健身運(yùn)動對老年人認(rèn)知功能的影響及其作用機(jī)制

雷雪梅

1 引言

中國是較早進(jìn)入老齡社會的發(fā)展國家之一。根據(jù)調(diào)查顯示，自1982年第三次人口普查以來，中國老年人口平均每年增加302萬，年平均增長速度為2.85%。國家統(tǒng)計局發(fā)布最新的老人口數(shù)據(jù)，2018年末，60周歲及以上人口24949萬人，占總?cè)丝诘?7.9%，其中65周歲及以上人口16658萬人，占總?cè)丝诘?1.9%［1］。認(rèn)知功能衰退是老年人生活的常見現(xiàn)象，還常常伴隨記憶和理解能力的下降，嚴(yán)重時會引發(fā)多種慢性疾病，包括與增齡有關(guān)的神經(jīng)退化性疾?。?，3］。因此，提高老年人認(rèn)知功能水平，有效延緩衰老，對防止認(rèn)知功能障礙的發(fā)生和發(fā)展具有重要意義。運(yùn)動作為預(yù)防和控制各種慢性疾病的重要手段，它不僅可以直接改善認(rèn)知功能，同時可以間接透過降低高血壓、心血管疾病與糖尿病等風(fēng)險，以及強(qiáng)化睡眠、能量消耗、飲食及疼痛等身體層面的資源，壓力、憂郁及自我效能等心理層面的資源，進(jìn)而協(xié)助認(rèn)知功能的改善［4，5］。綜合而言，本文的目的在探討健身運(yùn)動對老年人認(rèn)知功能的影響機(jī)制，并從神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）、生長激素（GH）、第一類型胰島素生長因子（IGF－1）、大腦氧合功能和炎癥反應(yīng)等機(jī)制來說明其效益。希望對于不同運(yùn)動類型促進(jìn)腦健康以及改善認(rèn)知的相關(guān)研究提供參考，并有助于相關(guān)人員規(guī)劃設(shè)計更合適老年族群運(yùn)動的訓(xùn)練計劃。

2 研究方法

本研究使用的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫主要包括Elsevier、Springer、Web of science、CNKI中文資料總庫、萬方數(shù)據(jù)以及臺灣學(xué)術(shù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫，搜尋2021年3月以前出版的所有研究，搜尋關(guān)鍵詞包括“認(rèn)知功能、健身運(yùn)動、老年人”及對應(yīng)的英語表述“cognition function、exercise、elderly”。

3 認(rèn)知功能對老年人的重要性

認(rèn)知功能是高級的腦功能，是指人在對客觀事物的認(rèn)知過程中對感覺輸入信息的獲取、編碼、操作、提取和使用的過程，它包括了大腦精神或智力活動的各個方面，如感知覺、記憶力、語言、抽象思維等，可理解為接受、記憶和學(xué)習(xí)、思維、表達(dá)等功能，反映了大腦的功能狀況［6，7］。隨著年齡的增長，老年人的身體神經(jīng)、肌肉骨骼及心肺等各系統(tǒng)的構(gòu)造發(fā)生改變，相關(guān)機(jī)能也產(chǎn)生一定程度的影響［8］。其中，對于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響是最為明顯的，會使大腦重量減少10至20%、血流量減少30至40%和腦神經(jīng)微纖維纏繞及老化斑的形成，這些構(gòu)造的改變造成老年人記憶力減少、學(xué)習(xí)能力降低以及認(rèn)知功能退化等相關(guān)疾病的盛行，進(jìn)一步影響老年人日常生活獨立自主的能力，更造成家庭及社會長期照顧和醫(yī)療資源負(fù)擔(dān)的問題［9，10］。

4 健身運(yùn)動促進(jìn)老年人認(rèn)知功能的可能機(jī)制

健身運(yùn)動改善老年人認(rèn)知功能的可能機(jī)制主要是通過大腦神經(jīng)系統(tǒng)來實現(xiàn)的。健身運(yùn)動可誘導(dǎo)神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）增加，并刺激生長激素（GH）、第一類型胰島素生長因子（IGF－1）分泌，從而增強(qiáng)大腦氧合功能，減緩老年人認(rèn)知功能下降；健身運(yùn)動還能調(diào)節(jié)促發(fā)炎細(xì)胞激素或抗發(fā)炎細(xì)胞激素等相關(guān)機(jī)制，進(jìn)而改善老年人認(rèn)知功能。

4.1 健身運(yùn)動可誘導(dǎo)神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）增加

BDNF是一種主要由腦組織合成、能夠維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)多種神經(jīng)元存活及促進(jìn)神經(jīng)纖維生長的堿性蛋白［11］。BDNF可促進(jìn)突觸可塑性與神經(jīng)存活，并在中樞神經(jīng)系統(tǒng)扮演重要角色。

動物實驗中發(fā)現(xiàn)運(yùn)動強(qiáng)度對神經(jīng)增生BDNF是有關(guān)鍵性的影響，老鼠在學(xué)習(xí)復(fù)雜運(yùn)動技能或執(zhí)行中等強(qiáng)度運(yùn)動時會調(diào)節(jié)小腦和運(yùn)動皮層，并增加了BDNF因子和它的受體，以及TrkB的蛋白質(zhì)［12］。研究還發(fā)現(xiàn)14天的阻力運(yùn)動可活化比目魚肌里的蛋白質(zhì)合成信息路徑（protein synthesis signaling pathway），并且與在海馬體的BDNF表現(xiàn)呈正相關(guān)。此外，結(jié)果亦顯示阻力運(yùn)動提升學(xué)習(xí)與記憶的表現(xiàn)。因此，阻力運(yùn)動可能肌肉的蛋白質(zhì)路徑的活化與增進(jìn)海馬體的BDNF，進(jìn)而對認(rèn)知功能產(chǎn)生效益［13］。建立在動物研究的基礎(chǔ)上，許多健身運(yùn)動對BDNF的影響已經(jīng)在人體研究層面有了很大的進(jìn)步。Aguia等［14］指出，健身運(yùn)動訓(xùn)練可能是透過海馬體的絲胺酸／蘇胺酸蛋白激酶（serine／threonine protein kinase，AKT）、cAMP反應(yīng)單位結(jié)合蛋白（cAMP response eement binding protein，CREB）信息傳遞，以及海馬體內(nèi)的BDNF蛋白質(zhì)，進(jìn)而改善老化引起的認(rèn)知衰退。

4.2 健身運(yùn)動可刺激生長激素（GH）、第一類型胰島素生長因（IGF－1）分泌

運(yùn)動能刺激血管內(nèi)皮生長因子與腦下垂體分泌生長激素（GH），并促進(jìn)肝臟分泌生長激素介質(zhì)，即第一類型胰島素生長因子（IGF－1），可在生長發(fā)育期促進(jìn)骨骺軟骨的形成，并使海馬體內(nèi)的神經(jīng)增生，進(jìn)而提高神經(jīng)突觸的可塑性與記憶功能［15］。

GH是一種由垂體細(xì)胞產(chǎn)生和分泌的蛋白激素，IGF－1是一類介導(dǎo)合成代謝的重要細(xì)胞因子［16］。GH對中樞神經(jīng)系統(tǒng)中學(xué)習(xí)和記憶、心智機(jī)敏度、動機(jī)和工作記憶容量等功能有益，具有很強(qiáng)的促進(jìn)IGF－1的分泌作用［17］。IGF－1是一類促進(jìn)細(xì)胞生長、具有胰島素樣代謝效應(yīng)的因子［18］。GF－1可以促進(jìn)學(xué)習(xí)記憶能力，運(yùn)動刺激能夠改善大腦學(xué)習(xí)和記憶能力，其可能機(jī)制是：在突觸前膜，IGF－1通過先后激活p－CAPK II（絲裂原活化蛋白激酶）和p－MAPK II（鈣調(diào)蛋白激酶Ⅱ）信號聯(lián)級，使突觸素－1（Synapsin－1）mRNA和蛋白增加，突觸素－1又可以促進(jìn)Glutamate釋放，增強(qiáng)突觸間信息傳遞，以形成長時程記憶（LTB）；在突觸后膜，IGF－1通過其受體（TRKB－R）激活p－CAMK II和p－MAPK II信號級聯(lián)，進(jìn)而在p－CREB調(diào)控下合成新的IGF－1［19］（圖一）。研究證實，從事肌力訓(xùn)練似乎可以透過提升IGF－1或降低同半胱胺酸等生化機(jī)制，間接地影響大腦認(rèn)知功能［20］。研究還發(fā)現(xiàn)，有氧運(yùn)動或抗阻運(yùn)動之GH值在運(yùn)動后20－30分鐘之間會達(dá)到最高點，而在IGF－1方面，運(yùn)動后20分鐘抗阻運(yùn)動顯著高于有氧運(yùn)動，在此說明了抗阻運(yùn)動比有氧運(yùn)動對GH、IGF－1的刺激、分泌有較大的效益［21］。

圖一 運(yùn)動刺激GF－1的可能機(jī)制

4.3 健身運(yùn)動增強(qiáng)大腦氧合能力

研究證實長期的健身運(yùn)動訓(xùn)練可以提升心肺功能，增加腦血流量及神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)分泌，提升大腦氧合狀態(tài)，改善大腦認(rèn)知處理能力［22］。

研究表明，年齡與腦血流量呈反比，年齡越大，大腦海馬體的腦血流量越少，腦血管中的氧化血紅素（HbO2）和總血紅素（total HbO2）漸減，減低血紅素的氧化能力，影響腦部的氧合功能而腦血流量與大腦認(rèn)知反應(yīng)的時間也呈反比，腦血流量越少，大腦認(rèn)知反應(yīng)的時間越長［23］。研究發(fā)現(xiàn)，有氧運(yùn)動訓(xùn)練有助于老年人改善腦血流及氧合狀態(tài)，對于有從事規(guī)律有氧訓(xùn)練的人，在非常激烈運(yùn)動情境下，有較高的腦皮質(zhì)攝氧量，總血紅素與脫氧血紅素皆顯著高于無訓(xùn)練者。沒有訓(xùn)練者其激烈運(yùn)動時，其攝氧量會明顯下降，脫氧血紅素上升，而總血紅素下降，腦血流量呈下降趨勢［24］。

4.4 健身運(yùn)動可調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)

炎癥反應(yīng)增加是認(rèn)知功能下降的危險因子之一。病理學(xué)的研究指出，健身運(yùn)動能調(diào)節(jié)促發(fā)炎細(xì)胞激素或抗發(fā)炎細(xì)胞激素等相關(guān)機(jī)制，進(jìn)而改善MCI老年人認(rèn)知功能［25］。根據(jù)Misiak等研究發(fā)現(xiàn)，低度系統(tǒng)性發(fā)炎與MCI認(rèn)知功能下降間有極高的相關(guān)性。系統(tǒng)性發(fā)炎會誘發(fā)小膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)而堆積會產(chǎn)生大量促發(fā)炎因子，如腫瘤壞死因子－α（tumor necrosis factor alpha，TNF－α）、C反應(yīng)蛋白（C－reactive protein，CRP）、介白質(zhì)素－6（interleukin－6，IL－6）等，使中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生神經(jīng)退化，進(jìn)而降低MCI老年人的認(rèn)知功能［26］。在降低發(fā)炎細(xì)胞激素反應(yīng)部分，Colbert等［27］指出，高強(qiáng)度健身運(yùn)動與降低TNFα、CRP，及IL－6有其正相關(guān)，說明健身運(yùn)動介入可能使發(fā)炎反應(yīng)趨于平穩(wěn)，進(jìn)而改善認(rèn)知功能的可能。另在抗發(fā)炎反應(yīng)方面，Geffken等［28］研究發(fā)現(xiàn)，健身運(yùn)動會抑制TNF－α堆積等，意味著健身運(yùn)動介入可降低發(fā)炎反應(yīng)的發(fā)生。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

健身運(yùn)動改善老年人認(rèn)知功能的可能機(jī)制主要是通過大腦神經(jīng)系統(tǒng)來實現(xiàn)的，包括健身運(yùn)動可誘導(dǎo)神經(jīng)營養(yǎng)因子（BDNF）增加，并刺激生長激素（GH）、第一類型胰島素生長因子（IGF－1）分泌，從而增強(qiáng)大腦氧合功能，減緩老年人認(rèn)知功能下降；健身運(yùn)動還能調(diào)節(jié)促發(fā)炎細(xì)胞激素或抗發(fā)炎細(xì)胞激素等相關(guān)機(jī)制，進(jìn)而改善老年人認(rèn)知功能。

5.2 展望

1.有氧運(yùn)動，如步行、慢跑、游泳、打太極拳、跳健身舞等是大多數(shù)老年人健身的首要選擇；阻力訓(xùn)練對于行動不便和患有疾病的老年人難度較大。有氧和抗阻綜合性訓(xùn)練能夠更好地提升老年人的鍛煉效果。因此，在未來研究中，應(yīng)盡可能對老年人進(jìn)行分層研究，區(qū)分運(yùn)動對健康老年人和非健康老年人的影響，并且保證運(yùn)動的安全性和有效性。

2.不同的健身運(yùn)動類型可能對大腦的影響機(jī)制有差異，但是也會有交互作用。未來研究可進(jìn)一步進(jìn)行差異分析和聯(lián)系分析，以更好地揭示健身運(yùn)動對老年人認(rèn)知功能的可能機(jī)制。