運動增強老年人腦的認知能力

段英梅 商秀海、2

運動增強老年人腦的認知能力

段英梅1商秀海1、2

（1.郭里園小學，江蘇 南通 226000；2.祥明大學，韓國 首爾 03016）

運動可以通過增加大腦體積、改善情景記憶力、增強執(zhí)行能力、提高注意力和處理速度等機制來對大腦認知能力進行改善。在細胞分子水平上，運動可以增加神經(jīng)元、增強突觸可塑性以及提高腦源性神經(jīng)因子生成量來刺激大腦，改善大腦衰老造成的認知能力下降等問題。

運動；認知能力；老年人；大腦

老年人隨著年齡的增加，大腦機能也隨著衰老，不可避免的造成老年人認知能力下降以及記憶方面的障礙。在衰老過程中變化包括腦體積變小、腦細胞丟失、神經(jīng)突觸刺激活性下降以及活性氧累積增加。如此復雜的變化，在不同的情況下有可能會導致癡呆。通過查閱文獻可知，由年齡增加而造成的大腦衰老從而導致的癡呆癥，是全球最為嚴重的醫(yī)學難題之一，目前為止沒有較好的解決方案。

大腦會隨著年齡的增加而衰老，但是其學習能力與記憶能力并不會消失。據(jù)查閱資料得知，某些個體大腦雖然會出現(xiàn)大腦衰老的變化，但是認知能力幾乎不會下降。在大腦衰老過程中，一些措施可以起到作用，其中堅持運動可以有效的預防或減緩癡呆病癥，在Barnesand Yaffe的文章中，這一措施得到了證明[1]。

在本文中，主要討論老年人大腦衰老導致認知能力下降的原因，進而探析大腦與體育運動的關聯(lián)，并對運動如何激發(fā)大腦可以改善老年人認知能力進行深度剖析。

1 老年人大腦衰老的變化

世界醫(yī)學發(fā)展，各國研究人員通過研究，發(fā)現(xiàn)了較多關于大腦衰老或者各種神經(jīng)性疾病發(fā)生后大腦產(chǎn)生變化的信息。其中最為重要的關鍵性變化有以下幾條：大腦體積變小，特別是在涉及到學習和記憶的區(qū)域，例如前額葉皮層和海馬區(qū)；大腦中血管發(fā)生變化。由于動脈變得較窄，而且新生毛細血管的數(shù)量變少，造成血流量變少；腦細胞缺失嚴重，特別是神經(jīng)元的缺失；神經(jīng)遞質(zhì)功率的降低，髓鞘降解以及神經(jīng)突觸受體缺失，從而導致神經(jīng)突觸的連接功能缺失；體內(nèi)活性氧的積累增多，從而導致腦中活性氧也較多；產(chǎn)生慢性炎癥的癥狀。

2 運動能夠增強大腦認知能力

在過去的歲月中，研究人員對運動如何對大腦產(chǎn)生積極影響的研究越來越深入。如今，我們已經(jīng)了解到運動能夠促進大腦健康生長并且延緩大腦衰老，還能降低阿爾茲海默癥認知能力下降的發(fā)生率。經(jīng)查閱文獻資料，堅持運動能夠增加大腦的體積，提高神經(jīng)突觸的可塑性，減少活性氧的積累，提高腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子的效率等等。所有的這些不但能改善腦的認知能力，而且可以改善學習能力和記憶能力。

2.1 運動增大大腦體積

大腦中負責學習功能和記憶功能的兩個關鍵區(qū)域為前額葉皮層以及海馬區(qū)。隨著年齡的增長，前額葉皮層和海馬區(qū)中的白質(zhì)能夠減少1%-2%[2]。即便是白質(zhì)減少與大腦認知能力的下降沒有直接關系，間接上也能夠使得大腦產(chǎn)生認知能力下降風險增加。那么這兩個區(qū)域內(nèi)的白質(zhì)的減少，有沒有辦法避免呢？答案是肯定的，通過中等強度的運動能夠預防白質(zhì)的減少。在Erickson與同事所做的一項研究中得知，進行了1年的有氧運動使海馬區(qū)體積增大了2%。老年人的大腦衰老過程中，海馬區(qū)每年減少1%-2%，而運動能夠增加海馬區(qū)體積2%，相當于在老齡化的人群中，海馬體的價值增加了1%-2%[3]。

海馬區(qū)的主要作用在于參與各種記憶功能，例如各種情景記憶以及空間記憶等等。因此我們能夠得出一個結論，海馬區(qū)體積的增大，能夠改善大腦在這些方面的認知能力。有研究可知，運動能力與水平較高的人相比于運動能力與水平較低的人來說，前者擁有更大的海馬區(qū)和更好的記憶能力。我們通過探索性分析得知，海馬區(qū)體積的變化介導了認知能力與記憶能力之間的關系。

從運動中受益的不僅僅是海馬區(qū)，還有前額葉皮層。前額葉皮層的減少，同樣可以通過運動來進行彌補，堅持兩年中等強度的有氧運動，能夠有效的抵消大腦衰老帶來的前額葉皮層減少。而且，即使運動停止半年，其帶來的益處也能夠持續(xù)的存在，阻止認知能力的下降[4]。具體來講，則是指注意力的轉移和記憶力的改善，與前額葉體積變化成正比。

眾所周知，運動并不能改善影響大腦內(nèi)的所有區(qū)域。但是運動是少數(shù)可以選擇性的對與年齡有關認知下降最敏感的大腦區(qū)域干預策略之一?？傊夏耆藦氖麦w育運動，能夠促進大腦重建1立方毫米。

2.2 運動改善情景記憶力

上述我們已經(jīng)知道了由于年齡造成的大腦體積變小，我們可以通過運動來對其進行緩解修復。這種形式的腦體積增加，是指大腦產(chǎn)生新的腦細胞，并且在新的腦細胞之間建立新的連接，這是認知能力的重要影響因素。認知能力是指關于認知功能的總稱，期中包含了情景記憶力、注意力、執(zhí)行能力、處理速度、工作記憶力、語言能力、閱讀能力等等[5]。通過人體研究和動物研究所得到的數(shù)據(jù)可知，認知功能的所有能力都會隨著年齡的增長而下降，但是體育運動能夠提高大腦的抵抗力，減少與年齡有關的大腦衰老造成的傷害，進而可以在這些領域內(nèi)維持認知能力。

運動能夠改善情景記憶力，情景記憶力是指能夠記住關于某個人的信息以及所經(jīng)歷的事情的能力[6-7]。

情景記憶力中最為常見的認知需求是記住某件特定事情的發(fā)生地點、時間等等，這種能力的主要作用為區(qū)分相似事件。研究顯示，運動對人類和動物，具有重大的影響。我們可知，關于依靠海馬區(qū)進行記憶的動物文獻，顯示自愿奔跑與記憶力的表現(xiàn)成正相關關系[8-9]。大多數(shù)的語言記憶以及延遲處理、情景記憶以及人臉、名稱相關的人類研究顯示出，老年人堅持運動，這些都會得到改善提升。

2.2.1運動增強執(zhí)行能力

與情景記憶類似，執(zhí)行能力還指多種認知能力通過組合，上下協(xié)調(diào)共同完成目標。執(zhí)行能力包含了多個不同的部分，有集合移動、潛在的響應抑制、更新記憶、處理速度[10]。

多項研究表明，運動對執(zhí)行功能具有一定的改善作用。Colcombe and Kramer（2003）進行了相關的薈萃分析，結果顯示，運動能夠改善提高認知相關的多個方面，其中在執(zhí)行能力的控制機制方面是最為明顯的。這是一個非常重要的關鍵點，執(zhí)行能力的控制是認知能力最為重要的一部分，幾乎涵蓋了個人日常生活的全部。執(zhí)行能力能夠幫助人們更好的運動，但是，如果想要從中看到效果，這就需要人們通過刻苦的訓練。比如，在嘗試一種新的運動方式時，要努力克服短期效果不明顯、心里壓力大等困難，從而獲得后期的回報，例如減肥、改善身心健康等等。因此，執(zhí)行能力的各個方面對于開始和堅持體育運動是必不可少的。進行體育運動并堅持下去，需要有效的執(zhí)行能力，而且要在運動與執(zhí)行能力之間建立有效的雙向積極關系。

不僅僅是人類能夠?qū)\動進行反應，動物同樣能對運動表現(xiàn)出良好的執(zhí)行能力。比如，一條經(jīng)過訓練并且可以在跑步機上跑步的成年狗，每天進行10分鐘的運動，就能夠有效改善執(zhí)行能力，而且在學習任務中的表現(xiàn)更好[10]。有趣的是，經(jīng)過觀察，狗學會了在跑步機上跑步之后，每天都會期待跑步，這說明了上文所述的積極地雙向關系。在人類身上，動力是堅持運動的關鍵因素，運動與執(zhí)行能力之間的雙向關系應當鼓勵支持。

2.2.2運動提高注意力和處理速度

與老年人執(zhí)行能力密切相關的兩個方面，注意力和處理速度，從而運動與這兩個方面同樣高度相關。老年人的注意力和處理速度下降，通常是通過反應時間來進行測量得到的結論。處理速度下降會導致控制行為、反應能力甚至日常活動能力受到影響。因此，提高人類處理速度，對于研究人口老齡化至關重要。這方面的臨床研究非常少，通過薈萃分析得到的研究表示，有氧運動能夠有效的提高人類的認知能力，尤其是執(zhí)行能力[4，11]。在研究中評估了有氧運動對執(zhí)行能力的影響，最后對數(shù)據(jù)進行薈萃分析，運動與非運動對照組之間的處理速度的差異較為明顯。在這項研究中，選擇的運動為太極拳、有氧運動以及抗阻運動。薈萃分析得出的結論為：將有氧運動與抗阻運動、柔韌性訓練相結合可以改善執(zhí)行能力的效率，其中包含了注意力、工作記憶、處理速度。

對老年人進行運動干預，在之前已經(jīng)有較多的研究者對其進行了研究。其中一項實驗表明，在對老年人進行為期4個月的有氧運動干預后，與對照組進行比較得知，運動干預對于改善老年人的反應時間，具有明顯的作用[12]。Hawkins等人獲得了類似的結果。他的報告指出，在老年人中，適量運動可以有效改善與大腦衰老有關的各項能力（Hawkins等，1992）。還有一項研究表明，對老年人的運動干預中，進了有氧訓練與抗阻訓練相結合的訓練方式，得到結果，注意力得到改善的程度更大[13]。有研究者指出，在大多數(shù)的執(zhí)行能力的指標上，運動具有更好的改善效果。有較多的研究者都認為，非常多的證據(jù)能夠表明運動能有效改善處理速度，進而提升執(zhí)行能力。這些說明了運動是改善老年人腦的有效而且成本低廉的干預措施。

2.3 運動改善記憶力

多項研究表明，長期運動可以改善認知功能，少量的運動也可以改善大腦功能，增強記憶。記憶一種學習后現(xiàn)象，指的是把新知識從不穩(wěn)定變?yōu)榉€(wěn)定。檢查記憶整合的一種有效方法是，在學習新的內(nèi)容之后，用運動的方式進行干預，然后有選擇的測試運動對于記憶力的影響。如今使用這種方法進行的研究表明，體育運動可以有效改善人類、狗以及老鼠在內(nèi)的不同物種之間的記憶[10，14-15]。在改善過程中，突觸前和突出后伴隨著蛋白水平增加?？偟膩碚f即使是少量的運動同樣能夠觸發(fā)蛋白水平的增加，并改善認知功能，但是其不能相比于長期高水平的運動帶來的益處。

3 實驗的不足

根據(jù)流行病學、神經(jīng)影像等研究的證據(jù)，這些都表明的體育運動能夠改善老年人的認知功能，但是通過仔細比對，各對照組實驗數(shù)據(jù)很大程度上不一致。造成數(shù)據(jù)不一致的原因有很多種，包括入選標準的差異、參與者的認知狀態(tài)、運動干預的強度、頻率、時間等等。

入選標準的差異包含了較多的因素，例如一部分研究者再招募時，會選擇一些運動愛好者，但是也有一部分研究者在招募時，會選擇身體比較弱小或者久坐的人。這樣對于數(shù)據(jù)的比較毫無疑問，運動干預對于身體較弱或者久坐的人來說，效果較為明顯。對于那些招募沒有認知障礙的人進行的干預，同樣也可以得到類似的結果，但是數(shù)據(jù)差異較小。另外對照組實驗的持續(xù)時間也會影響數(shù)據(jù)。因為對照組的認知能力會隨著時間而下降，而運動干預組的認知能力則會隨著時間而改善或者持平。短期的實驗可能不足以實現(xiàn)運動所帶來的改善。通過研究，發(fā)現(xiàn)短期的運動干預帶來的改善，很有可能是由身體之外的機制來促成的[16-18]。在以后的研究中方向，將會研究那些因素可以再短期內(nèi)介導體育運動與認知功能。

另外，對照試驗中運動干預內(nèi)容，不符合當前針對老年人的公共衛(wèi)生建議。老年人的運動建議為每周運動150分鐘，保持中等強度的有氧運動。而在試驗中，活動組的參與者每周進行運動時間長達4-7小時。上述內(nèi)容與先前提到的關于潛在混雜因素，對于研究對照試驗數(shù)據(jù)，具有一定的說服力。

4 分子水平上的促進機制

通過上述內(nèi)容，我們可以得到體育運動能夠有效改善老年人大腦衰老造成的認知障礙。那么對于其有效改善的機制進行研究說明就顯得非常重要。運動可以通過這種機制來調(diào)節(jié)大腦并且促進神經(jīng)元的功能。運動對于行為的影響可以在人體的研究和臨床試驗中得到結果，但是在細胞甚至分子水平上的影響，只能借助于動物試驗模型來進行。接下來，我們要對關于動物試驗模型的研究進行總結，得出以下觀點：體育運動能夠在不同的水平上對大腦進行重塑，包括基因以及蛋白質(zhì)表達的變化，還有最終能夠影響生理過程的細胞水平的修飾。能夠引起我們注意的是，運動通過神經(jīng)元回路的反映，對基本的生理過程產(chǎn)生積極影響，從而保護認知能力的改善。體育活動對腦的影響，產(chǎn)生最大變化的是海馬區(qū)，所以我們將重點研究體育運動在海馬區(qū)分子和結構重塑、突觸重塑以及分子連接中產(chǎn)生的影響。

4.1 運動促進神經(jīng)元的生成

長期以來，人們一直認為神經(jīng)元是從出生開始存在，并且伴隨著年齡的增長而不斷消逝。但是，經(jīng)過試驗研究，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元可以在人的大腦中生成[19]。神經(jīng)元的生成隨著人的衰老而變?nèi)?，從而影響人的認知能力。另有研究者發(fā)現(xiàn)，嚙齒類動物在進行了連續(xù)幾周的跑輪情況下，其神經(jīng)元的生成量增加，而且學習能力得到改善[20]。我們得知跑步能夠影響神經(jīng)元生成的許多方面，包括了細胞的增殖、存活以及神經(jīng)元的分化等等。有研究者提到，運動過程中，神經(jīng)元能夠保持生成，主要是由于海馬區(qū)血管增加，促進了生長因子和營養(yǎng)因子的獲得。運動過程中，能夠使生長因子VEGF和IGF-1上升，通過血液到達大腦，促進神經(jīng)元的生成與存活。

4.2 運動增強突觸可塑性

大腦適應新環(huán)境或者新的經(jīng)歷的變化，主要是以突觸可塑性作為基礎。研究海馬區(qū)突觸可塑性分子機制的最廣泛使用的模型之一是LTP。越來越多的數(shù)據(jù)表明，LTP與潛在的記憶突觸過程有因果關系。實際上，對LTP的分析通常用于對與年齡有關的記憶問題進行行為和藥理干預的初步評估，因為通常認為記憶缺陷是由突觸功能障礙和突觸可塑性下降引起的。在嚙齒動物中，存在海馬LTP損傷和突觸脆弱性，這正解釋了記憶力喪失的原因。體育運動可以使隨年齡增長的LTP下降。另外，在老年轉基因小鼠模型中，同樣觀察到了跑步機運動對海馬LTP的影響。

盡管在人體中研究LTP的方法尚未出現(xiàn)，但是使用創(chuàng)新的方法，在腦網(wǎng)絡水平上，同樣可以研究體育運動對突觸可塑性的影響。例如，有文獻可以證明，體育運動可以增加老年人大腦網(wǎng)絡的連貫性[21-22]。在一項為期一年的實驗中，使用有氧運動的方式進行干預后，磁共振成像對大腦網(wǎng)絡的連貫性和穩(wěn)定性評估顯示，運動增強了衰老性腦公能障礙兩個最為重要的認知網(wǎng)絡的連接性，這兩個腦網(wǎng)絡為默認模式網(wǎng)絡和額葉執(zhí)行網(wǎng)絡。

4.3 運動促進大腦與有益分子的連接

有研究表明，運動能夠在分子水平上促進腦中神經(jīng)元生長、發(fā)育以及存活，最主要的物質(zhì)為腦源性神經(jīng)因子。運動最為重要的作用之一，就是促進海馬區(qū)腦源性神經(jīng)因子的產(chǎn)生。由Cotman等進行的一項長達20年的實驗研究表明，體育運動能夠?qū)е履X源性神經(jīng)因子的上升，即使運動僅僅持續(xù)兩天，腦源性神經(jīng)因子的上升也可以長達一周[23]。海馬區(qū)大多數(shù)功能中，腦源性神經(jīng)因子起到了極為重要的作用。運動給大腦帶來的好處都可以通過腦源性神經(jīng)因子的傳導進行闡述，例如神經(jīng)元的生成、血管生成、突觸可塑性等等。因此，腦源性神經(jīng)因子是運動和各項能力之間最穩(wěn)定的分子連接。

5 結論

綜上所述，體育運動會觸發(fā)一些分子和細胞的連鎖反應，從而支持并維持大腦的可塑性，提高老年人大腦的認知能力。另外，運動的有效性，同樣包含了身體活動與執(zhí)行能力之間的相互關系，從而使體育運動引起的執(zhí)行功能變化，能夠隨著時間的推移增強和促進身體運動。運動水平的變化能夠改善未來學習能力，防止記憶力下降。

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Physical Exercise Enhances the Cognitive Ability of the Elderly Brain

SHANG Xiuhai, etal.

(Guoliyuan Primary School, Nantong `226000, Jiangsu, China)

段英梅（1988—），碩士，中小學一級教師，研究方向：體育課程教學方法。