短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動改善成年早期肥胖者食物決策的功能性近紅外成像研究

黃佳璦，陳艷霞，段 煉，漆昌柱，2，徐 霞，2*

肥胖是一個(gè)日益嚴(yán)重、危害健康的全球性公共衛(wèi)生問題。減重可以降低與超重和肥胖相關(guān)的健康風(fēng)險(xiǎn)，受到國際和我國衛(wèi)生機(jī)構(gòu)的鼓勵。預(yù)防和治療肥胖的策略主要包括行為療法、藥物和手術(shù)療法以及公共健康干預(yù)等。然而，大多數(shù)療法和干預(yù)的效果并不理想，主要原因是長期不良食物決策模式導(dǎo)致對不健康食物的過量攝入，出現(xiàn)體重反彈等問題。

在食物日益豐富的環(huán)境中，個(gè)體需要在不同美味和健康價(jià)值的食物間選擇。食物決策（food decision-making）是指，個(gè)體通過整合食物的健康和美味估值對是否食用某種食物做出決定的過程。食物的基本屬性味道很容易在選擇時(shí)表現(xiàn)出來，并在決策中得到可靠的權(quán)重。相比之下，考慮食物的抽象屬性健康則需要個(gè)體付出努力，故在決策中沒有得到可靠的權(quán)重。味覺的權(quán)重過度會導(dǎo)致不健康的食物決策（Sullivan et al.，2015）。做出健康的食物決策，需要自我控制的高級執(zhí)行認(rèn)知過程發(fā)揮重要作用（Stoeckel et al.，2017）。食物決策研究中的自我控制，是指個(gè)體進(jìn)行食物決策時(shí)，為了獲得健康這種長期價(jià)值較大、延遲性的獎賞，有意識地抑制選擇美味這種長期價(jià)值較小、即時(shí)性獎賞的行為。對204名BMI在15.9～45.0 kg/m2范圍內(nèi)在校大學(xué)生的研究發(fā)現(xiàn)，選擇好吃-健康、好吃-不健康和不好吃-不健康食物的比例分別是25%±12%、25%±12%和2%±3%。與抑制控制較好的個(gè)體相比，抑制控制較差的個(gè)體會選擇較少的健康食物（Jasinska et al.，2012）。Cohen等（2011）通過健康飲食指數(shù)（healthy eating index）評估3天內(nèi)個(gè)體攝入的食物質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)超重/肥胖組比正常組會吃更多的低質(zhì)量食物、較少的高質(zhì)量食物，Stroop任務(wù)表現(xiàn)更差。Hare等（2009）表明，成功自我控制者會基于健康和美味價(jià)值選擇食物，拒絕大多數(shù)好吃但不健康的食物，非自我控制者往往只依據(jù)美味價(jià)值選擇食物。缺乏對食物導(dǎo)向的注意和選擇的控制，可能會導(dǎo)致肥胖（Janssen et al.，2017）。這提示，與正常人相比，肥胖者自我控制能力較弱，可能由于自我控制受損，選擇食物時(shí)不能綜合評估健康價(jià)值和美味價(jià)值，從而習(xí)慣于做出不健康的食物決策。

解釋自我控制失敗的理論模型之一是前額葉-皮層下腦區(qū)的平衡模型（prefrontal-subcortical balance model of self-regulation）。該模型認(rèn)為，前額葉功能自上而下調(diào)節(jié)負(fù)責(zé)獎勵與情緒加工的皮層下腦區(qū)，而自上而下的認(rèn)知控制損耗會降低前額葉功能的相對優(yōu)勢，導(dǎo)致自我控制失?。换蛘弋?dāng)個(gè)體面臨特定的強(qiáng)烈食物線索時(shí)，自下而上的沖動動機(jī)會增強(qiáng)皮層下腦區(qū)功能的相對優(yōu)勢，導(dǎo)致自我控制失敗（董軍等，2018）。基于獎勵的經(jīng)濟(jì)學(xué)模型（reward-based model）認(rèn)為，自我控制包含與自我控制行為相關(guān)的成本-收益評估（cost-benefit analysis）過程和負(fù)責(zé)執(zhí)行的認(rèn)知控制（cognitive control）過程（竇澤南等，2017）。兩個(gè)理論均說明食物決策與執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)（Neseliler et al.，2019）的功能密切相關(guān)。該網(wǎng)絡(luò)包括前扣帶皮層（anterior cingulate cortex，ACC）、背外側(cè)前額葉皮層（dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC）、額下回（inferior frontal gyrus，IFG）、后頂葉皮層（posterior parietal cortex，PPC）等相互連接的前額葉（prefrontal cortex，PFC）區(qū)域。食物決策任務(wù)中，執(zhí)行控制腦網(wǎng)絡(luò)的DLPFC會自上而下調(diào)節(jié)負(fù)責(zé)獎賞估值加工的腦區(qū)中對健康信息的編碼來影響自我控制（Hare et al.，2009，2011）。Dietrich等（2016）表明，BMI越高，越需要前額葉對紋狀體價(jià)值表征或行為選擇進(jìn)行自上而下的控制。薄弱的自上而下的認(rèn)知控制系統(tǒng)和過度活躍的自下而上的沖動系統(tǒng)更傾向于選擇高熱量的食物（Forcano et al.，2018）。研究發(fā)現(xiàn)，體重較高的兒童選擇食物時(shí)，l-DLPFC的激活較弱（van Meer et al.，2019）。Chen等（2018）對41名在校女大學(xué)生的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，DLPFC的激活與成功的自我控制呈正相關(guān)。DLPFC中擁有更多灰質(zhì)體積的個(gè)體，更善于自控飲食（Schmidt et al.，2018）。一些實(shí)驗(yàn)通過神經(jīng)調(diào)控技術(shù)促進(jìn)DLPFC激活，以減少人類對食物的渴求和攝入（Jauch-Chara et al.，2014）。例如，運(yùn)用經(jīng)顱磁刺激（transcranial magnetic stimulation，TMS）抑制左側(cè) DLPFC（l-DLPFC），短暫干擾抑制控制網(wǎng)絡(luò)的功能，會增加個(gè)體對高熱量美味食物的渴求與攝入（Lowe et al.，2014a；Lowe et al.，2017b）。上述研究反映了因DLPFC激活的改變而誘發(fā)的自我控制能力變化，進(jìn)而導(dǎo)致食物渴求和攝入的變化。

由此可知，如果找到有效的干預(yù)方法促進(jìn)自我控制能力及相關(guān)腦功能，就可以改善成年早期肥胖者不良的食物決策，減少不健康食物的攝入量，達(dá)到控制體重的目的。有氧運(yùn)動是進(jìn)行體重控制的重要干預(yù)手段之一。與藥物、手術(shù)和非侵入性腦刺激療法相比，中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動經(jīng)濟(jì)成本低，耐受性和安全性較好，副作用較小，肥胖者參與意愿較高。有氧運(yùn)動不僅能增加個(gè)體的能量消耗，還能提高個(gè)體的自我控制能力，增強(qiáng)鍛煉和體重控制的堅(jiān)持性。研究表明，有氧運(yùn)動會影響人類的腦結(jié)構(gòu)和認(rèn)知功能，這種認(rèn)知效益主要通過抑制、工作記憶、決策等認(rèn)知任務(wù)表現(xiàn)出來的自我控制能力促進(jìn)得以體現(xiàn)（Chen et al.，2016）。一次有氧運(yùn)動持續(xù)20 min以上可對認(rèn)知控制產(chǎn)生正向作用，最佳效益一般發(fā)生在鍛煉的11～20 min（Chang et al.，2012）。這種正向作用可持續(xù)至鍛煉后的 52 min（Joyce et al.，2009）。研究表明，中等至大強(qiáng)度有氧運(yùn)動可以促進(jìn)認(rèn)知功能（Yanagisawa et al.，2010），增強(qiáng)食欲調(diào)節(jié)能力（Martins et al.，2015）。另有證據(jù)表明，有氧運(yùn)動對執(zhí)行控制能力較差的個(gè)體能夠產(chǎn)生更好的效益（Drollette et al.，2014）。一項(xiàng)針對肥胖女性（平均年齡41.7歲）和正常對照組的行為學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，12周綜合干預(yù)（包含飲食、運(yùn)動和行為療法）后，肥胖女性表現(xiàn)出更強(qiáng)的自我控制能力（選擇更健康而不美味的食物），美味評分和美味與健康的相對價(jià)值下降，但自我控制率仍然明顯低于正常對照組（Demos et al.，2017）。綜上所述，可對成年早期肥胖者采用有氧運(yùn)動干預(yù)，通過促進(jìn)腦功能的變化提高他們的自我控制能力，改善食物決策。

功能性近紅外光譜技術(shù)（functional near infrared spectroscopy，fNIRS）是利用近紅外光檢測大腦皮質(zhì)功能活動的一種常規(guī)的功能性腦成像工具，它能探測皮層中氧合血紅蛋白濃度（oxygenated-hemoglobin，HbO）和脫氧血紅蛋白濃度（deoxygenated-hemoglobin，HbR）的變化。Val-Laillet等（2015）總結(jié)了研究飲食行為、預(yù)防和治療飲食失調(diào)與肥胖的神經(jīng)成像和神經(jīng)調(diào)節(jié)方法，認(rèn)為fNIRS可以應(yīng)用于評估飲食失調(diào)治療方案和行為訓(xùn)練方案的療效，考察健康被試和飲食失調(diào)患者對視覺食物線索DLPFC的抑制功能，檢測營養(yǎng)和食物成分對PFC激活的影響。因此，fNIRS可以應(yīng)用于考察成年早期肥胖者食物決策的神經(jīng)基礎(chǔ)，是一種適用于評價(jià)運(yùn)動干預(yù)效果的腦成像技術(shù)。

綜上所述，本研究采用食物決策任務(wù)和fNIRS技術(shù)，探討短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動對成年早期肥胖者食物決策的影響，以及與前額葉功能的關(guān)系，以期能深入理解成年早期肥胖者食物決策中自我控制受損的神經(jīng)基礎(chǔ)，為有氧運(yùn)動的干預(yù)應(yīng)用提供理論和實(shí)驗(yàn)證據(jù)。本研究假設(shè)：1）進(jìn)行食物決策時(shí)，成年早期肥胖者的自我控制能力相比正常對照組較弱，表現(xiàn)出更多考慮美味價(jià)值的不健康食物選擇行為；2）一次30 min的有氧運(yùn)動能通過提高食物決策相關(guān)前額葉功能來提高成年早期肥胖者食物決策時(shí)的自我控制能力，表現(xiàn)出更多考慮健康價(jià)值的食物選擇行為。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

根據(jù)中國肥胖問題工作組（2002）對體重指數(shù)篩查標(biāo)準(zhǔn)的建議，從2018年武漢皓千減肥訓(xùn)練營的學(xué)員中招募30名BMI≥28 kg/m2的肥胖者作為研究對象，同時(shí)從武漢體育學(xué)院招募30名BMI在18.5～23.9 kg/m2的正常者作為對照組。肥胖組和對照組的篩選標(biāo)準(zhǔn)如下：1）通過《荷蘭進(jìn)食行為問卷》（Dutch eating behavior questionnaire，DEBQ）及詢問病史，排除心血管疾病以及進(jìn)食障礙或食物過敏史患者；2）通過《身體活動適應(yīng)能力問卷》（physical activity readiness questionnaire，PAR-Q）評估及醫(yī)學(xué)檢查，排除不可參加中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動者；3）無腦創(chuàng)傷及神經(jīng)系統(tǒng)病史，無精神障礙及遺傳病史；4）視力或矯正視力正常，無色盲及色弱；5）報(bào)告有體重控制的意愿，但喜歡吃甜食和油炸食品；6）在校大學(xué)生；7）右利手；8）填寫知情同意書。其中，3人因通道信號差被排除。最終，28名平均年齡為19.35±0.91歲、平均BMI為31.53±2.52 kg/m2的肥胖被試（男性15名，女性13名）和29名平均年齡為19.79±0.86歲、平均BMI為21.14±1.59 kg/m2的正常被試（男性14名，女性15名）參與了本研究（表1）。本研究經(jīng)武漢體育學(xué)院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)后執(zhí)行。

表1 肥胖組與對照組年齡和BMI情況Table 1 Age and BMI in the Obese Group and the Control Group M±SD

1.2 研究方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)程序

所有被試實(shí)驗(yàn)前3 h內(nèi)不飲用任何含咖啡因的飲料或食用任何食物，實(shí)驗(yàn)于下午3：30—5：30進(jìn)行。肥胖被試需參加基線和運(yùn)動兩種實(shí)驗(yàn)?；€實(shí)驗(yàn)為：休息30 min后評價(jià)此時(shí)的饑餓感（0“一點(diǎn)兒也不餓”—4“非常饑餓”），完成食物決策任務(wù)和fNIRS數(shù)據(jù)采集。運(yùn)動實(shí)驗(yàn)為：30 min中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動后填寫《主觀體力感覺等級表》（rating of perceived exercise，RPE），評價(jià)此時(shí)的饑餓感，完成食物決策任務(wù)和fNIRS數(shù)據(jù)采集。肥胖被試兩次實(shí)驗(yàn)的間隔大于7天，采用ABBA法平衡順序效應(yīng)；對照組只參加基線實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動方案

根據(jù)《ACSM運(yùn)動測試與運(yùn)動處方指南》對運(yùn)動強(qiáng)度的定義，使用HRR法制訂運(yùn)動方案。最大心率用公式HRmax=208-0.7×年齡估算（Tanaka et al.，2001）。HRR法公式如下：THR=（HRmax/peak-HRrest）×期望強(qiáng)度%＋HRrest。

被試使用motion cycle 600型功率自行車運(yùn)動，運(yùn)用POLAR心率表監(jiān)測心率。運(yùn)動強(qiáng)度為50%HRR，前5 min用于提高心率到THR，然后繼續(xù)運(yùn)動30 min。

1.2.3 食物決策任務(wù)

通過E-prime 3.0呈現(xiàn)視覺刺激并記錄被試的反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)任務(wù)參照Hare等（2009，2011）的研究，包括食物估值（健康評分任務(wù)、美味評分任務(wù)）和食物選擇（食物選擇任務(wù)）兩個(gè)階段（圖1）。健康評分任務(wù)中，被試對食物的健康程度進(jìn)行4點(diǎn)評分，1表示“非常不健康”，2表示“不健康”，3表示“健康”，4表示“非常健康”。美味評分任務(wù)中，被試對食物的美味程度進(jìn)行4點(diǎn)評分，1表示“非常不好吃”，2表示“不好吃”，3表示“好吃”，4表示“非常好吃”。食物選擇任務(wù)中，被試對食物的選擇強(qiáng)度進(jìn)行4點(diǎn)評分，1表示“強(qiáng)烈拒絕”，2表示“拒絕”，3表示“選擇”，4表示“強(qiáng)烈選擇”。3個(gè)任務(wù)各有50個(gè)試次（trail）。每個(gè)trail包含注視點(diǎn)屏、刺激屏和反饋屏。為消除被試按鍵反應(yīng)的差異，對按鍵對應(yīng)的評分等級進(jìn)行被試間平衡。被試被告知實(shí)驗(yàn)結(jié)束后會讓他們吃一種剛才選擇的食物。50張食物刺激圖片隨機(jī)呈現(xiàn)，它由預(yù)實(shí)驗(yàn)選出，包含漢堡包、炸雞翅、蘋果和炒生菜等。所有圖片的分辨率均為1024×798，位深度均為32，背景顏色均為黑色（RGB值：0，0，0）。

圖1 食物決策任務(wù)Figure 1.Food Decision-making Task

1.2.4 fNIRS監(jiān)測

采用美國NIRx公司生產(chǎn)的NIRScout功能性近紅外光譜儀監(jiān)測被試執(zhí)行食物選擇任務(wù)過程中前額葉的血氧信號。NIRScout的光極包括8個(gè)雙波長光源（785 nm和830 nm）和7個(gè)探測器，以3.0 cm的間距構(gòu)成20個(gè)通道，覆蓋前額葉皮層，位置根據(jù)10～20系統(tǒng)布置，通過概率配準(zhǔn)方法把fNIRS通道位置與MNI空間坐標(biāo)配準(zhǔn)，獲得與布魯?shù)侣謪^(qū)的對應(yīng)關(guān)系（圖2）。樣本采樣率為7.81 Hz。

圖2 fNIRS光極和通道分布示意圖Figure 2.Placement of fNIRS Probes and Channels

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 行為學(xué)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)被試對食物刺激的健康和美味評分，把食物刺激分為4種：不好吃-不健康、不好吃-健康、好吃-不健康、好吃-健康。之后，根據(jù)被試對食物刺激的選擇強(qiáng)度評分，定義選擇不好吃-健康的食物和拒絕好吃-不健康的食物的trail為自我控制成功的trail。然后，計(jì)算被試的健康評分、美味評分、選擇4種食物的百分比以及自我控制成功次數(shù)的百分比，將選擇強(qiáng)度評分作為因變量，健康評分和美味評分納入方程，選擇Enter法進(jìn)行回歸分析，得到標(biāo)準(zhǔn)化的回歸系數(shù)（beta）。

1.3.2 fNIRS數(shù)據(jù)處理

使用Matlab功能包nirsLAB（v2016）對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，帶通濾波濾除小于0.01 Hz和大于0.2 Hz的頻率成分，根據(jù)modified Beer-Lambert law將光學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為血氧數(shù)據(jù)，再通過一般線性模型（GLM）分析獲得自我控制成功條件下的beta值。HbO指標(biāo)對任務(wù)刺激的變化更加敏感，與 fMRI的 BOLD（blood-oxygenation level-dependent）信號相關(guān)性更好（Strangman et al.，2002），故只分析HbO的變化。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 25.0軟件對行為學(xué)結(jié)果采用配對樣本t檢驗(yàn)和獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)分析。fNIRS分析先對肥胖者基線和運(yùn)動條件下以及對照組自我控制成功時(shí)的beta值分別進(jìn)行單樣本t檢驗(yàn)，然后對肥胖者基線和運(yùn)動條件下自我控制成功時(shí)的beta值進(jìn)行配對樣本t檢驗(yàn)，對對照組和肥胖者兩種實(shí)驗(yàn)條件下的beta值分別進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)。之后，采用皮爾遜相關(guān)分析和回歸分析探討通道beta值與自我控制成功次數(shù)百分比間的關(guān)系。使用基于FDR標(biāo)準(zhǔn)的BH法（Singh et al.，2006）對多重比較的P值進(jìn)行校正（q value of maximum FDR=0.05），并在結(jié)果中標(biāo)明。

2 研究結(jié)果

2.1 有氧運(yùn)動處理

運(yùn)動干預(yù)過程的平均功率為84.46±17.94 watt，平均轉(zhuǎn)速為64.39±10.98 rpm，被試的平均心率為139.32±5.93 bpm，平均消耗能量為176.22±34.00 Kcal，《主觀體力感覺等級表》的平均得分為12.39±0.99，核心運(yùn)動強(qiáng)度為49.80%±4.07%HRR，處于40%～60%HRR范圍，屬于中等強(qiáng)度。核心運(yùn)動強(qiáng)度與《主觀體力感覺等級表》得分呈顯著正相關(guān)（r=0.734，P=0.000）。

2.2 短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動對食物決策行為的影響

對成年早期肥胖者運(yùn)動和基線條件下選擇不好吃-不健康、不好吃-健康、好吃-不健康、好吃-健康食物的百分比以及自我控制成功次數(shù)的百分比進(jìn)行配對樣本t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與基線狀態(tài)相比，運(yùn)動后成年早期肥胖者選擇不好吃-健康食物的百分比顯著提高[（t27）=4.371，P=0.000，r2pb=0.414，95%CI：0.037，0.102，圖3A]，選擇好吃-不健康食物的百分比顯著降低[（t27）=-4.542，P=0.000，r2=0.433，95%CI：-0.169，-0.064，圖 3A]，選擇好吃-健pb康食物的百分比顯著提高[（t27）=2.378，P=0.025，r2pb=0.173，95%CI：0.009，0.125，圖3A]，自我控制成功次數(shù)的百分比顯著提高[（t27）=2.533，P=0.017，r2pb=0.192，95%CI：0.020，0.186，圖3B]。

圖3 食物決策任務(wù)行為學(xué)結(jié)果示意圖Figure 3.Behavioral Results of Food Decision-making Task

對基線條件下成年早期肥胖者和對照組進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，成年早期肥胖者比對照組選擇不好吃-健康食物的百分比更小[t（55）=-3.422，P=0.001，r2pb=0.176，95%CI：-0.078，-0.020，圖3A]，選擇好吃-不健康食物的百分比更 大[t（55）=8.032，P=0.000，r2pb=0.540，95%CI：0.158，0.264，圖3A]，自我控制成功次數(shù)的百分比更低[t（55）=-7.532，P=0.000，r2pb=0.508，95%CI：-0.282，-0.164，圖3B]。

對運(yùn)動條件下成年早期肥胖者和對照組進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動后成年早期肥胖者僅比對照組選擇好吃-不健康食物的百分比更大[（t55）=3.279，P=0.002，r2pb=0.164，95%CI：0.037，0.152，圖3A]，自我控制成功次數(shù)的百分比仍然低于對照組[t（55）=-2.990，P=0.004，r2pb=0.140，95%CI：-0.200，-0.040，圖3B]。

配對樣本t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動后成年早期肥胖者與基線條件下的健康評分[（t49）=1.541，P=0.130，95%CI：-0.012，0.087]、美味評分[（t49）=-1.956，P=0.056，95%CI：-0.094，0.001]、美味評分的 beta值[t（27）=-1.499，P=0.146，95%CI：-0.264，0.041]無顯著差異，健康評分的beta值顯著增加[（t27）=4.115，P=0.000，r2pb=0.385，95%CI：0.120，0.360；獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，基線和運(yùn)動后成年早期肥胖者的健康評分[（t98）=-0.038，P=0.970，r2pb=0.000，95%CI：-0.338，0.325；（t98）=-0.275，P=0.784，95%CI：-0.363，0.275]和美味評分[t（98）=-1.309，P=0.194，95%CI：-0.214，0.044；t（98）=-0.557，P=0.579，95%CI：-0.176，0.099]與對照組相比均無顯著差異?；€條件下，成年早期肥胖者健康評分的beta值顯著低于對照組[（t55）=-8.309，P=0.000，r2pb=0.557，95%CI：-0.628，-0.384]，美味評分的 beta值顯著高于對照組[（t55）=3.231，P=0.002，r2pb=0.160，95%CI：0.059，0.251]；運(yùn)動后，成年早期肥胖者只有健康評分的beta值顯著低于對照組[（t55）=-4.523，P=0.000，r2pb=0.271，95%CI：-0.384，-0.148]（圖3C、3D）。對照組與成年早期肥胖者在食物決策任務(wù)前的饑餓感無顯著差異（P＞0.05）。

實(shí)驗(yàn)說明，短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動沒有改變成年早期肥胖者對食物健康和美味程度的評價(jià)，而是改變了成年早期肥胖者選擇食物時(shí)健康和美味價(jià)值的權(quán)重（更多地考慮健康價(jià)值），從而改變了食物選擇行為。但基線和運(yùn)動后的成年早期肥胖者與對照組的食物決策行為相比，考慮健康價(jià)值的食物選擇行為較少。

2.3 對照組、肥胖組基線和運(yùn)動后在食物決策任務(wù)下的腦激活情況

對對照組、肥胖組基線和運(yùn)動后自我控制成功時(shí)各通道的beta值進(jìn)行單樣本t檢驗(yàn)（FDR校正），檢驗(yàn)值為0。根據(jù)各通道的t值，繪制熱點(diǎn)圖（圖4）。對照組自我控制成功時(shí)，顯著激活的通道包括ch1[l-DLPFC，（t27）=4.954，P=0.000，r2pb=0.476]、ch2[l-DLPFC，（t27）=3.884，P=0.001，r2pb=0.358]、ch4[l-OFC，（t27）=-2.785，P=0.009，r2pb=0.223]和ch15[r-DLPFC，（t27）=3.054，P=0.005，r2pb=0.257]，其余通道沒有被顯著激活?；€條件下，成年早期肥胖者自我控制成功時(shí)沒有任何通道顯著激活；運(yùn)動后成年早期肥胖者自我控制成功時(shí)，顯著激活的通道包括ch1[l-DLPFC，t（27）=4.477，P=0.000，r2pb=0.426]和 ch2[l-DLPFC，t（27）=3.778，P=0.001，r2pb=0.346]，其余通道沒有被顯著激活。

對自我控制成功時(shí)ch1、ch2、ch4、ch15的beta值與自我控制成功次數(shù)的百分比進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，自我控制成功次數(shù)的百分比與ch1[l-DLPFC，r=0.333，P=0.002]和ch2[l-DLPFC，r=0.478，P=0.000]的激活水平呈顯著正相關(guān) ，與 ch4[l-OFC，r=-0.048，P=0.664]和 ch15[r-DLPFC，r=0.045，P=0.683]的激活水平無顯著相關(guān)（圖5），ch1和ch2可能是與食物決策中自我控制有關(guān)的通道。

圖4 被試自我控制成功時(shí)各通道t值的熱點(diǎn)圖Figure 4.Heatmaps of T-value of Each Channel in Successful Self-control Trials

圖5 自我控制成功次數(shù)的百分比與自我控制成功時(shí)ch1和ch2激活的關(guān)系Figure 5.Percentages of Successful Self-control Trials（y-axis）across Beta Values in ch1 and ch2 in Successful Self-control Trials（x-axis）

2.4 短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動對食物決策任務(wù)中腦激活的影響

對成年早期肥胖者運(yùn)動和基線條件下ch1與ch2的beta值進(jìn)行配對樣本t檢驗(yàn)（FDR校正）發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動后成年早期肥胖者與基線狀態(tài)相比，ch1[l-DLPFC，（t27）=3.654，P=0.001，r2pb=0.331]和 ch2[l-DLPFC，t（27）=4.235，P=0.000，r2pb=0.399]的激活水平更高（圖6A）。

對基線條件的成年早期肥胖者和對照組ch1與ch2的beta值進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)（FDR校正）發(fā)現(xiàn)，成年早期肥胖者比對照組ch1[l-DLPFC，（t27）=-3.381，P=0.001，r2pb=0.297]和ch2[l-DLPFC，（t27）=-3.791，P=0.000，r2pb=0.347]的激活水平更低（圖6B）。

對運(yùn)動條件的成年早期肥胖者和對照組ch1與ch2的beta值進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)（FDR校正）發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動后成年早期肥胖者比對照組 ch2[l-DLPFC，t（27）=-2.331，P=0.023，r2pb=0.168]的激活水平更低，ch1的激活水平無顯著差異[（t27）=0.088，P=0.930]（圖6C）。

實(shí)驗(yàn)說明，短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動能增加成年早期肥胖者食物決策中與自我控制有關(guān)的l-DLPFC激活水平；但與對照組相比，基線和運(yùn)動后的l-DLPFC激活較低。

圖6 肥胖組和對照組自我控制成功時(shí)各通道激活的差異情況Figure 6.Heatmaps of T-value of Differences between Obese and Normal BMI YoungAdults in Each Channel in Successful Self-control Trials

2.5 肥胖者自我控制成功時(shí)通道激活水平與自我控制成功次數(shù)百分比的相關(guān)性

運(yùn)動后減去基線條件，得到短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動后肥胖被試在ch1和ch2的激活變化量，以及自我控制成功次數(shù)百分比的變化量。皮爾遜相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，自我控制成功次數(shù)的百分比變化量與ch1（l-DLPFC，r=0.405，P=0.032）和ch2（l-DLPFC，r=0.566，P=0.002）的激活變化量存在顯著正相關(guān)（圖7）。將自我控制成功次數(shù)百分比的變化量作為因變量，ch1和ch2的激活變化量納入方程，選擇Enter法進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，ch1（l-DLPFC，beta=0.396，P=0.011）和 ch2（l-DLPFC，beta=0.559，P=0.001）的激活水平是自我控制成功次數(shù)百分比的影響因素，回歸方程決定系數(shù)R2=0.477。實(shí)驗(yàn)說明，隨著l-DLPFC激活水平的升高，自我控制成功次數(shù)的百分比也會增加，即運(yùn)動后食物決策中，l-DLPFC的激活增高與自我控制能力提高相關(guān)。進(jìn)一步說明，短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動能增加成年早期肥胖者食物決策中與自我控制有關(guān)的l-DLPFC激活水平，提高自我控制能力，從而做出更多考慮健康價(jià)值的食物選擇行為。

圖7 肥胖者自我控制成功次數(shù)的變化量與自我控制成功時(shí)ch1和ch2激活變化量的關(guān)系Figure 7.The Change in Percentages of Successful Self-control Trials（y-axis）across the Change in Beta Values in ch1 and ch2 in Successful Self-control Trials（x-axis）in Obese YoungAdults

3 討論

3.1 實(shí)驗(yàn)處理的有效性分析

本研究針對成年早期肥胖者采用完全被試內(nèi)設(shè)計(jì)，消除個(gè)體差異的影響，基線和運(yùn)動兩個(gè)條件采用ABBA法來平衡順序效應(yīng)，同時(shí)選取正常BMI成人作為對照組衡量成年早期肥胖者的運(yùn)動干預(yù)效果。本研究的運(yùn)動干預(yù)滿足美國運(yùn)動醫(yī)學(xué)學(xué)會（2015）對中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動的界定，實(shí)驗(yàn)任務(wù)能有效反映食物決策，fNIRS技術(shù)和分析方法可靠，消除無關(guān)變量對研究結(jié)果的影響，能科學(xué)說明成年早期肥胖者的食物決策行為改變及腦激活增高是短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動所致。

3.2 成年早期肥胖者和對照組的食物決策行為及腦功能差異分析

本研究通過食物決策任務(wù)評估成年早期肥胖者和對照組對食物健康和美味的評價(jià)以及相應(yīng)的選擇行為，發(fā)現(xiàn)成年早期肥胖者與對照組對食物健康和美味的評價(jià)無顯著差異，但選擇食物時(shí)，會更多考慮食物的美味價(jià)值，較少考慮食物的健康價(jià)值，選擇不好吃-健康食物的百分比更小，選擇好吃-不健康食物的百分比更大，自我控制成功次數(shù)的百分比更低。這說明，較低的自我控制可能以多種方式導(dǎo)致不健康飲食和BMI的增加，不僅僅是通過破壞人們對好吃-不健康食物誘惑的抵抗能力。本研究采用fNIRS技術(shù)探測了成年早期肥胖者和對照組選擇食物時(shí)前額葉的血氧信號，發(fā)現(xiàn)成年早期肥胖者自我控制成功時(shí)前額葉激活不顯著，而對照組的雙側(cè)DLPFC激活增高，l-OFC激活降低。同時(shí)，自我控制成功次數(shù)的百分比與l-DLPFC的激活水平呈顯著正相關(guān)。血液動力學(xué)結(jié)果與行為學(xué)結(jié)果相符，成年早期肥胖者自我控制成功次數(shù)的百分比僅為11.68%±2.17%，可能是l-DLPFC功能較弱導(dǎo)致的。

這與前人對成功自我控制者和非自我控制者的研究結(jié)果較為一致。非自我控制者選擇好吃-不健康食物的百分比更大，好吃-健康食物的百分比更小。并且，在自我控制成功trail中，成功自我控制者l-DLPFC的激活比非自我控制者更大（Hare et al.，2009）。Chen等（2018）發(fā)現(xiàn)，DLPFC的激活與食物決策中成功的自我控制呈正相關(guān)。一些研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用持續(xù)短陣快速脈沖刺激（continuous theta burst stimulation，cTBS）抑制l-DLPFC功能，會增加個(gè)體對高熱量美味食物的渴求與攝入（Lowe et al.，2014a，2017b）；運(yùn)用經(jīng)顱直流電刺激（transcranial direct current stimulation，tDCS）促進(jìn)右側(cè) DLPFC（r-DLPFC）激活，對減少食物渴望、高熱量食物選擇和熱量攝入沒有明顯效果（Georgii et al.，2017）。這可能是本研究只發(fā)現(xiàn)l-DLPFC激活有顯著差異的原因。對照組自我控制成功時(shí)，l-OFC的激活降低，可能是l-DLPFC調(diào)制引起的（Dagher，2012；Hollmann et al.，2012；Mengotti et al.，2018）。DLPFC在肥胖者和正常BMI者獎賞相關(guān)決策中的參與程度不同，可能是因?yàn)閮烧哂胁煌膬?nèi)部目標(biāo)，因此做出不同的食物選擇，而維持這些目標(biāo)的神經(jīng)機(jī)制會產(chǎn)生不同的反應(yīng)模式（Morys et al.，2018）。

本研究驗(yàn)證了l-DLPFC是食物決策自我控制的關(guān)鍵腦區(qū)，l-DLPFC的激活反映了個(gè)體的自我控制能力。綜上所述，成年早期肥胖者食物決策中的自我控制能力與對照組相比較弱，驗(yàn)證假設(shè)一。

3.3 短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動改善成年早期肥胖者的食物決策行為及腦功能分析

本研究通過食物決策任務(wù)和fNIRS技術(shù)評估了短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動對成年早期肥胖者食物決策行為及相關(guān)前額葉激活的影響，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動后成年早期肥胖者與基線條件下對食物健康和美味的評價(jià)無顯著差異，但選擇食物時(shí)，會更多地考慮食物的健康價(jià)值，選擇不好吃-健康食物和好吃-健康食物的百分比顯著提高，選擇好吃-不健康食物的百分比顯著降低，自我控制成功次數(shù)的百分比顯著提高，l-DLPFC的激活水平顯著升高，自我控制成功次數(shù)的百分比增加量與l-DLPFC的激活增高量存在顯著正相關(guān)。這說明，運(yùn)動不僅增強(qiáng)人們對好吃-不健康食物誘惑的抵抗，也會增加對不好吃-健康食物和好吃-健康食物的選擇。隨著l-DLPFC激活水平的升高，食物決策的自我控制增強(qiáng)，這可能是因?yàn)閘-DLPFC是食物決策執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵區(qū)域。Lowe等（2014b）發(fā)現(xiàn)，有氧運(yùn)動誘導(dǎo)的執(zhí)行功能增強(qiáng)有助于飲食領(lǐng)域的自我控制。相對于有食欲的零食（牛奶、巧克力和薯片），被試會吃更多的控制食物（黑巧克力和薄餅干）。Lowe等（2017a）采用cTBS抑制l-DLPFC激活，發(fā)現(xiàn)單次中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動能加速l-DLPFC抑制的恢復(fù)，說明有氧運(yùn)動對l-DLPFC皮質(zhì)彈性的有益作用。此外，本研究與有關(guān)認(rèn)知訓(xùn)練和神經(jīng)調(diào)控干預(yù)的結(jié)果一致。兩種干預(yù)手段是通過對DLPFC的激活來促進(jìn)執(zhí)行控制功能，幫助人們拒絕美味食物，做出健康食物選擇（Forcano et al.，2018）。DLPFC能激發(fā)個(gè)體長期的目標(biāo)導(dǎo)向行為（Chen et al.，2018），因此，運(yùn)動會促進(jìn)肥胖者堅(jiān)持減重的目標(biāo)，進(jìn)行食物決策時(shí)更多地考慮健康這種長期價(jià)值較大、延遲性的獎賞，有意識地抑制選擇美味這種長期價(jià)值較小、即時(shí)性的獎賞，做出符合長期目標(biāo)的食物選擇行為。

綜上所述，短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動通過促進(jìn)成年早期肥胖者l-DLPFC的激活，提高其自我控制能力，選擇食物時(shí)更多考慮食物的健康價(jià)值，但其權(quán)重仍然低于美味，部分驗(yàn)證假設(shè)二。運(yùn)動后的成年早期肥胖者與對照組的食物決策相比，考慮健康價(jià)值的程度仍然較低，做出的健康決策仍然較少，自我控制成功時(shí)l-DLPFC的激活較低，提示成年早期肥胖者需要進(jìn)行長期的有氧運(yùn)動干預(yù)。

有氧運(yùn)動改善成年早期肥胖者食物決策的原因可能是：1）增強(qiáng)食物決策相關(guān)腦網(wǎng)絡(luò)的功能連接。運(yùn)動增加了執(zhí)行控制腦網(wǎng)絡(luò)的DLPFC激活，從而增強(qiáng)DLPFC與VMPFC、OFC等食欲網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵區(qū)域的功能連接，使VMPFC和OFC編碼價(jià)值信號中的健康權(quán)重增加，使個(gè)體適當(dāng)?shù)貦?quán)衡健康這種長期價(jià)值較大、延遲性的獎賞，做出健康的食物決策（Hare et al.，2009，2011）。2）增加個(gè)體的前額皮質(zhì)體積和執(zhí)行功能（Greeff et al.，2018），提高大腦中增強(qiáng)認(rèn)知能力和神經(jīng)可塑性的生化指標(biāo)（Tsai et al.，2014），如腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）和胰島素樣生長因子（insulin-like growthfactor-1，IGF-1）。3）改善人體進(jìn)食相關(guān)的激素水平（Krae-mer et al.，2007；Yu et al.，2017），如瘦素（leptin）、空腹胰島素（fasting glucose）和胃饑餓素（ghrelin）等，調(diào)節(jié)食欲，改善內(nèi)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，做出健康的食物決策。4）增加人體產(chǎn)生愉悅感的激素水平（Sharifi et al.，2018），如血清素（serotonin）和內(nèi)啡肽（beta-endorphin），彌補(bǔ)肥胖個(gè)體的快感缺失，抵抗美味這種即時(shí)獎賞的誘惑。這說明，有氧運(yùn)動是一種改善成年早期肥胖者食物決策的有效手段。

3.4 本研究的不足與未來研究方向

雖然fNIRS的測量僅限于皮層表面，不能監(jiān)測食物決策相關(guān)的包含紋狀體的食欲網(wǎng)絡(luò)和以下丘腦和后腦回路為中心的內(nèi)穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，以及位于大腦深處的味覺加工區(qū)域，但它能較好地反映前額葉區(qū)域的血氧響應(yīng)，從自我控制角度揭示短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動對成年早期肥胖者食物決策及腦功能的積極效應(yīng)，拓寬運(yùn)動干預(yù)與成年早期肥胖者腦功能研究的視野。未來可結(jié)合fMRI開展基于多模態(tài)神經(jīng)成像技術(shù)的食物決策腦網(wǎng)絡(luò)研究，為揭示運(yùn)動干預(yù)改善肥胖者食物決策的神經(jīng)回路提供證據(jù)；利用fNIRS技術(shù)便攜、耐受性高的優(yōu)點(diǎn)，針對運(yùn)動干預(yù)效果開展大樣本追蹤研究。短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動能改善成年早期肥胖者的食物決策行為及腦激活水平，但仍達(dá)不到對照組的基線水平，后續(xù)可進(jìn)一步考察長期運(yùn)動干預(yù)對成年早期肥胖者食物決策的影響。另外，本研究針對成年早期肥胖者采用完全被試內(nèi)設(shè)計(jì)，正常BMI對照組只參加基線實(shí)驗(yàn)，后續(xù)研究中可進(jìn)一步考察運(yùn)動對肥胖組和對照組食物決策改善效果的差異，采用雙盲實(shí)驗(yàn)避免霍桑效應(yīng)的影響。

4 結(jié)論

本研究采用fNIRS技術(shù)考察了30 min中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動對成年早期肥胖者食物決策的影響以及前額葉激活的變化情況。行為學(xué)與血流動力學(xué)結(jié)果一致，驗(yàn)證了l-DLPFC是食物決策自我控制的關(guān)鍵腦區(qū)，其激活水平反映了個(gè)體的自我控制能力。研究發(fā)現(xiàn)，30 min中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動能顯著提高成年早期肥胖者自我控制成功次數(shù)的百分比，具體表現(xiàn)為選擇不好吃-健康和好吃-健康食物的百分比增高，選擇好吃-不健康食物的百分比降低。并且，有氧運(yùn)動能顯著提升成年早期肥胖者食物決策相關(guān)的l-DLPFC激活水平。但基線和運(yùn)動后成年早期肥胖者與對照組相比，選擇食物時(shí)考慮健康價(jià)值的程度、選擇健康食物的比例及l(fā)-DLPFC激活水平均較低。本研究表明，短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動能有效改善成年早期肥胖者的食物決策，神經(jīng)基礎(chǔ)之一可能是短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動能提高l-DLPFC激活水平，促進(jìn)自我控制能力提高，改變選擇食物時(shí)健康和美味價(jià)值的權(quán)重，做出更多健康的食物決策。但成年早期肥胖者的食物決策仍有改善的空間，未來可進(jìn)行長期有氧運(yùn)動干預(yù)。