鍛煉對(duì)腦老化的影響及其機(jī)制

蔣長好，高志青，陳婷婷

當(dāng)前我國逐漸邁入老齡化社會(huì)，老年人是人口中的脆弱群體，其身體機(jī)能衰退，同時(shí)認(rèn)知功能下降、老年癡呆的發(fā)病率也在逐年升高。因此，如何保持老年人身心健康已日益受到社會(huì)重視。已有行為研究表明，鍛煉不僅可以促進(jìn)身體健康，也能減緩老年人的認(rèn)知功能衰退。腦影像研究發(fā)現(xiàn)。鍛煉能夠緩解因年齡增長而出現(xiàn)的大腦退化現(xiàn)象，對(duì)老年人大腦結(jié)構(gòu)、功能產(chǎn)生可塑性影響。本文對(duì)近年相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了回顧和分析。

1 鍛煉改善大腦功能

1.1 鍛煉增強(qiáng)大腦激活

老化會(huì)導(dǎo)致大腦神經(jīng)資源不可逆轉(zhuǎn)損失，妨礙大腦工作時(shí)所需的資源募集。已有研究表明，相比年輕人，老年人在完成認(rèn)知任務(wù)特別是執(zhí)行功能任務(wù)時(shí)腦激活更低[1]。但是，大量的腦科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，鍛煉可以增強(qiáng)老年人的大腦腦區(qū)激活，逆轉(zhuǎn)老化的不良影響。如一項(xiàng)研究采用事件相關(guān)電位（Event-relat-ed Potentials，ERP）技術(shù)考察了鍛煉對(duì)老年人大腦神經(jīng)活動(dòng)的影響。研究者以長期參加有氧鍛煉的老年人、久坐少動(dòng)的老年人及年輕人為研究對(duì)象，比較了3組被試ERP的P3成分差異。研究發(fā)現(xiàn)，盡管老年人比年輕人P3潛伏期更長，但對(duì)比2組老年被試發(fā)現(xiàn)，長期參加有氧鍛煉的老年人比久坐少動(dòng)的老年人P3潛伏期更短，長期參加有氧鍛煉的老年人和年輕人的P3潛伏期差異也更小，P3潛伏期越長，表明認(rèn)知加工速度越慢[2]。這一結(jié)果提示，有氧鍛煉助于緩沖年齡相關(guān)的認(rèn)知加工速度下降。另一項(xiàng)研究以60名老年人為被試，比較不同鍛煉對(duì)老年人腦電相關(guān)成分波幅的影響。根據(jù)被試以前的鍛煉經(jīng)驗(yàn)，將他們分配到有氧運(yùn)動(dòng)組，協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)組或?qū)φ战M，在被試完成認(rèn)知控制任務(wù)的同時(shí)記錄其ERP。行為研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鍛煉組較之于非鍛煉組、高體能被試較之于低體能被試，前者認(rèn)知表現(xiàn)更好。ERP結(jié)果表明，鍛煉組較之于非鍛煉組，P3波幅更大、N450波幅更小[3]。研究者認(rèn)為，P3波幅增強(qiáng)反映注意資源分配擴(kuò)大，N450更小反映大腦前扣帶激活更低，提示鍛煉對(duì)腦功能的促進(jìn)。

也有ERP研究比較了不同鍛煉參與水平老年人的認(rèn)知表現(xiàn)及腦電特征，考察鍛煉對(duì)腦功能的影響。如一項(xiàng)研究按有氧鍛煉水平將老年人分為高、中、低鍛煉組，要求被試完成認(rèn)知控制任務(wù)，同時(shí)記錄其腦電。研究發(fā)現(xiàn)較之于有氧鍛煉組，高、中鍛煉水平組被試完成作業(yè)任務(wù)時(shí)P3波幅更高、潛伏期更短，提示高有氧鍛煉組完成作業(yè)任務(wù)時(shí)大腦募集資源能力更強(qiáng)、加工速度更快[4]。另有研究者分析了經(jīng)常參加鍛煉的老年人、久坐少動(dòng)的老年人及年輕人的腦電特征，考察被試在錯(cuò)誤行動(dòng)情況下，認(rèn)知沖突評(píng)價(jià)引發(fā)的反應(yīng)監(jiān)控差異。發(fā)現(xiàn)經(jīng)常參加鍛煉的老年人及高體能的年輕人，在認(rèn)知加工過程中錯(cuò)誤關(guān)聯(lián)負(fù)波（Error-related Negativity，ERN）的波幅明顯小于久坐少動(dòng)的老年人及低體能的年輕人。研究者認(rèn)為，鍛煉更多或體能更好的被試認(rèn)知加工更好，表現(xiàn)為認(rèn)知過程中抑制與監(jiān)控能力更強(qiáng)[5]。

綜上所述，經(jīng)常參加有氧鍛煉或體能更好的老年人，在認(rèn)知加工過程中任務(wù)引發(fā)的P3潛伏期更短、P3波幅更大、ERN及M450潛伏期更短，表明加工速度更快、募集資源能力和抑制與監(jiān)控能力更強(qiáng)。提示鍛煉可以改變控制認(rèn)知發(fā)展的大腦神經(jīng)電活動(dòng)，進(jìn)而提升老年人的認(rèn)知和腦功能。

與ERP技術(shù)相比，功能磁共振技術(shù)（functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）的空間分辨率更高，可以更精確觀察鍛煉引發(fā)的腦功能變化。一些fMRI的研究考察了鍛煉對(duì)老年人大腦激活的影響。如一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，太極拳鍛煉和訓(xùn)練結(jié)合，可顯著提高老年人在連線測(cè)試（Trail Making Test，TMT）這一執(zhí)行功能任務(wù)測(cè)驗(yàn)中的成績，同時(shí)被試額中回（middle frontal gyrus）、額上回（superior frontal gyrus）和小腦前葉 （anterior cerebellum lobe）的低頻振蕩振幅（Amplitude of Low Frequency Fluctuations，ALFF） 也更高[6]，研究者認(rèn)為，干預(yù)引發(fā)的ALFF變化可以作為預(yù)測(cè)老年人執(zhí)行功能的一個(gè)指標(biāo)。另有研究者比較了有氧鍛煉和無氧鍛煉干預(yù)對(duì)老年人認(rèn)知任務(wù)表現(xiàn)和腦活動(dòng)特征的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，6個(gè)月干預(yù)后，不同干預(yù)組的老年人認(rèn)知表現(xiàn)和腦激活模式不同。有氧鍛煉組的認(rèn)知表現(xiàn)提高，上頂皮層和額中回的激活增加。無氧鍛煉組的認(rèn)知成績提高則不明顯，但前扣帶回激活增加[7]。研究者認(rèn)為，有氧鍛煉干預(yù)后，前額葉對(duì)負(fù)責(zé)刺激分配和選擇加工的紋狀皮層和頂區(qū)的控制更有效。表明有氧鍛煉改善體能，進(jìn)而對(duì)老年人腦功能的整合起著積極作用。

1.2 鍛煉改善腦網(wǎng)絡(luò)

不僅如此，一些研究還發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和鍛煉會(huì)影響腦網(wǎng)絡(luò)。有研究者基于大腦局部一致性方法探測(cè)小球類運(yùn)動(dòng)員靜息狀態(tài)下腦功能活動(dòng)的可塑性變化。研究者以小球類運(yùn)動(dòng)員和與之匹配的對(duì)照人群為研究對(duì)象，采集靜息態(tài)功能磁共振數(shù)據(jù)，計(jì)算大腦局部一致性指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，運(yùn)動(dòng)員組在一些負(fù)責(zé)心臟—血管調(diào)節(jié)和反饋的自主神經(jīng)反應(yīng)環(huán)路的腦網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，諸如左側(cè)前扣帶回、腦島、丘腦和小腦蚓部的局部一致性更高，提示這些腦區(qū)存在更有效的自主神經(jīng)反應(yīng)環(huán)路[8]。另一項(xiàng)研究比較了太極拳鍛煉專家和新手的腦區(qū)一致性，發(fā)現(xiàn)太極拳鍛煉專家的右側(cè)中央后回 （Right Post-central Gyrus，PosCG）功能一致性更高，左側(cè)前扣帶（Anterior Cingulate Cortex，ACC）和右側(cè)背外側(cè)前額葉（right Dorsal Lateral Prefrontal Cortex，rDLPFC）的功能一致性更低。左側(cè)ACC的一致性降低表明功能特異性提高，右側(cè)PosCG的一致性增加提示功能整合性提高，二者都可以用于預(yù)測(cè)老年人在Flanker這一執(zhí)行功能任務(wù)中的成績[9]。

也有研究采用全腦網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接方法考察鍛煉對(duì)老年人海馬及腦網(wǎng)絡(luò)的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4個(gè)月的鍛煉干預(yù)后，鍛煉組比控制組的海馬血流量增加，而且海馬與前扣帶回的聯(lián)接增強(qiáng)[10]。還有研究考察了老年人有氧體能、默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)和幾種不同執(zhí)行功能的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，老年人有氧體能水平與其執(zhí)行功能和默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)功能聯(lián)接正相關(guān)，且默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)功能在有氧體能水平與其執(zhí)行功能關(guān)系中扮演重要角色[11]。

綜上所述，鍛煉特別是有氧鍛煉有助于提高老年人的腦功能激活、改善腦網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)模式、提高認(rèn)知表現(xiàn)。

2 鍛煉影響大腦結(jié)構(gòu)

鍛煉不僅能增強(qiáng)大腦激活，提高腦網(wǎng)絡(luò)的功能，也影響大腦結(jié)構(gòu)。一些研究考察了鍛煉對(duì)大腦結(jié)構(gòu)的影響及與認(rèn)知的關(guān)聯(lián)。

2.1 鍛煉對(duì)額區(qū)容量影響

2.1.1 鍛煉與額區(qū)灰質(zhì)

大腦容量的增加可表現(xiàn)為大腦相關(guān)腦區(qū)灰質(zhì)體積的增大。有研究者對(duì)不同專項(xiàng)運(yùn)動(dòng)員、非專業(yè)運(yùn)動(dòng)員做了一項(xiàng)大腦結(jié)構(gòu)的比較研究，結(jié)果顯示，長期的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練能改變大腦相關(guān)腦區(qū)的灰質(zhì)體積[12]。對(duì)經(jīng)常參加鍛煉的老年人的研究也有類似結(jié)果。如一項(xiàng)研究考察了健康老年人的鍛煉量和大腦灰質(zhì)體積的關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)鍛煉量更大的老年人，其大腦前額葉與扣帶皮層的灰質(zhì)體積的增加更明顯[13]。也有研究發(fā)現(xiàn)，有氧體能和大腦前額葉灰質(zhì)量相關(guān)聯(lián)。鍛煉影響老年人前額葉皮質(zhì)的灰質(zhì)體積，并通過增大灰質(zhì)體積來增強(qiáng)執(zhí)行功能[14]。

2.1.2 鍛煉與額區(qū)白質(zhì)完整性

額區(qū)白質(zhì)完整性也與多種認(rèn)知功能相關(guān)聯(lián)[15]。已有研究也發(fā)現(xiàn)，鍛煉和大腦前額葉白質(zhì)完整性相關(guān)聯(lián)。一項(xiàng)研究考察了為期12個(gè)月的有氧鍛煉干預(yù)對(duì)大腦白質(zhì)完整性的影響。結(jié)果顯示，有氧鍛煉與額葉和顳葉中白質(zhì)完整性的改變相關(guān)[16]。另有研究者以兩組平均年齡為66歲的健康老年人為被試，考察心肺體能水平與白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，以及心肺體能和空間工作記憶之間的關(guān)聯(lián)。研究發(fā)現(xiàn)，較高的心肺體能水平與前額葉、扣帶回和胼體等腦區(qū)更高水平白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)。此外，研究還顯示，更高的有氧體能與更高水平的白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)組織相關(guān)聯(lián)，進(jìn)而使老年人保持更好的空間記憶表現(xiàn)[17]。

2.1.3 鍛煉與額區(qū)灰質(zhì)和白質(zhì)影響比較

也有研究者對(duì)鍛煉與額區(qū)灰質(zhì)和白質(zhì)關(guān)系做了比較。如一項(xiàng)研究將老年人隨機(jī)指派到有氧干預(yù)組或無氧干預(yù)組，并以大學(xué)生作控制組。實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行為期6個(gè)月的鍛煉干預(yù)，其中有氧鍛煉組做步行運(yùn)動(dòng)，無氧鍛煉組做拉伸和力量訓(xùn)練等運(yùn)動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，參加有氧鍛煉的老年人額葉和顳葉的灰質(zhì)容量增加，大腦前部的白質(zhì)容量增加，而參加無氧鍛煉的老年人和作為控制組大學(xué)生，其相關(guān)腦區(qū)容量沒有增加[18]。Rovio等人完成的一項(xiàng)長達(dá)21年的追蹤研究，也發(fā)現(xiàn)了鍛煉對(duì)大腦灰質(zhì)和白質(zhì)的影響，在該研究前測(cè)時(shí)被試還是中年人，研究者采集了中年人的鍛煉水平、生理指標(biāo)，后測(cè)時(shí)被試已進(jìn)入老年，研究者在后測(cè)中增加MRI數(shù)據(jù)采集，用于評(píng)估大腦體積、大腦灰質(zhì)密度以及腦白質(zhì)變化情況，研究發(fā)現(xiàn)基線條件下鍛煉更多的人較之于久坐少動(dòng)的人，老年重測(cè)時(shí)大腦額葉的灰質(zhì)密度更大，但中年時(shí)身體鍛煉情況與老年白質(zhì)體積變化的關(guān)系不明顯[19]。

2.2 鍛煉與海馬形態(tài)學(xué)的改變

海馬是和記憶關(guān)聯(lián)的重要腦區(qū)，在控制記憶、學(xué)習(xí)和平衡感等方面扮演著重要角色，海馬也是老年人發(fā)生認(rèn)知功能退化的關(guān)鍵區(qū)域。

動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)能夠增加動(dòng)物大腦海馬的體積[20]。對(duì)老年人的研究也發(fā)現(xiàn)，有氧鍛煉可以通過增加老年人海馬的體積來保持良好的記憶功能，改善大腦結(jié)構(gòu)[21]。有氧鍛煉1年后，老年人左、右側(cè)的前側(cè)海馬回體積分別增加2.12%與1.97%，而不鍛煉的控制組則平均下降1.4%，而海馬回體積與空間記憶表現(xiàn)呈顯著正相關(guān)[22]。

人類海馬的功能老化的一個(gè)重要特征是隨著年齡的增長，血管可塑性逐漸降低。研究發(fā)現(xiàn)，鍛煉可以增加腦氧供應(yīng)，提高腦血流量和血紅蛋白濃度，增加紅細(xì)胞數(shù)量，促進(jìn)海馬細(xì)胞的生長，改善腦的記憶和注意等認(rèn)知功能[23]。而且，鍛煉引發(fā)的海馬灌注量和體積變化與復(fù)雜空間物體識(shí)別記憶的變化及早期回憶正相關(guān)[24]。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，有氧鍛煉可增加海馬齒狀回的腦血流量。改善心血管功能、語言學(xué)習(xí)和記憶功能，海馬齒狀回的腦血流量增加也被視為神經(jīng)生長的標(biāo)志[25]。

當(dāng)前，額葉和海馬是腦影像研究眾多關(guān)注的腦區(qū)。然而，鍛煉對(duì)腦結(jié)構(gòu)的影響腦區(qū)不限于此，如有研究發(fā)現(xiàn)，鍛煉會(huì)使脊髓束感覺運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)厚度發(fā)生改變，從而對(duì)腦的可塑性產(chǎn)生影響[26]。

上述研究結(jié)果盡管不盡相同，但是都證實(shí)了鍛煉特別是有氧鍛煉對(duì)大腦容量的影響。有氧鍛煉能維持大腦容量，明顯改善衰老引發(fā)的大腦功能減退。

3 展望

3.1 鍛煉對(duì)老化影響的時(shí)間進(jìn)程

就鍛煉干預(yù)而言，根據(jù)時(shí)間長短可以有一次性鍛煉和長時(shí)間鍛煉（或慢性鍛煉），盡管許多研究表明，一次性鍛煉對(duì)大腦功能會(huì)產(chǎn)生積極影響，但總體而言，慢性鍛煉對(duì)認(rèn)知和腦功能的促進(jìn)效益研究結(jié)果更為一致。就鍛煉對(duì)大腦結(jié)構(gòu)研究而言，不同的慢性干預(yù)研究持續(xù)時(shí)間也不一致，其結(jié)果也不盡相同。如有研究發(fā)現(xiàn)，鍛煉對(duì)相關(guān)腦區(qū)的體積的影響可能在6個(gè)月的干預(yù)中沒有發(fā)生，只有在12個(gè)月之后才會(huì)顯露出來[27-28]。另有研究對(duì)久坐少動(dòng)者進(jìn)行6周的鍛煉干預(yù)，干預(yù)前后對(duì)其進(jìn)行大腦掃描。研究發(fā)現(xiàn)，有氧鍛煉引發(fā)的海馬體積改變是暫時(shí)的，在沒有有氧鍛煉的情況下，6周后海馬體積回到基線[29]。研究者認(rèn)為，海馬體積在整個(gè)生命期間通過有氧鍛煉而被調(diào)節(jié)?？梢婂憻拰?duì)大腦結(jié)構(gòu)的影響是動(dòng)態(tài)變化的，因此進(jìn)一步的研究要關(guān)注鍛煉對(duì)大腦變化的時(shí)間進(jìn)程特征。

3.2 鍛煉促進(jìn)大腦可塑性的其他影響因素

鍛煉改善認(rèn)知功能、降低老化帶來的不利影響，其腦機(jī)制是什么？有研究者提出，鍛煉改善了大腦功能，進(jìn)而產(chǎn)生認(rèn)知效益；也有研究者提出，鍛煉引發(fā)大腦結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而提高大腦功能。但是大腦結(jié)構(gòu)是如何變化的呢？不同的研究者提出不同的證據(jù)。如有研究者發(fā)現(xiàn)，鍛煉可以引起神經(jīng)組織基因表達(dá)改變，進(jìn)而影響腦網(wǎng)絡(luò)，改變腦內(nèi)DNA甲基化水平，導(dǎo)致腦網(wǎng)絡(luò)的變化。研究者假設(shè)，DNA甲基化可能參與了運(yùn)動(dòng)促進(jìn)老齡大鼠學(xué)習(xí)記憶功能與海馬齒狀回神經(jīng)生長的調(diào)控[30]。也有研究者發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)可塑性的增加以及某些功能的改善受到了中樞和外周因素的共同作用。大腦中神經(jīng)生長因子水平的增加可能是由運(yùn)動(dòng)肌肉分泌的肌肉因子、肝臟分泌的肝臟因子和脂肪分泌的脂肪細(xì)胞因子的綜合影響而引發(fā)，上述不同器官分泌的因子，可借助器官間的通訊來調(diào)節(jié)機(jī)體的功能。已有研究證明肌肉分泌因子是運(yùn)動(dòng)促進(jìn)認(rèn)知功能的重要介導(dǎo)因子之一[31]。

也有研究發(fā)現(xiàn)，有氧鍛煉可以促進(jìn)大腦新的微血管網(wǎng)絡(luò)形成，增強(qiáng)皮質(zhì)對(duì)維生素B吸收的親和性，并增加大腦多巴胺受體，促進(jìn)腦源性神經(jīng)因子表現(xiàn)。還有研究者提出，鍛煉在神經(jīng)營養(yǎng)方面促進(jìn)神經(jīng)液循環(huán)和腦源性神經(jīng)因子增多；在腦血管方面促進(jìn)神經(jīng)血管耦合，提高血管反應(yīng)性，增強(qiáng)血管自動(dòng)調(diào)節(jié)；在神經(jīng)代謝方面，促進(jìn)能量平衡，增強(qiáng)線粒體活性[32]。

總之，這方面的研究日趨活躍，但還需要多學(xué)科協(xié)作、結(jié)合多種研究技術(shù)手段進(jìn)一步補(bǔ)充證據(jù)、驗(yàn)證相關(guān)假設(shè)。

3.3 不同鍛煉類型對(duì)腦健康影響的區(qū)分

鍛煉細(xì)分為不同的類型，一些研究者將不同類型鍛煉對(duì)腦與認(rèn)知的影響做了比較，但是結(jié)果不太統(tǒng)一。早期的干預(yù)研究發(fā)現(xiàn)，有氧鍛煉和無氧鍛煉對(duì)大腦的功能和結(jié)構(gòu)的影響不同。如研究者比較了6個(gè)月干預(yù)后，有氧鍛煉和無氧鍛煉組老年人完成認(rèn)知任務(wù)時(shí)的腦活動(dòng)特征，發(fā)現(xiàn)有氧鍛煉組上頂皮層和額中回的激活增加，無氧鍛煉組前扣帶回激活增加[7]。另有研究發(fā)現(xiàn)參加有氧鍛煉的老年人額葉和顳葉的灰質(zhì)容量增加，大腦前部的白質(zhì)容量增加，而參加無氧鍛煉的老年人相關(guān)腦區(qū)容量沒有增加[18]。

但是也有研究發(fā)現(xiàn)，無氧鍛煉也可增加相關(guān)腦區(qū)容量。如近期的一項(xiàng)橫斷研究招募了兩組平均年齡在68歲的老年人為被試，一組有跳舞鍛煉的習(xí)慣，另一組有耐力或柔韌性鍛煉的習(xí)慣。結(jié)果顯示，在18個(gè)月干預(yù)后，兩組老年人的大腦海馬左側(cè)海馬相關(guān)區(qū)域體積增加。但只有跳舞組顯示左側(cè)海馬齒狀回和右下托容量增加[33]。研究者認(rèn)為，跳舞兼有氧體能訓(xùn)練、感知運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和認(rèn)知訓(xùn)練，可能有助于相關(guān)腦區(qū)體積的增加。另有研究者比較了改善心血管功能的鍛煉（如心肺體能和肌肉力量）和提高協(xié)調(diào)能力鍛煉（如平衡、運(yùn)動(dòng)速度、精細(xì)協(xié)調(diào)）與老年人海馬體積的關(guān)聯(lián)。研究者進(jìn)行了為期12個(gè)月的干預(yù)訓(xùn)練。結(jié)果顯示運(yùn)動(dòng)體能，而不是代謝體能與海馬體積相關(guān)。干預(yù)12個(gè)月后，心血管和協(xié)調(diào)訓(xùn)練導(dǎo)致海馬體積增加[34]。

總之，當(dāng)前關(guān)于不同鍛煉對(duì)腦功能和結(jié)構(gòu)影響的研究結(jié)果還存在比較大的爭(zhēng)議，仍需要進(jìn)一步探討。未來的研究需要細(xì)分鍛煉類型、控制相關(guān)變量，尤其要注意綜合橫斷研究和追蹤研究的結(jié)果，以利于得出更為明確的結(jié)論。

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