人認(rèn)知的影響提供了更為敏感的測量尺度。[36]

3.2 PA/鍛煉帶來腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)表達(dá)增加的分子機(jī)制

哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Wrann C D博士研究發(fā)現(xiàn)了蛋白水解酶剪切Ⅲ型纖連蛋白組件包含蛋白5(FNDC5，基因)后形成的可分泌多肽片段及其分泌形式“Irisin”通道，一種新發(fā)現(xiàn)的骨骼肌合成、分泌的細(xì)胞因子和活性多肽被稱作肌肉因子，以及它們?cè)谏窠?jīng)系統(tǒng)中的作用及其治療神經(jīng)退行性疾病潛力，在此基礎(chǔ)上提出FNDC5/Irisin作為一種新的PA/鍛煉改造大腦的分子作用機(jī)制。[37]為該領(lǐng)域研究的分子水平打開了一個(gè)新視野。

4 結(jié)束語

自1970s第一次較系統(tǒng)驗(yàn)證鍛煉與腦的關(guān)系至今，一年一度的ACSM年會(huì)于2017年首次將鍛煉與大腦基礎(chǔ)科學(xué)列入大會(huì)主題，彰顯該主題的重要價(jià)值和廣闊前景，且需構(gòu)建全球?qū)W術(shù)共同體來共同推進(jìn)。大會(huì)傳達(dá)的學(xué)術(shù)信息可謂承上啟下，針對(duì)不同年齡人群綜述了PA/鍛煉對(duì)大腦有積極效益。其中的兒童與老年人是本次大會(huì)的主要共識(shí)之一，而兒童較老年人的研究更為全面和系統(tǒng)，但各自仍然存在許多研究設(shè)計(jì)和方法運(yùn)用上的改進(jìn)空間。此外，關(guān)于PA/鍛煉與大腦的作用機(jī)制問題主要聚焦于大腦血流變化、腦神經(jīng)再生，初現(xiàn)分子或基因水平的機(jī)制，但有待結(jié)合新技術(shù)新方法進(jìn)一步探究。PA/鍛煉與青年人大腦的研究，尤其特殊人群，如在自動(dòng)化或半自動(dòng)化背景下的復(fù)雜人機(jī)交互系統(tǒng)中降低中青年操作者的人為差錯(cuò)、中青年認(rèn)知缺陷人群理療等相關(guān)研究或許同樣具有重要意義，而如何逐步將PA/鍛煉與大腦的研究成果轉(zhuǎn)化為學(xué)校教育、老齡化問題等公共服務(wù)政策更是面臨的主要挑戰(zhàn)。

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Abstract

Objective：To clarify the important theoretical and practical significance of physical activities/exercise and brain-related research in the global "brain plan" context and aim at academic frontiers. Methods：Based on the opportunity of the 64th Annual Meeting of American College of Sports Medicine and the First International Conference on Basic Science of Exercise and the Brain, this paper makes a systematic review of 40 years of research on the relationship between physical activities/exercise and brain. Results: An increasing number of studies have consistently demonstrated that cardiorespiratory fitness or aerobic capacity as well as physical activities that help improve the capacity have positive effects on the cognitive health of the brain, which, in addition to modifying the structure and function of brain, increase the levels of brain-derived neurotrophic factor (BDNF), insulin-like growth factor 1, (IGF-1), and vascular endothelial growth factor (VGEF) through a highly-accepted mechanism based on animal models, and enhance nutrient transport and waste clearance by increasing cardiorespiratory fitness. Among them, the current research on children population is relatively systematic and comprehensive, and is followed by that on the elderly population. Conclusion:Although there are many reproducible results about the brain function and structure, including the explanation for the molecular level, the establishment of the specific association mode between exercise, brain and cognition still faces harsh challenges and needs continuous improvement and research . This article also gives some suggestions for future research.

Keywords:physicalactivities/exercise;brain;cardiorespiratoryfitness;aerobicexercise;cognitivehealth

CLCnumber：G804.5Documentcode：AArticleID：1001-9154(2018)02-0097-07