身體活動(dòng)對(duì)大腦可塑性影響的研究進(jìn)展

灣明月，夏銳，林慧穎，邱娉婷，黃承武，鄭國(guó)華

1.福建中醫(yī)藥大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院，福建福州市 350122；2.上海健康醫(yī)學(xué)院護(hù)理與健康管理學(xué)院，上海市201318

大腦可塑性是指大腦的結(jié)構(gòu)和功能隨著學(xué)習(xí)訓(xùn)練和環(huán)境刺激等因素而不斷修飾和重組的能力。腦結(jié)構(gòu)可塑性在宏觀水平包括皮質(zhì)厚度、灰質(zhì)體積、白質(zhì)纖維連接強(qiáng)度和方向等的變化；細(xì)胞水平包括神經(jīng)元和突觸形態(tài)學(xué)變化；分子水平包括細(xì)胞內(nèi)外刺激信號(hào)和細(xì)胞核內(nèi)基因轉(zhuǎn)錄的改變[1]。細(xì)胞和分子水平的腦結(jié)構(gòu)可塑性常被認(rèn)為是神經(jīng)的結(jié)構(gòu)可塑性[2]。功能可塑性是指腦區(qū)間發(fā)生的功能分離或整合，表現(xiàn)為腦功能網(wǎng)絡(luò)重組或腦自發(fā)活動(dòng)功能性重組，以及功能連接增強(qiáng)[3]，不涉及大腦結(jié)構(gòu)的變化[4]。

不同的生活方式與大腦結(jié)構(gòu)和功能之間存在關(guān)聯(lián)[5]。運(yùn)動(dòng)可以對(duì)整體健康和認(rèn)知功能產(chǎn)生益處，促進(jìn)腦區(qū)的可塑性變化。本文綜述不同身體活動(dòng)對(duì)大腦可塑性的影響以及其機(jī)制。

1 有氧運(yùn)動(dòng)

有氧運(yùn)動(dòng)是全身主要肌群參與、以有氧代謝為主的耐力運(yùn)動(dòng)，包括慢跑、快步走、游泳以及一些球類運(yùn)動(dòng)等。持續(xù)規(guī)律的有氧運(yùn)動(dòng)可增強(qiáng)機(jī)體運(yùn)輸、利用氧的能力，提高血管彈性和通暢性，改善血液循環(huán)；肌肉也可釋放某些因子，有助于改善腦結(jié)構(gòu)或功能[6]。

有氧運(yùn)動(dòng)可增加前額葉、海馬、前扣帶回、頂葉和顳葉的灰質(zhì)體積。前額葉主要負(fù)責(zé)與工作記憶相關(guān)的執(zhí)行功能，協(xié)調(diào)其他腦區(qū)完成目標(biāo)導(dǎo)向的行為[7]。海馬和前扣帶回屬邊緣系統(tǒng)，與情緒、內(nèi)臟調(diào)節(jié)和學(xué)習(xí)記憶活動(dòng)有關(guān)。頂葉可以結(jié)合感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)信息，參與語(yǔ)言處理[8]和記憶處理[9]。顳葉包括海馬結(jié)構(gòu)，與聽(tīng)覺(jué)、知覺(jué)、語(yǔ)言有關(guān)，對(duì)視覺(jué)感知記憶和識(shí)別記憶[10]有重要作用。老年人腦容量減少主要表現(xiàn)在前額葉和顳側(cè)皮質(zhì)，在枕葉皮質(zhì)表現(xiàn)出較少的改變[11]。海馬結(jié)構(gòu)與認(rèn)知功能相關(guān)。每周2次持續(xù)6 個(gè)月的有氧運(yùn)動(dòng)能改善70～80 歲認(rèn)知損害者的認(rèn)知功能，增加海馬體積[12]。一項(xiàng)對(duì)65歲以上非癡呆老年人進(jìn)行的9 年跟蹤研究發(fā)現(xiàn)[13]，每周進(jìn)行72 個(gè)街區(qū)的行走(1600 m/d)，前額葉皮質(zhì)、前扣帶回、頂葉皮質(zhì)、小腦、海馬灰質(zhì)體積改變，促進(jìn)大腦功能改善。小球類運(yùn)動(dòng)員的靜息態(tài)磁共振成像研究發(fā)現(xiàn)，左側(cè)前扣帶回、腦島、丘腦和小腦蚓部的Re?Ho值高于對(duì)照組，而這些腦區(qū)是負(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)路腦網(wǎng)絡(luò)的重要節(jié)點(diǎn)[14]。運(yùn)動(dòng)員的這些腦區(qū)存在更有效的自主神經(jīng)反應(yīng)環(huán)路，以在快節(jié)奏的小球類運(yùn)動(dòng)中提高感知，集中注意力和快速反應(yīng)。與普通人相比，籃球運(yùn)動(dòng)員和羽毛球運(yùn)動(dòng)員小腦灰質(zhì)體積增大[15]，馬拉松運(yùn)動(dòng)員枕頂葉、前扣帶回和尾狀核的灰質(zhì)體積改變[16]。這些發(fā)現(xiàn)均說(shuō)明，長(zhǎng)期有氧運(yùn)動(dòng)后，與運(yùn)動(dòng)認(rèn)知過(guò)程相關(guān)的腦區(qū)灰質(zhì)體積會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。

2 抗阻運(yùn)動(dòng)

抗阻運(yùn)動(dòng)是指身體克服阻力以達(dá)到肌肉增長(zhǎng)和力量增加的運(yùn)動(dòng)，如啞鈴、杠鈴等?？棺栌?xùn)練可以提高老年人認(rèn)知功能，增加腦白質(zhì)體積，延緩白質(zhì)萎縮。

白質(zhì)由神經(jīng)纖維聚集而成，提供神經(jīng)元間通信的途徑，通過(guò)這種途徑，經(jīng)驗(yàn)可以改變大腦連接[17]；同時(shí)，白質(zhì)參與工作記憶過(guò)程，是大腦活動(dòng)必不可少的部分[18]。抗阻訓(xùn)練可以改善老年婦女的執(zhí)行功能，白質(zhì)結(jié)構(gòu)與老年人活動(dòng)量存在相關(guān)性[19?20]，每周2 次抗阻訓(xùn)練能促進(jìn)記憶，減少皮質(zhì)、白質(zhì)萎縮，增加峰值肌力?？棺栌?xùn)練可以改善老年女性認(rèn)知，使白質(zhì)體積增大，這種影響在兩年后仍可以檢測(cè)出來(lái)[21]。在主訴記憶下降的老年女性中，每周2次抗阻訓(xùn)練6個(gè)月，可改善選擇性注意、沖突解決、聯(lián)想記憶和功能性大腦可塑性的區(qū)域模式[22]。70～80 歲的社區(qū)居民完成每周2 次抗阻訓(xùn)練6 個(gè)月后，選擇性注意和沖突解決的表現(xiàn)優(yōu)于平衡訓(xùn)練[23]。

3 平衡運(yùn)動(dòng)

平衡運(yùn)動(dòng)通過(guò)減小身體支持面，提高身體重心，減少視覺(jué)參與，提高身體平衡功能。平衡訓(xùn)練可以促進(jìn)腦可塑性，增加小腦灰質(zhì)體積[24]。小腦可感知運(yùn)動(dòng)變化，維持身體姿勢(shì)平衡，在協(xié)調(diào)感知、運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)中扮演重要角色。雜技訓(xùn)練6 周后，高強(qiáng)度組和低強(qiáng)度組的頂枕皮質(zhì)和初級(jí)運(yùn)動(dòng)區(qū)灰質(zhì)體積增加，雜技技藝越出色，兩個(gè)區(qū)域灰質(zhì)容量增加越多[25]。在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，雜技組小鼠的運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)和紋狀體突觸和結(jié)構(gòu)蛋白表達(dá)改變[26]，不同持續(xù)時(shí)間雜技組小鼠在不同的皮質(zhì)和皮質(zhì)下回路中引起不同的可塑性反應(yīng)[27]。

傳統(tǒng)氣功和瑜伽冥想等將體育鍛煉與呼吸和深度放松相結(jié)合，可以提高輕度認(rèn)知障礙老年人的認(rèn)知能力，顯著增加腦島、內(nèi)側(cè)顳葉和殼核的灰質(zhì)體積。內(nèi)側(cè)顳葉包括海馬、海馬旁回和內(nèi)嗅皮質(zhì)，參與記憶的檢索和編碼，對(duì)記憶加工至關(guān)重要[28]。殼核參與執(zhí)行功能、工作記憶等功能[29]。腦島涉及認(rèn)知、情感和調(diào)節(jié)功能，包括感知意識(shí)和情緒反應(yīng)[30]。長(zhǎng)期練習(xí)太極拳者與久坐不動(dòng)者相比，左右半球皮質(zhì)更厚，且左側(cè)顳葉皮質(zhì)厚度與太極拳練習(xí)強(qiáng)度呈正相關(guān)[31]。太極拳和八段錦鍛煉12周可顯著增加腦島、內(nèi)側(cè)顳葉和殼核的灰質(zhì)體積[32]，且灰質(zhì)體積的增加與記憶力的提升呈正相關(guān)。輕度認(rèn)知障礙患者分別進(jìn)行八段錦和快步走24 周，八段錦組海馬低頻振蕩振幅降低，體積增加[33]，提示海馬異?；顒?dòng)減少，認(rèn)知功能改善。

4 機(jī)制研究

4.1 解剖結(jié)構(gòu)

長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)可引起腦解剖結(jié)構(gòu)變化，如灰質(zhì)厚度、皮質(zhì)表面積、灰質(zhì)體積以及白質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的變化。MRI T1成像獲得的腦灰質(zhì)結(jié)構(gòu)變化主要反映血管、膠質(zhì)細(xì)胞、突觸的生成和神經(jīng)元改變帶來(lái)的形態(tài)學(xué)變化[34]；而彌散張量成像(diffusion tensor imaging,DTI)可以間接測(cè)量白質(zhì)的軸突直徑和密度，纖維組織和髓鞘含量，膠質(zhì)細(xì)胞、細(xì)胞膜的狀態(tài)和滲透性等[17]。多模態(tài)結(jié)合測(cè)量則可提供更詳細(xì)信息，研究大腦可塑性的基礎(chǔ)機(jī)制。但MRI的測(cè)量是非特異性的，只能間接反映神經(jīng)元結(jié)構(gòu)及其功能狀態(tài)。

在白質(zhì)中，衰老會(huì)引起軸突結(jié)構(gòu)特性改變，如軸突偏轉(zhuǎn)，髓鞘、軸突直徑或節(jié)間長(zhǎng)度改變，繼而導(dǎo)致一系列生理特性變化，如傳導(dǎo)速度改變，這些生理特性的改變與行為有關(guān)[35]。Ranvier 的節(jié)間長(zhǎng)度和節(jié)點(diǎn)特征變化可調(diào)節(jié)動(dòng)作電位沿同一軸突的不同長(zhǎng)度分支的傳遞[36]，延長(zhǎng)軸突長(zhǎng)度的節(jié)點(diǎn)可以快速和節(jié)能的方法微調(diào)軸突特異性傳導(dǎo)速度[37]。盡管如此，白質(zhì)可塑性仍主要依賴髓鞘形成的過(guò)程，如髓鞘厚度的變化，或少突膠質(zhì)細(xì)胞祖細(xì)胞(oligodendrocyte progenitor cell,OPC)分化成新的少突膠質(zhì)細(xì)胞形成新的髓鞘[38]。跑步可促進(jìn)小鼠灰質(zhì)和白質(zhì)區(qū)OPC 的增殖和分化[39]，可能有助于理解人類白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的變化。反之，軸突大小和軸突活性也可調(diào)節(jié)髓鞘長(zhǎng)度、數(shù)量，影響髓鞘形成。體積減少(即萎縮)主要不是由于神經(jīng)元的損失，而是年齡相關(guān)的細(xì)胞萎縮和突觸密度降低。

4.2 細(xì)胞、分子機(jī)制

神經(jīng)發(fā)生是細(xì)胞水平腦可塑性的主要表現(xiàn)之一，是指神經(jīng)干細(xì)胞或神經(jīng)祖細(xì)胞在誘導(dǎo)下產(chǎn)生新神經(jīng)元[40]。神經(jīng)可塑性可能涉及已經(jīng)存在的突觸功能改變、新的突觸形成，或現(xiàn)有的突觸接觸消除，樹突或軸突的大規(guī)模變化，以及神經(jīng)調(diào)節(jié)劑或神經(jīng)激素的產(chǎn)生或信號(hào)傳導(dǎo)[41]。

成年人中樞神經(jīng)系統(tǒng)仍存在神經(jīng)發(fā)生，海馬齒狀回終生保持生成新神經(jīng)元的能力[42]。有氧運(yùn)動(dòng)可增強(qiáng)海馬齒狀回部神經(jīng)干細(xì)胞或神經(jīng)祖細(xì)胞的增殖、遷移、存活和分化，促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生[2]。在突觸傳導(dǎo)中，一個(gè)突觸后細(xì)胞可能接受多個(gè)突觸前軸突支配。有氧運(yùn)動(dòng)打破各突觸間競(jìng)爭(zhēng)的平衡，使突觸環(huán)路發(fā)生改變，引起突觸聯(lián)系的重組，從而影響腦的結(jié)構(gòu)和功能[43]。有氧運(yùn)動(dòng)改變海馬灰質(zhì)體積，可能是通過(guò)改變神經(jīng)發(fā)生、神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞生成或神經(jīng)元間連接的強(qiáng)度(突觸發(fā)生)，修改現(xiàn)有皮質(zhì)結(jié)構(gòu)[44]。

運(yùn)動(dòng)可通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)因子、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子、神經(jīng)遞質(zhì)、新陳代謝和炎癥反應(yīng)，增強(qiáng)神經(jīng)發(fā)生[45]。對(duì)有氧運(yùn)動(dòng)的適應(yīng)性反應(yīng)涉及酶促抗氧化系統(tǒng)的上調(diào)和對(duì)氧化損傷的調(diào)節(jié)。活性氧是細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)的重要調(diào)節(jié)劑，有氧運(yùn)動(dòng)直接激活活性氧產(chǎn)生酶，調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化?還原狀態(tài)[46]?；钚匝踹€參與神經(jīng)干細(xì)胞的更新和分化，并可能與運(yùn)動(dòng)介導(dǎo)的神經(jīng)發(fā)生相關(guān)[47]。運(yùn)動(dòng)也能改變炎性細(xì)胞因子的產(chǎn)生[48]，參與突觸可塑性和神經(jīng)發(fā)生的調(diào)節(jié)，同時(shí)細(xì)胞因子也可以促進(jìn)活性氧的產(chǎn)生。炎癥因子的釋放與腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain?derived neurotrophic factor,BDNF)的水平有關(guān)，神經(jīng)炎癥會(huì)影響相關(guān)信號(hào)通路，導(dǎo)致患者血液和腦脊液中BDNF濃度降低[49]。

平板運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的乳酸會(huì)刺激大鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌BDNF[50?51]。BDNF參與神經(jīng)保護(hù)并促進(jìn)細(xì)胞存活、軸突生長(zhǎng)和突觸可塑性[52]。自發(fā)運(yùn)動(dòng)增加大鼠海馬、小腦和額葉皮質(zhì)中BDNF mRNA 和蛋白水平[53]，直接給予BDNF 可增加海馬中細(xì)胞增殖；阻斷BDNF 可減少細(xì)胞增殖，消除運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的Morris水迷宮的良好表現(xiàn)。在人類中，抗阻運(yùn)動(dòng)可提高胰島素樣生長(zhǎng)因子?1(insulin?like growth factor?1,IGF?1)水平，促進(jìn)神經(jīng)元生長(zhǎng)、存活和分化，并提高認(rèn)知表現(xiàn)，對(duì)于運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的血管生成和神經(jīng)發(fā)生起重要作用[54]，還可通過(guò)促進(jìn)少突膠質(zhì)細(xì)胞的發(fā)育，促進(jìn)髓鞘形成。阻斷IGF?1，其他分子的分泌也受到影響，如BDNF 和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth fac?tor,VEGF)顯著減少[55]。

神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子和其他相關(guān)因子不僅可以調(diào)節(jié)突觸傳遞和結(jié)構(gòu)，還影響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和行為學(xué)[56]。運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)人類海馬、小腦和運(yùn)動(dòng)皮質(zhì)中新毛細(xì)血管發(fā)育，向現(xiàn)有的或新分裂的神經(jīng)元提供必需營(yíng)養(yǎng)，從而影響皮質(zhì)形態(tài)，血管生成和細(xì)胞增殖[57]。隨著年齡增長(zhǎng)，神經(jīng)發(fā)生減少[58]；但運(yùn)動(dòng)能逆轉(zhuǎn)神經(jīng)發(fā)生下降，促進(jìn)細(xì)胞增殖，提高細(xì)胞存活率[59?60]。嚙齒動(dòng)物的自發(fā)運(yùn)動(dòng)可增強(qiáng)海馬依賴性學(xué)習(xí)任務(wù)的表現(xiàn)[61]，誘導(dǎo)包括BDNF、IGF?1 和VEGF在內(nèi)的多種分子級(jí)聯(lián)，是運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)神經(jīng)可塑性的基礎(chǔ)。

5 小結(jié)

臨床和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)均表明，運(yùn)動(dòng)可以在解剖、細(xì)胞、分子水平上影響腦可塑性，表現(xiàn)為灰質(zhì)體積增加、白質(zhì)纖維連接增強(qiáng)，通過(guò)誘導(dǎo)相關(guān)分子級(jí)聯(lián)影響血管生成、神經(jīng)細(xì)胞增殖、突觸活動(dòng)，改變大腦網(wǎng)絡(luò)功能，改善認(rèn)知行為。