身體活動與大腦關(guān)聯(lián)的研究

王亞卓

身體活動與個人身體健康水平息息相關(guān)，不同的生活方式可能與某些慢性疾病的發(fā)生有關(guān)。身體活動作為一個重要媒介，科學(xué)家們可以從許多角度來研究不同身體活躍程度與大腦健康之間的關(guān)聯(lián)。本文綜述了身體活動與大腦結(jié)構(gòu)和功能的研究，從腦成像技術(shù)的視角，對近5年來不同身體活躍度對腦的可塑性研究進行歸納與總結(jié)，探索不同群體的不同體力活動水平對腦的可塑性變化。低體力活動水平會對大腦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，中、高體力活動水平有利于大腦健康，改善大腦認(rèn)知功能，減少阿爾茨海默氏癥等與腦結(jié)構(gòu)相關(guān)的疾病的發(fā)生。人們有必要保持一定的身體活躍度來保持大腦的健康水平。

1 引言

1.1 身體活動（PA）

根據(jù)世衛(wèi)組織的定義，身體活動是指由骨骼肌肉產(chǎn)生的需要消耗能量的任何身體動作，它的定義與“體育活動”“運動”和“身體適應(yīng)性”的概念有內(nèi)涵和外延相互交融的部分，因此難以嚴(yán)格區(qū)分。對于身體活躍度的評估，以往的研究采取了各種各樣的評估方式，常見的量表有國際體育活動問卷（IPAQ），塔爾圖體育活動問卷（TPAQ）以及來自特定領(lǐng)域沖動（DSI）量表的非活動量表，常見的方式是計步器測量身體活動。研究表明上述三種量表對于身體活躍度的評估皆有局限性，同時也有研究表示，IPAQ-SF和計步器均可測量身體活動程度，但在超重和肥胖的婦女中，兩種方法的一致性存在差別?？紤]到上述研究群體的局限性，具體使用哪種身體活動水平評估方式還有待思考。以往大量研究證明，身體活動對個人身體健康水平具有重要影響。在老年人身體活動強度對患慢性疾病的影響研究表明，達到英國的身體活動準(zhǔn)則對老年人的要求（在一周時間內(nèi)高等強度身體活動至少150min）老年人患有慢性疾病的幾率更小。另一項研究表示，對于男性，缺乏運動會與心臟病、癌癥和慢性阻塞性肺疾?。–OPD）相關(guān)。

1.2 大腦（Brain）

大量科學(xué)家采用多種方式，針對身體活動對腦的影響展開了研究。Catherine Foster等對有氧健身對健康大腦中腦血管功能的影響展開了橫斷面研究。Tobias Engeroff等證實老年人保持一定的身體活動可以保持良好的認(rèn)知功能和大腦神經(jīng)元結(jié)構(gòu)的完整性。Hiroyuki Shimada等研究發(fā)現(xiàn)運動可以增加大腦特定區(qū)域的活動，如對照組的丘腦前皮質(zhì)和內(nèi)嗅皮質(zhì)會相對增加，為進一步研究運動和大腦代謝活動關(guān)系提供基礎(chǔ)。此外，低身體活躍度的生活狀態(tài)會對大腦產(chǎn)生可塑性影響，如久坐行為可以導(dǎo)致小腦灰質(zhì)體積較低，進而影響智力。由此，我們可以得出結(jié)論，大腦結(jié)構(gòu)和功能可根據(jù)身體活動的影響而具有可塑性。

1.3 磁共振成像（MRI）

從人類開始探索腦以來，腦科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，較為常見的有近紅外光譜技術(shù)（NIRS）、事件相關(guān)電位技術(shù)（ERP）、腦電圖（EEG）、磁共振成像技術(shù)（MRI）等。MRI成像技術(shù)能提供更大的信息量，無電離輻射，對人體無不良影響，因此對疾病的診斷和人體結(jié)構(gòu)的影響觀察具有很大的明顯優(yōu)越性。腦成像技術(shù)的發(fā)展具有悠久的歷史，無創(chuàng)成像技術(shù)通過提供正常和病理的腦功能成像，其發(fā)展極大地促進了人類對腦功能的研究。當(dāng)前這些成像技術(shù)主要包括功能磁共振成像（fMRI）、彌散張量成像（DTI）和動脈自旋標(biāo)記（ASL），腦成像技術(shù)增加了我們對人體運動和對應(yīng)腦區(qū)域?qū)I(yè)化的理解。

總而言之，類似于根據(jù)有氧運動、不同運動方式、運動強度等來探討身體活動對腦功能和結(jié)構(gòu)的影響很多，但迄今為止尚未有研究根據(jù)IPAQ量表定量分析身體活躍度對腦機制的影響。針對當(dāng)前的問題，本綜述對國內(nèi)、外關(guān)于身體活躍度與腦機制的研究文獻進行分類和分析，嘗試著綜合不同文獻對身體活躍度不同的評估方法，以解決以下問題：①不同身體活動強度“高”“中”“低”，與腦的可塑性之間的關(guān)系;②身體活動對腦不同功能區(qū)和結(jié)構(gòu)的影響;③不同身體活動類型與腦結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

2 身體活動度對腦結(jié)構(gòu)的影響

2.1 低體力活動水平對腦的影響

劉超在2018年采用ERP技術(shù)比較分析了不同體力活動水平大學(xué)生的ERP成分P300潛伏期和波幅的差異性，其研究顯示高、中、低三種體力活動水平的大學(xué)生區(qū)、中央?yún)^(qū)、枕區(qū)和頂區(qū)潛伏期無明顯差異，但是低體力活動水平組頂區(qū)電極點P3、P4、PZ潛伏期明顯低于中、高兩組。Tan，ZaldyS在研究一個社區(qū)的老年人長達十年的體力活動與腦部MRI標(biāo)記之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，低體力活動與大腦海馬總體積降低相關(guān)，同時將會使老年個體患癡呆癥的風(fēng)險增加。以上研究由于其受樣本量制約，其研究結(jié)論并非具有代表性，在探究低體力活動水平對腦的影響問題時還應(yīng)了解采用不同樣本時的研究結(jié)果。

George Lazaros在使用IPAQ探究PA與頸動脈粥樣硬化的關(guān)系時，同樣地按體力活動水平進行分組。在其分組中低體力活動水平組有較長時間的久坐行為（SB），我們可以推測久坐行為對于低體力活動水平具有一定的代表性，因此我們將探究久坐行為對腦的影響。

以下結(jié)論針對不同群體SB對大腦的影響。不同于以往采用主觀測量標(biāo)準(zhǔn)評估SB對認(rèn)知功能的損害，Engeroff T等采用客觀的大腦健康相關(guān)生物標(biāo)記物評估標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)認(rèn)知健康的老年人的腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）與久坐時間呈負(fù)相關(guān)，從而損害認(rèn)知健康。Zavala-Crichton JP在2020年發(fā)表的一文章顯示了肥胖兒童久坐行為與大腦結(jié)構(gòu)和智力的關(guān)聯(lián)，其結(jié)果表明長時間的SB可能導(dǎo)致小腦灰質(zhì)體積較低，并對大腦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)面影響。Arnardottir NY開展了一項5年時間的研究，要求受試者連續(xù)七天佩戴髖部磨損加速計計算體力活動的時間，在5年期間結(jié)束時測得活動和SB的灰質(zhì)（GM）和白質(zhì)（WM）的增生或萎縮體積，用MRI記錄5年內(nèi)GM和WM的變化。隨訪時發(fā)現(xiàn)WM的5年變化與SB呈負(fù)相關(guān)，體現(xiàn)了腦萎縮和SB之間的聯(lián)系。Klaren RE探討了患有多發(fā)性硬化癥人群的久坐行為模式與全腦灰質(zhì)（GM），白質(zhì)（WM）和皮層下GM結(jié)構(gòu)，其主要結(jié)果是每天久坐的次數(shù)與GM和WM以及深部GM結(jié)構(gòu)呈負(fù)相關(guān)。對于健康成人群體，Shan Luo的研究發(fā)現(xiàn)了SB的水平與大腦對食物線索的反應(yīng)之間的關(guān)系，較高的SB與葡萄糖攝入后大腦感興趣區(qū)域（ROI）的反應(yīng)性增加相關(guān)，即較高的SB會使大腦對高熱量食物線索興奮性增加。總之，不論哪種群體，SB往往會對大腦產(chǎn)生不利影響，影響方式包括腦結(jié)構(gòu)萎縮、大腦健康相關(guān)生物標(biāo)記物變化、大腦興奮性變化等。

2.2 中高體力活動水平對腦的影響

中、高體力活動水平的身體活動其概念與各種形式的運動、有氧運動、運動鍛煉等多個概念相互交叉，難以嚴(yán)格區(qū)分，所以在探究中高活動水平對腦的影響時，我們還將探究以上名詞相關(guān)內(nèi)容對腦的影響。

（1）MRI成像MRI成像技術(shù)由于其強大的提供信息功能、無電離輻射性和無害性被科學(xué)家們廣泛用于正常和病理的腦功能成像，極大地促進了人類對腦功能的研究。結(jié)構(gòu)磁共振分析包括海馬體積的檢查，以及使用基于體素的形態(tài)計量學(xué)對灰質(zhì)體積的體素評估，并采用擴散張量成像分析分?jǐn)?shù)各向異性，軸向擴散率和徑向擴散率進行了基于域的空間統(tǒng)計。Claire E.Sexton的研究比較了12周有氧訓(xùn)練計劃對MRI結(jié)果的影響。陳愛國采用MRI對比分析，發(fā)現(xiàn)11周運動干預(yù)使聾啞兒童右側(cè)小腦前部、左側(cè)枕下回、右側(cè)內(nèi)側(cè)眶額葉、左側(cè)內(nèi)側(cè)和旁扣帶腦回、左側(cè)頂下緣角回、右側(cè)楔前葉、右側(cè)中央后回等腦區(qū)灰質(zhì)體積減小。Julie M.Bugg和Denise Head基于MRI和區(qū)域容積測量，包括前額葉、頂葉、顳葉、枕葉、新紋狀體和內(nèi)側(cè)顳葉區(qū)域的容積，發(fā)現(xiàn)高水平的身體活躍度將會使額葉上部有更大的容積。針對青少年的一項研究根據(jù)高強度間歇訓(xùn)練進行多峰MRI檢查大腦的結(jié)構(gòu)和功能。

（2）灰質(zhì)分布于大腦和小腦表面的灰質(zhì)即為皮質(zhì)，大腦皮質(zhì)有大量的神經(jīng)元胞體聚集，它們之間存在大量的電突觸或化學(xué)突觸作為通信途徑，形成極其復(fù)雜的神經(jīng)回路，實現(xiàn)對運動、感覺、語言、情感等多種信息的處理，控制機體做出相應(yīng)的反應(yīng)。與此同時，機體的各個因素和指標(biāo)也會對大腦灰質(zhì)產(chǎn)生可塑性影響，與灰質(zhì)體積相關(guān)的變量包括年齡、性別、吸煙、酒精和體重指數(shù)等等，在此我們將探討身體活動對大腦灰質(zhì)的影響。由于中、高體力活動水平有各種各樣的指標(biāo)，包括維持時間、運動形式、活動強度等等，歸納和分析以往身體活動對腦的影響的研究，我們把它歸為兩類，包括長時間和短時間的中、高等身體活動。

短時間中、高體力活動水平：陳愛國的研究表明一次30min的短時中等強度有氧運動通過增加兒童靜息狀態(tài)下腦功能局部一致性，改善腦的可塑性。Mark Hamer的研究通過讓受試者連續(xù)七天佩戴腕帶三軸加速度計以評估習(xí)慣性體力活動。由于該研究擴大了樣本容量，使得研究的統(tǒng)計結(jié)果更具有廣泛性和說服力，并對其他影響因素如年齡和性別對影響的修正，發(fā)現(xiàn)體力活動和更高的灰質(zhì)體積之間的明顯聯(lián)系，且這一聯(lián)系只在老年人（>60歲）中才明顯。Ilona Ruotsalainen讓受試者右髖部連續(xù)7天佩戴加速計，提供了13-16歲青少年有氧健身與體力活動和灰質(zhì)體積之間關(guān)系的新信息。其研究結(jié)果表明，有氧健身水平的提高與左側(cè)蒼白球體積呈正相關(guān)，與左側(cè)額葉上皮質(zhì)體積呈負(fù)相關(guān)。對于青少年來說，客觀測量的體力活動與額葉、運動和皮質(zhì)下區(qū)域的灰質(zhì)體積無關(guān)，這與老年人的研究結(jié)果相反。David A.Raichlen采取7天內(nèi)在手腕上佩戴AX3三軸加速度計的方法，對包括中高等強度身體活動在內(nèi)的協(xié)變量進行調(diào)整后，發(fā)現(xiàn)心肺健康（CRF）與總灰質(zhì)量呈正相關(guān)。Catherine Foster探究了有氧健身對青年人的腦灰質(zhì)腦血流（CBF）和腦血管反應(yīng)性（CVR）的影響，結(jié)果表明有氧健身是青年人的基線CBF較低和CVR較高。

長時間中、高體力活動水平：陳愛國表明長達11周的運動干預(yù)可以使聾啞兒童灰質(zhì)體積減小。一項綜述曾表明中年時期，運動可以增加腦灰質(zhì)體積和增強心血管功能，從而阻止誘發(fā)老年期認(rèn)知功能下降的神經(jīng)生物學(xué)事件的發(fā)生。Tarkka IM發(fā)現(xiàn)與較少活躍的雙胞胎相比，活躍的雙胞胎在紋狀體，前額葉和海馬區(qū)顯示出更大的灰質(zhì)體積，而在前扣帶區(qū)域的灰質(zhì)體積較小。

身體活動強度對大腦的影響主要體現(xiàn)在灰質(zhì)體積變化上。通過結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，盡管控制身體活動的時間和強度，但是影響大腦灰質(zhì)體積的因素很多，影響的區(qū)域和模式也不盡相同，且對于不同群體身體活動對腦灰質(zhì)的影響也不盡相同。因此在未來研究過程中，應(yīng)當(dāng)控制好其他影響因素包括年齡、性別、健康狀況等等，全方位多層次地探討身體活動和腦的關(guān)系。

（3）白質(zhì)（WM）是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要的三個組成元素之一，與灰質(zhì)、黑質(zhì)并列。WM控制著神經(jīng)元共享的訊號，協(xié)調(diào)腦區(qū)之間的正常運作。WM生長的機制與成熟程度，會影響到學(xué)習(xí)、自我控制與精神疾病等?？紤]到WM對于腦結(jié)構(gòu)和腦功能的重要性，我們也研究了PA對于WM的影響的相關(guān)文獻。Mark Hamer等讓受試者連續(xù)7天佩戴腕帶三軸加速度計，然而結(jié)果沒有觀察到體力活動和總WM之間的任何聯(lián)系。與Mark Hamer的研究結(jié)果類似，Claire E.Sexton的研究發(fā)現(xiàn)有氧訓(xùn)練組和對照組在認(rèn)知和白質(zhì)測量方面沒有顯著差異，其研究結(jié)果表明沒有相關(guān)證據(jù)可以證明12周的PA干預(yù)可以改善老年人的認(rèn)知功能，也沒有白質(zhì)微結(jié)構(gòu)標(biāo)志物的產(chǎn)生。盡管沒有發(fā)現(xiàn)有氧訓(xùn)練和WM之間的關(guān)聯(lián)性，但仍可大膽推測長時間、多因素或針對特定人群的干預(yù)措施可能會有不一樣的結(jié)果。Tobias Bracht等研究探討了PA與海馬兩條主要通路的白質(zhì)微結(jié)構(gòu)的關(guān)系。受試者左腕戴活動手表連續(xù)72小時，通過連續(xù)三天的平均體力活動水平來計算平均體力活動水平。研究無法確定PA是否影響WM微觀結(jié)構(gòu)，或WM微觀結(jié)構(gòu)是否影響運動行為。與以上研究結(jié)果不同，David A.Raichlen的研究發(fā)現(xiàn)CRF和中、高強度體力活動與白質(zhì)高強度病變負(fù)荷呈負(fù)相關(guān)。

綜合以上研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，我們很難界定身體活動對WM的影響，即便是相類似的研究結(jié)果也不盡相同。因此關(guān)于中、高強度體力活動與WM的關(guān)系還需要做進一步多層次、多方向、多群體的研究和調(diào)查，才能夠真正了解身體活動與WM的關(guān)聯(lián)。

（4）海馬運動訓(xùn)練使海馬體積增加2%，有氧運動訓(xùn)練可以有效地逆轉(zhuǎn)成年晚期海馬體積的減少。一年的中等強度的運動通過增加海馬體積和增加血清BDNF在神經(jīng)保護中的作用，有助于增強認(rèn)知或補充腦容量。在對包括CRF在內(nèi)的其他變量進行調(diào)整后，David A.Raichlen發(fā)現(xiàn)MVPA與左右海馬體積呈正相關(guān)。即無論CRF如何變化，參與更多MVPA的個體可能通過增強海馬體積從而使大腦獲得益處。另一項研究結(jié)果表示運動訓(xùn)練增加了前額葉皮層的灰質(zhì)和白質(zhì)體積，但運動能改變海馬區(qū)大小的范圍仍不清楚。Mark Hamer表明身體活動通過與左右海馬體積的關(guān)聯(lián)，從而影響阿爾茨海默氏癥等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生。在他的運動試驗中發(fā)現(xiàn)，運動顯示會對左海馬體積產(chǎn)生積極影響，但對總體積沒有影響。除此之外，Belinda M. Brown等還考慮了遺傳因素，以腦源神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）為媒介，評估體力活動與BDNF Val66Met多態(tài)性之間的相互作用對大腦結(jié)構(gòu)體積的影響。在Val/Val純合子組中，較高水平的體力活動與較大的海馬和顳葉體積相關(guān)，而在Met攜帶者中，較高水平的體力活動與較小的顳葉體積相關(guān)。他還發(fā)現(xiàn)對于老年人較高的體力活動水平與較大的海馬體積有關(guān)。盡管有以上研究成果，但考慮到相關(guān)性并不大，他們?nèi)员硎倔w力活動對海馬體積的影響很小。Simone Bolijn和Paul J.Lucassen發(fā)現(xiàn)PA還通過增加谷氨酸水平，從而增加海馬星形膠質(zhì)細(xì)胞中的FGF-2，但目前尚不清楚PA是否也能直接刺激人腦的增殖。

總之，以上結(jié)果都支持中、高的體力活動水平，可以減輕年齡與疾病相關(guān)的海馬體積損失，從而給大腦帶來有益的影響。盡管過去5-6年的研究結(jié)果相對于之前的研究有所進展，關(guān)于中、高強度的體力活動是否能影響海馬、如何影響海馬的體積、影響何處海馬的體積等問題尚未解決，且對于體力活動的界定沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，故未來探究體力活動與海馬的關(guān)聯(lián)還有很長的道路。

2.3 不同運動方式對腦結(jié)構(gòu)的影響

除了考慮身體活躍強度對大腦的影響外，由于身體活動包括許多不同的運動方式，我們還次要地探討不同的運動方式對腦結(jié)構(gòu)的影響。

一項綜述表示不同類型的長期運動技能學(xué)習(xí)與訓(xùn)練過程表現(xiàn)出不同的腦可塑性變化特點，可塑性腦區(qū)有共性也有差異。對于接受長期高強度運動訓(xùn)練的運動員來說，其腦灰質(zhì)可塑性變化體現(xiàn)在視覺系統(tǒng)，但是鋼琴演奏家的腦灰質(zhì)變化則體現(xiàn)在聽覺系統(tǒng)。此外，粗大運動和精細(xì)運動在感覺系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、注意系統(tǒng)和皮質(zhì)下系統(tǒng)表現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)差異。Li D等將樣本分類為經(jīng)常參加開放式或封閉式技能訓(xùn)練的人和只進行不規(guī)則運動的人，其研究結(jié)果表明，規(guī)則運動者相對于不規(guī)則運動者在Stroop任務(wù)中表現(xiàn)出更快的反應(yīng)時間。開放式運動者在Stroop任務(wù)中表現(xiàn)出較小的N200和較大的P300a振幅，并且在任務(wù)轉(zhuǎn)換測試中表現(xiàn)出較短的錯誤相關(guān)負(fù)性潛伏期。吳殷等研究發(fā)現(xiàn)，羽毛球運動員相比于籃球運動員在左側(cè)額下回、左側(cè)頂上小葉、左側(cè)楔前葉灰質(zhì)體積有顯著增大;籃球運動員相對于羽毛球運動員在顳下回、左側(cè)額中回、左側(cè)額下回、扣帶回中部、腦島灰質(zhì)體積差異顯著，顯示長期的運動訓(xùn)練會對不同運動項目的運動員大腦產(chǎn)生相似的可塑性變化。

綜上分析，除了身體活動強度和時間外，運動類型也會對大腦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生各種各樣的影響，主要體現(xiàn)在灰質(zhì)的變化上。為了維持大腦的各項機能平衡發(fā)展，對于普通人來說可以保持運動方式的多樣性，采取不同的運動方式全方位地保持大腦的健康。

3 結(jié)論

不同身體活動度會對大腦結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生可塑性影響。身體活動對于腦的影響是多種多樣的，不同的體力活動水平對大腦產(chǎn)生可塑性變化的區(qū)域不同，且對于不同的群體來說相同的運動或者體力活動水平也會表現(xiàn)出不同的可塑性變化模式。

總的來說，身體活動度對大腦的影響主要體現(xiàn)在灰質(zhì)、白質(zhì)和海馬上。低體力活動水平或者長時間久坐行為會對大腦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，中、高體力活動水平或者有氧運動等會對大腦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有利影響，其主要體現(xiàn)在灰質(zhì)體積增加，以及減緩因年齡的萎縮的海馬體積，從而進一步改善大腦認(rèn)知功能、減少阿爾茨海默氏癥等與腦結(jié)構(gòu)相關(guān)的疾病的發(fā)生。值得注意的是，身體活動與蛋白質(zhì)的關(guān)聯(lián)仍有許多待研究的疑問。

未來，需要進一步結(jié)合IPAQ和MRI成像技術(shù)，多層次、全方面地研究解釋身體活躍度對腦可塑性變化機制。為了提高大腦的健康水平，減緩因年齡增長帶來的不利的大腦結(jié)構(gòu)變化，人們需要更多的中、高等強度的身體活動，減少久坐時間。

課題：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（X202012121252）。

（作者單位：南方醫(yī)科大學(xué)）