有氧運(yùn)動(dòng)和抗阻運(yùn)動(dòng)是否通過(guò)獨(dú)特的機(jī)制影響情景記憶

宋彥霖，白榮雁，馬繼政

1 引言

有氧運(yùn)動(dòng)和抗阻運(yùn)動(dòng)都可有效改善身體健康狀況，包括降低癌癥和心血管疾病的發(fā)病率并與全因死亡率密切相關(guān)[1]。但這兩種運(yùn)動(dòng)方式可能對(duì)健康起著截然不同的作用。部分研究表明這兩種運(yùn)動(dòng)方式與健康獨(dú)立相關(guān)，但也有證據(jù)表明這些運(yùn)動(dòng)方式對(duì)健康有潛在的協(xié)同效應(yīng)[1]?；诖?，大量體育工作者對(duì)不同運(yùn)動(dòng)形式對(duì)認(rèn)知功能的影響進(jìn)行了深入研究，涉及記憶功能在內(nèi)的多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)[2]。情景性記憶，往往在空間或時(shí)間背景中進(jìn)行[3]，屬于記憶功能中前瞻性記憶與回顧性記憶中的后者，包括對(duì)過(guò)去事件或情節(jié)的回憶。本文簡(jiǎn)要討論了急性、慢性有氧運(yùn)動(dòng)和/或抗阻運(yùn)動(dòng)對(duì)情景記憶的獨(dú)立或聯(lián)合作用的研究進(jìn)展，并在此基礎(chǔ)之上討論其潛在機(jī)制。

2 急性運(yùn)動(dòng)對(duì)記憶的影響

Labban等人[4]評(píng)估了30分鐘快速中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)青年人記憶性能的影響。研究表明，在記憶編碼之前進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)可以有效提高長(zhǎng)期記憶的表現(xiàn)。Etnier等人[5]評(píng)估了青年人有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)記憶功能的強(qiáng)度特異性影響。結(jié)果表明，與進(jìn)行低于通氣閾值的急性運(yùn)動(dòng)相比，在記憶編碼前進(jìn)行急性極量運(yùn)動(dòng)能更加高效地改善24小時(shí)識(shí)別記憶和源記憶。此外，Etnier等人[6]的研究證實(shí)青年人在記憶編碼之前進(jìn)行30分鐘中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)能夠有效增強(qiáng)長(zhǎng)期記憶。

除了急性有氧運(yùn)動(dòng)，部分研究表明急性抗阻運(yùn)動(dòng)也可能影響記憶。Loprinzietal[7]的研究結(jié)果表明，15分鐘的抗阻訓(xùn)練在增強(qiáng)情景記憶方面是有效的，主要表現(xiàn)在時(shí)空情景記憶任務(wù)中的空間信息提取上。

3 長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)對(duì)記憶的影響

Iuliano等人[8]對(duì)80名中老年人進(jìn)行了一項(xiàng)為期12周的隨機(jī)對(duì)照研究，所有運(yùn)動(dòng)干預(yù)組的預(yù)后主觀記憶不良問(wèn)題均較少，客觀測(cè)量的記憶不良表現(xiàn)無(wú)明顯變化。但是，記憶障礙的減少可能是由于運(yùn)動(dòng)引起的情緒、自信心和自我效能感的改善。因此，長(zhǎng)期的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練干預(yù)研究結(jié)果有待商榷。此外，在老年人群受試者中，Best等人[9]發(fā)現(xiàn)52周的抗阻訓(xùn)練能有效地增強(qiáng)列表學(xué)習(xí)范式中的情景記憶。這與Jonasson等人[10]的研究結(jié)果一致，但他們發(fā)現(xiàn)有氧運(yùn)動(dòng)組相較于抗阻運(yùn)動(dòng)組，認(rèn)知能力改善程度有所提高。

總的來(lái)說(shuō)，急性和長(zhǎng)期有氧運(yùn)動(dòng)可以改善不同年齡個(gè)體的情景記憶功能。但兩種運(yùn)動(dòng)方式的結(jié)合是否會(huì)對(duì)記憶產(chǎn)生疊加效應(yīng)仍未可知。但如果有所改善，這將表明兩種鍛煉方式可以通過(guò)相同的或獨(dú)特的機(jī)制來(lái)影響記憶。

4 組合訓(xùn)練對(duì)記憶的影響

Komulainen等人[11]的研究發(fā)現(xiàn)，相較于有氧訓(xùn)練，組合訓(xùn)練可有效改善老年人的最大攝氧量與即時(shí)情景記憶功能。相較于抗阻訓(xùn)練組，組合訓(xùn)練組的最大攝氧量的提高和情景記憶的關(guān)聯(lián)可能是由于參與者進(jìn)行了有氧運(yùn)動(dòng)。因此，在抗阻訓(xùn)練組進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)可能推動(dòng)心肺功能改善和記憶功能的關(guān)聯(lián)。盡管干預(yù)組心肺功能的改善與更好的記憶表現(xiàn)相關(guān)，但研究組之間的記憶變化沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的差異。

Aquino等人[12]在慢性阻塞性肺疾病患者中進(jìn)行了一項(xiàng)隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)，患者被隨機(jī)分為高強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練組和組合訓(xùn)練組。結(jié)果表明，兩組的長(zhǎng)期記憶均有顯著改善，但組合訓(xùn)練組的變化幅度更大。

Bossers等人[13]在老年癡呆癥患者中進(jìn)行了為期9周的隨機(jī)對(duì)照試驗(yàn)。結(jié)果顯示，組合訓(xùn)練組的視覺(jué)記憶和言語(yǔ)記憶均有改善。將組合訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)組與單純有氧運(yùn)動(dòng)組進(jìn)行比較，組合訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)組在記憶功能方面有稍大的改善。

5 運(yùn)動(dòng)方式對(duì)記憶的作用機(jī)制

與單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)方式相比，在時(shí)間進(jìn)度相同的情況下，進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)和抗阻運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練方案似乎有更好的改善效果[12]。有證據(jù)表明，對(duì)于相同類型的運(yùn)動(dòng)，在改變運(yùn)動(dòng)方式后可能在特定的大腦區(qū)域中具有獨(dú)特的神經(jīng)適應(yīng)機(jī)制[14]。因此，這種疊加效應(yīng)可能是這些運(yùn)動(dòng)行為激活兩種相似或獨(dú)特的適應(yīng)機(jī)制的結(jié)果。有氧運(yùn)動(dòng)和抗阻運(yùn)動(dòng)都被證明有利于腦血流[15]和神經(jīng)發(fā)生[16]，從而促進(jìn)情景記憶功能改善。急性運(yùn)動(dòng)可引起腦血流的短暫增加，而長(zhǎng)期運(yùn)動(dòng)可增加毛細(xì)血管形成并誘導(dǎo)神經(jīng)發(fā)生。此外，在細(xì)胞和分子水平的機(jī)制上對(duì)于這些運(yùn)動(dòng)模式如何影響記憶提供了一些方向。在這些不同的機(jī)制中，神經(jīng)電位和神經(jīng)元間通訊方式的改變起到了關(guān)鍵作用。

有氧運(yùn)動(dòng)和抗阻運(yùn)動(dòng)模型可能對(duì)海馬記憶功能有所改善。有氧運(yùn)動(dòng)可能會(huì)增加腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子前體分子(pro Brain derived neurotrophic factor,proBDNF)和海馬腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(Brain derived neurotrophic factor,BDNF)的產(chǎn)生，除了谷氨酸能蛋白(N-Methyl-D-aspartate receptor,NMDA)的上調(diào)外，還可能增強(qiáng)環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)的磷酸化。抗阻運(yùn)動(dòng)除了增加胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(Insulin-like growth factor-1,IGF-1)的產(chǎn)生外，還有助于減少白細(xì)胞介素-6(Interleukin- 6,IL-6)。因此，可以推測(cè)IL-6抑制NMDA活性。此外，除了蛋白激酶Cα(Protein kinase C alpha,PKCα)之外，抗阻訓(xùn)練還可以增加神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)因子受體(Neurotrophic growth factor receptor,TrkB)的上調(diào)。最終，這些途徑的激活導(dǎo)致基因表達(dá)和蛋白質(zhì)產(chǎn)生，這對(duì)記憶具有重要意義(見(jiàn)表1)。而其中一些蛋白質(zhì)是外周產(chǎn)生的，比如有部分蛋白來(lái)自骨骼肌，并且可能穿過(guò)血腦屏障發(fā)揮作用。

5.1 神經(jīng)電參數(shù)

Ozkaya等人[17]評(píng)估了有氧運(yùn)動(dòng)和抗阻運(yùn)動(dòng)對(duì)影響記憶功能的神經(jīng)電相關(guān)性。兩種干預(yù)都改善了不同事件的相關(guān)電位參數(shù)，例如大腦對(duì)刺激的電生理反應(yīng)。但抗阻訓(xùn)練組在P2-N2時(shí)產(chǎn)生了更短的潛伏期，在N1-P2、P2-N2和N2- P3時(shí)產(chǎn)生了更大的振幅。這些發(fā)現(xiàn)表明，抗阻訓(xùn)練對(duì)注意力的分配可能會(huì)產(chǎn)生一定的變化，這可能有助于優(yōu)化信息處理和內(nèi)存編碼[18]。有氧運(yùn)動(dòng)和抗阻運(yùn)動(dòng)都可以改善與記憶功能潛在參數(shù)；然而，與有氧運(yùn)動(dòng)相比，抗阻運(yùn)動(dòng)引起的變化潛伏期短，各種事件相關(guān)電位的振幅更大。

5.2 長(zhǎng)期增強(qiáng)作用及相關(guān)參數(shù)

記憶的重要潛在細(xì)胞機(jī)制是長(zhǎng)期增強(qiáng)(Long-term Potentiation,LTP)[19]或持續(xù)的興奮性突觸后增強(qiáng)。換句話說(shuō)，LTP的持續(xù)增強(qiáng)是由高頻突觸前活動(dòng)引起的突觸連接。情景記憶被認(rèn)為是神經(jīng)元的時(shí)空模式存儲(chǔ)[20]，并且這些神經(jīng)元之間的交流程度越高，存儲(chǔ)和檢索記憶的能力就越增強(qiáng)[21]。

各種蛋白(如BDNF、CREB、IGF-1、β-CaMKII、PSD-95、PKCα、IL6)和受體(如NMDA、TrkB)在影響LTP中起關(guān)鍵作用。有關(guān)這些蛋白和受體如何影響記憶的描述見(jiàn)表1。

表1 關(guān)鍵蛋白和受體在影響長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)中的作用

AMPA：α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸；β-CaMKII：鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶II型亞基β；BDNF：腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子； CREB：cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白； E-LTP：早期長(zhǎng)期增強(qiáng)；IGF-1：胰島素樣生長(zhǎng)因子-1；L-LTP：后期長(zhǎng)期增強(qiáng)；MAPK：有絲分裂原激活的蛋白激酶；NMDA：N-甲基-D-天冬氨酸；PI3K：磷酸肌醇3-激酶；PKC：蛋白激酶C；PLCy：磷脂酶C(Y結(jié)構(gòu)域)；PSD-95：突觸后密度蛋白95；TrkB：Tropomyosin受體激酶B。

由于細(xì)胞因子的神經(jīng)突觸特性，能夠進(jìn)而影響LTP。例如，在Ⅱ型糖尿病患者中，進(jìn)行12周的抗阻運(yùn)動(dòng)而不進(jìn)行有氧運(yùn)動(dòng)，IL-6水平有所降低，但運(yùn)動(dòng)方式間IL-6差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[30]。其他蛋白也在維持LTP中發(fā)揮重要作用，可能是通過(guò)改變關(guān)鍵膜受體和激活影響晚期LTP的下游細(xì)胞通路，如CREB、cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白。IGF-1可能在循環(huán)中通過(guò)血腦屏障，從而在中樞介導(dǎo)抗阻運(yùn)動(dòng)對(duì)記憶功能的作用。相對(duì)于有氧運(yùn)動(dòng)而言，抗阻運(yùn)動(dòng)可能對(duì)外周IGF -1的產(chǎn)生有更大的影響，而有氧運(yùn)動(dòng)可能對(duì)BDNF的產(chǎn)生有更大的影響。無(wú)論是有氧運(yùn)動(dòng)還是抗阻運(yùn)動(dòng)都顯示BDNF表達(dá)增加[31]。

Cassilhasetal等人[32]對(duì)大鼠進(jìn)行8周有氧跑臺(tái)訓(xùn)練(30分鐘/天)或抗阻運(yùn)動(dòng)(爬梯20-30分鐘)。兩種訓(xùn)練模式都以類似的方式改善了學(xué)習(xí)和空間記憶。同樣，兩種訓(xùn)練方式均能增加突觸素1和突觸素(神經(jīng)遞質(zhì)釋放和囊泡融合的必需蛋白)的表達(dá)?；阱憻挿绞酱嬖诓煌姆肿有盘?hào)傳導(dǎo)，有氧運(yùn)動(dòng)使海馬IGF-1、BDNF、TrkB 、β-CaMKII水平升高，而抗阻訓(xùn)練則使外周和海馬IGF-1水平升高，同時(shí)使海馬IGF-1受體和Akt激活[32]。也就是說(shuō)，8周的有氧或抗阻運(yùn)動(dòng)既增強(qiáng)了空間記憶能力，也增加了CREB和BDNF的表達(dá)。此外，有氧運(yùn)動(dòng)增加谷氨酸能蛋白(NMDA受體和PSD-95)，減少DNA脫氧核糖核酸損傷，而抗阻訓(xùn)練增加PKCα水平。Lee等人[33]的實(shí)驗(yàn)表明，在有阻力和無(wú)阻力的情況下進(jìn)行4周的轉(zhuǎn)輪運(yùn)動(dòng)都可以改善空間學(xué)習(xí)和記憶力并上調(diào)BDNF的表達(dá)。然而，與無(wú)阻力的輪轉(zhuǎn)不同，有阻力的輪轉(zhuǎn)也增加了TrkB和CREB蛋白水平。后面的發(fā)現(xiàn)與唐量等人的研究結(jié)果一致,唐量等人[34]發(fā)現(xiàn)，6周有氧跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)或負(fù)重爬梯運(yùn)動(dòng)改善了學(xué)習(xí)記憶能力，但進(jìn)行爬梯訓(xùn)練的動(dòng)物TrkB和CREB水平較高?？偟膩?lái)說(shuō)，這些研究表明，訓(xùn)練期間的能量消耗程度可能對(duì)運(yùn)動(dòng)性記憶的分子機(jī)制產(chǎn)生獨(dú)特的影響。

所進(jìn)行的動(dòng)物研究揭示了類似結(jié)果，即改善學(xué)習(xí)和記憶能力，但可能是通過(guò)激活不同的途徑來(lái)誘導(dǎo)這些結(jié)果。這些不同通路的激活也可能具有不同的認(rèn)知效應(yīng)，如Akt對(duì)血管生成、神經(jīng)發(fā)生和神經(jīng)細(xì)胞存活至關(guān)重要，而β-Ca MKII可能是NMDA調(diào)節(jié)和記憶鞏固所必需的[32]。

5.3 其他潛在的機(jī)制

其他潛在機(jī)制包括神經(jīng)元振蕩和氧化參數(shù)的改變。改善大腦振蕩能夠促進(jìn)信息神經(jīng)電路的編碼，存儲(chǔ)和檢索[35]。研究表明，重復(fù)的5-10Hz(θ頻率)的重復(fù)脈沖是誘導(dǎo)海馬LTP的最佳方法[36]。然而，急性有氧運(yùn)動(dòng)和抗阻運(yùn)動(dòng)在多大程度上引起類似的或不同的神經(jīng)元振蕩效應(yīng)還需要進(jìn)一步研究。值得注意的是，有實(shí)驗(yàn)表明，跑臺(tái)以及爬梯運(yùn)動(dòng)都能誘發(fā)節(jié)律性的慢神經(jīng)元活動(dòng)(例如，θ波)[37]。

關(guān)于氧化參數(shù)，F(xiàn)eter等人[38]發(fā)現(xiàn)中等強(qiáng)度有氧和抗阻運(yùn)動(dòng)均能改善記憶能力，與對(duì)照組相比，兩組海馬中亞硝酸鹽含量均降低。然而，有氧運(yùn)動(dòng)通過(guò)增加海馬催化酶的活性來(lái)提供海馬的抗氧化保護(hù)，而抗阻運(yùn)動(dòng)則增加了反應(yīng)性氧的種類，這在IGF-1信號(hào)通路中起著重要的作用[39]。

6 結(jié)論

急性和慢性有氧和/或抗阻運(yùn)動(dòng)以及兩者結(jié)合的組合訓(xùn)練可以潛在地改善記憶功能。同樣，由于有氧運(yùn)動(dòng)和抗阻運(yùn)動(dòng)的共同作用，運(yùn)動(dòng)對(duì)記憶功能的影響可能是由于一種累積效應(yīng)激活了與運(yùn)動(dòng)方式相似或獨(dú)特的機(jī)制。這種累積效應(yīng)在一定程度上可能是由抗阻訓(xùn)練有關(guān)的神經(jīng)適應(yīng)所引起的。神經(jīng)適應(yīng)是由LTP加強(qiáng)的因素介導(dǎo)的，從而增強(qiáng)情景記憶。BDNF、CREB、PKCα和NMDA受體等蛋白的增加，或炎癥標(biāo)志物IL-6的減少，可在早期和晚期影響LTP。研究結(jié)果清楚地表明，運(yùn)動(dòng)能夠引發(fā)記憶增強(qiáng)的分子機(jī)制。未來(lái)的研究可以評(píng)估這些發(fā)現(xiàn)在不同程度的抗阻訓(xùn)練時(shí)是否成立。例如，利用比體重低的外負(fù)荷和利用比體重高的外負(fù)荷時(shí)，由于神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)和激素變化可能會(huì)影響這些運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)通路的激活，并由此產(chǎn)生不同的認(rèn)知效應(yīng)。此外，使用變化的外負(fù)荷可能會(huì)影響外周或海馬BDNF的基因表達(dá)，可能會(huì)減少運(yùn)動(dòng)對(duì)記憶功能的影響。綜上，我們認(rèn)為有氧運(yùn)動(dòng)和抗阻運(yùn)動(dòng)通過(guò)激活類似和獨(dú)特的機(jī)制途徑來(lái)改善記憶功能。應(yīng)繼續(xù)探索這一新的研究路線，這可能有助于開(kāi)發(fā)可應(yīng)用于神經(jīng)和記憶相關(guān)疾病的運(yùn)動(dòng)干預(yù)方案。