張連成，高淑青

身體鍛煉對認知老化的延遲作用：來自腦科學的證據(jù)

張連成1，高淑青2

認知老化是指個體進入老年期后認知功能的衰退過程，即與年輕時相比，老年時的認知功能出現(xiàn)的衰退現(xiàn)象，認知老化的發(fā)生是有其腦基礎的。身體鍛煉對延緩認知老化方面的作用逐漸受到重視，并且在腦科學研究方面也積累了豐富的證據(jù)。（1）身體鍛煉通過對某些大腦結(jié)構(gòu)的重塑來影響認知老化，經(jīng)常參加體育鍛煉對于老年人維持大腦灰質(zhì)和白質(zhì)容量、白質(zhì)完整性等方面均表現(xiàn)出積極作用；（2）身體鍛煉可以促進與認知功能相關腦區(qū)的激活以及功能網(wǎng)絡的聯(lián)結(jié)，以維持老年人的認知功能；（3）身體鍛煉還可以通過提高大腦神經(jīng)加工效率來影響腦功能，進而對延緩認知老化起到重要作用。未來研究需要關注身體鍛煉對執(zhí)行控制以外的其他認知功能相關腦區(qū)結(jié)構(gòu)以及激活的積極影響，探討身體鍛煉促進大腦特定腦區(qū)之間相互作用的機理以確定身體鍛煉對腦功能網(wǎng)絡的積極影響，綜合使用ERP和fMRI等技術以探討認知老化相關腦區(qū)的特定時間和空間機制，細化鍛煉項目設計以確定不同鍛煉處方對腦結(jié)構(gòu)和功能的影響等方向。

認知老化；身體鍛煉；腦老化；認知功能

自從第5次全國人口普查顯示我國已步入老齡化社會以來，人口老齡化問題就成為社會各界關注的熱點問題之一。隨著老齡化進程，老年人全身器官會出現(xiàn)退行性變化，作為腦功能的一個重要指標，認知功能也會出現(xiàn)衰退。而且，在全身性衰退中，最明顯且對老年人影響最大的是認知功能[1]。認知功能是檢驗老年人身心健康和生活質(zhì)量的一個重要方面[2]，直接影響到老年人的日常生活[3]。認知老化是指個體進入老年期后認知功能的衰退過程，即與年輕時相比，老年時認知功能出現(xiàn)的衰退現(xiàn)象[4]。認知老化的發(fā)生是有其腦基礎的，研究[5]發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元樹突和棘突的結(jié)構(gòu)性改變，以及腦白質(zhì)中有髓神經(jīng)纖維的大量減少，是引起常態(tài)腦老化認知功能改變的重要因素。這提示，可以采取一些干預手段，對大腦某些結(jié)構(gòu)及其功能進行重塑，進而延緩認知老化。

近年來，身體鍛煉對延緩老年人認知老化方面的作用逐漸受到重視[6-8]。本文在梳理這方面研究成果的基礎上認為，身體鍛煉的認知效益不僅表現(xiàn)在長期鍛煉對老年人認知功能的積極影響上，同時也在身體鍛煉后的即刻效應方面有所表現(xiàn)，但這種一次性身體鍛煉的積極作用可能維持的時間較短，只有老年人長期堅持身體鍛煉，才能更好地維持這種積極作用。那么，身體鍛煉為何能延緩認知老化的發(fā)生？這成為研究者們更為關切的一個問題。對此，諸多研究發(fā)現(xiàn)，身體鍛煉對與認知老化相關的大腦結(jié)構(gòu)和功能有積極影響，這為身體鍛煉改善老年人的認知功能，延緩其老化進程提供了解釋依據(jù)。本文將基于認知老化的腦機制，從身體鍛煉對老年人大腦結(jié)構(gòu)、大腦功能的積極影響著手，探討身體鍛煉對認知老化的積極影響，并提出未來該領域的研究方向。

1 身體鍛煉對認知老化相關大腦結(jié)構(gòu)的積極影響

認知老化與大腦的一些結(jié)構(gòu)密切相關，身體鍛煉可以通過對這些大腦結(jié)構(gòu)的重塑來影響認知老化。ERICKSON等[9]的研究通過磁共振成像技術對165名非癡呆老年人進行研究，以揭示身體鍛煉與海馬體積以及記憶表現(xiàn)之間的關系。該研究在控制了年齡、性別以及教育年限后發(fā)現(xiàn)，高體適能者的海馬體積更大，空間記憶表現(xiàn)更好。這提示，身體鍛煉可能是通過增大海馬的體積，從而提高其記憶能力。GORDON等[10]研究發(fā)現(xiàn)，體適能較高組老年人在認知功能測試指標上的表現(xiàn)顯著優(yōu)于體適能較低組，而體適能水平則與中顳區(qū)、前頂區(qū)及內(nèi)額區(qū)之灰質(zhì)密度呈現(xiàn)正相關。MARKS等[8]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常參加身體鍛煉的人，會保持良好的體能，這將會促進大腦白質(zhì)的完整性。VOSS等[11]探討了鍛煉對老年人腦白質(zhì)完整性以及認知功能的影響。經(jīng)過1年的鍛煉干預后發(fā)現(xiàn)，體適能的積極改變與額葉和顳葉的腦白質(zhì)完整性增加以及短時記憶密切相關，而在控制了體適能改變以后，腦白質(zhì)完整性與短時記憶不相關。PRAKASH等[12]研究發(fā)現(xiàn)，身體鍛煉可以增加包括額葉內(nèi)回、前扣帶皮層和楔前葉的中線皮質(zhì)結(jié)構(gòu)中的灰質(zhì)容量，在左丘腦和右前放射冠輻射出更高的局部各向異性（這提示白質(zhì)完整性更好），而灰質(zhì)容量的增加以及白質(zhì)完整性的提高可以提高大腦的加工速度。COLCOMBE等[13]研究發(fā)現(xiàn)，隨著年齡增長，與增齡相關的額葉、頂葉與顳葉皮質(zhì)密度呈下降趨勢，而經(jīng)常參加體育鍛煉可以減緩這一進程。FL?EL等[14]發(fā)現(xiàn)，身體活動水平不但與記憶編碼成績呈正相關，而且與前額葉、扣帶回、枕顳區(qū)及小腦的灰質(zhì)有顯著相關，其中與右前額葉與扣帶回區(qū)域的灰質(zhì)容量有高度相關。ERICKSON等[7]的追蹤研究發(fā)現(xiàn)，在控制了腦白質(zhì)損傷等多個變量的干擾后，身體鍛煉量與9年后的前額、枕葉、內(nèi)嗅以及海馬回等區(qū)域的灰質(zhì)容量變化顯著相關。因此，身體鍛煉改善認知功能的原因可能是，身體鍛煉有助于與認知功能有關腦區(qū)的結(jié)構(gòu)保持更加完整。

此外，幾項隨機控制干預實驗也證實了身體鍛煉對大腦結(jié)構(gòu)的積極影響[15-17]。COLCOMBE等[15]以20位年輕人為對照組，并將59位健康老年人隨機分配到有氧運動干預組或伸展運動的對照組。有氧運動以漸進至60%～70%心率儲備、每周3次，一次1 h的方式進行6個月。干預前后分別進行3T的優(yōu)化VBM（基于體素的形態(tài)學分析，voxel-based morphometry）方法進行檢測。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長期有氧鍛煉組可以增加前額葉與顳葉皮質(zhì)的灰質(zhì)與白質(zhì)容量。ERICKSON等[16]研究發(fā)現(xiàn)，有氧鍛煉1年后，老年人左、右側(cè)的前側(cè)海馬回容量分別增加2.12%與1.97%，而不鍛煉的控制組則平均下降1.4%，而海馬回容量與空間記憶表現(xiàn)呈顯著正相關。RUSCHEWEYH等[17]將62位健康老年人參與者隨機分配到中等強度鍛煉組、低強度鍛煉，以及不運動的控制組中，進而探討了不同強度鍛煉對老年人大腦結(jié)構(gòu)以及記憶功能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，身體鍛煉可以促進老年人記憶功能的表現(xiàn)。此外，無論是中等或低強度鍛煉組，其整體身體活動量均與前額與扣帶回皮質(zhì)的灰質(zhì)容量呈顯著正相關。HO等[18]研究發(fā)現(xiàn)，身體鍛煉既可以直接影響大腦結(jié)構(gòu)，也可以通過降低身體質(zhì)量指數(shù)，進而影響大腦結(jié)構(gòu)。

綜上，身體鍛煉可以維持大腦結(jié)構(gòu)的完整，延緩大腦灰質(zhì)、白質(zhì)密度下降，細胞凋亡以及白質(zhì)完整性下降等。而大腦結(jié)構(gòu)的保護與改善，必定表現(xiàn)在其功能的維持與提高上，這為身體鍛煉延緩認知老化的發(fā)生提供了依據(jù)。但是，前人關于身體鍛煉對大腦結(jié)構(gòu)的積極影響似乎更多體現(xiàn)在與記憶以及執(zhí)行功能有關的腦區(qū)。這提示，未來研究需要進一步探討身體鍛煉對老年人其他認知功能（如學習、注意以及推理等）相關腦區(qū)結(jié)構(gòu)的影響。

2 身體鍛煉對認知老化相關大腦功能的積極影響

已有諸多研究探討了身體鍛煉對大腦功能的積極影響?？偟膩碚f，身體鍛煉對大腦功能的積極影響主要體現(xiàn)在促進與認知功能相關腦區(qū)的激活以及功能網(wǎng)絡的聯(lián)結(jié)、提高大腦神經(jīng)效率等方面。

2.1 身體鍛煉可以促進與認知功能相關腦區(qū)的激活

身體鍛煉可以促進與認知功能相關腦區(qū)的激活，進而影響大腦的功能。COLCOMBE等[19]使用功能性核磁共振技術掃描研究參與者在完成Eriksen flankers任務時的大腦皮層激活現(xiàn)象。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有氧鍛煉干預組在Eriksen flankers任務上表現(xiàn)更好，且同時在額葉以及頂葉區(qū)有更大的激活，這提示有氧鍛煉可以增強前額葉的控制功能，進而提高認知功能。CHAPMAN等[20]研究發(fā)現(xiàn)，12周的有氧運動（每周3次，每次1 h的騎單車或跑步）可增強中老年人的記憶力。腦成像顯示，鍛煉者的大腦中與記憶功能相關的前扣帶皮層、與早老性癡呆癥相關的海馬區(qū)等特定區(qū)域血流量增加，且這些大腦特定區(qū)域血流量的增加出現(xiàn)在記憶改善之前，說明大腦血流量增加很可能是有氧運動改善記憶功能的腦機制之一。PEREIRA等[21]也通過核磁共振掃描技術發(fā)現(xiàn)，3個月的有氧鍛煉可以增加參與者海馬齒狀回內(nèi)的血容量，且這種血流量的增加與參與者的有氧能力以及短時記憶測試成績相關顯著。ROSANO等[22]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過12個月鍛煉干預后的老年人較不鍛煉的老年人在2年后完成數(shù)字符號替換測驗時，大腦背外側(cè)前額葉皮層的激活更大。PRAKASH等[23]的橫斷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高體適能者在完成不相容的色詞Stroop任務時，額葉以及顳葉皮層區(qū)域激活更大，以便提供其完成認知任務時所需要的認知資源。ROGERS等[24]通過對90位65歲達到退休年齡的老年人進行了4年的追蹤發(fā)現(xiàn)，繼續(xù)參加工作以及參加規(guī)律鍛煉的老年人4年后其認知功能較不參加鍛煉的老年人更好，且整體腦血流更多。這也提示，參加身體鍛煉可以促進老年人大腦功能的維持。

上述研究提示，身體鍛煉可以促進大腦特定腦區(qū)的激活，尤其是與執(zhí)行控制相關的腦區(qū)激活，進而維持特定的認知功能。這也提示，未來研究需要進一步探討身體鍛煉對其他認知功能相關腦區(qū)激活的影響，以拓展身體鍛煉對腦功能影響的領域。

2.2 身體鍛煉可以促進腦功能網(wǎng)絡聯(lián)結(jié)的積極改變

身體鍛煉對腦功能的影響還體現(xiàn)在鍛煉促進腦功能網(wǎng)絡聯(lián)結(jié)的積極改變。VOSS等[25]的橫斷研究發(fā)現(xiàn)，隨著年齡增長，默認模式網(wǎng)絡（default mode network，DMN）相關區(qū)域內(nèi)以及區(qū)域之間的功能性聯(lián)結(jié)減弱，但是高心血管適能的老年人的額區(qū)內(nèi)以及額區(qū)與顳區(qū)之間的功能性聯(lián)結(jié)更強，這些區(qū)域的功能性聯(lián)結(jié)可以促進認知功能的表現(xiàn)（空間加工以及執(zhí)行控制任務）。VOSS等[26]研究發(fā)現(xiàn)，通過1年的步行鍛煉干預，可以增加老年人的默認模式網(wǎng)絡與前額執(zhí)行網(wǎng)絡的神經(jīng)聯(lián)結(jié)，進而促進執(zhí)行功能的改善。BURDETTE等[27]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過4個月鍛煉干預的老年人較對照組老年人（健康教育組）在靜息態(tài)下海馬血流量顯著增加，而且鍛煉組老年人的海馬區(qū)域與前扣帶皮層的功能性聯(lián)結(jié)更加緊密。

上述研究提示，身體鍛煉可以促進腦功能網(wǎng)絡聯(lián)結(jié)的積極改變，這對于維持老年人的認知功能至關重要，尤其是伴隨著老齡化進程，與認知功能相關的特定腦區(qū)的功能減弱而引起認知衰退，但是通過多個腦區(qū)的功能性網(wǎng)絡聯(lián)結(jié)的建立，可以維持老年人的認知功能。

2.3 身體鍛煉可以提高老年人的神經(jīng)加工效率

身體鍛煉促進大腦的機能還體現(xiàn)在經(jīng)常參加身體鍛煉的老年人其神經(jīng)加工效率更高。DAI等[6]選取了48名老年人被試，通過任務轉(zhuǎn)換范式進行執(zhí)行功能測試，在完成執(zhí)行功能測試同時進行ERP測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鍛煉組老年人較不鍛煉組老年人在轉(zhuǎn)換任務上反應更快，ERPs的P300波幅更大，P300的波幅大可以反映研究參與者在完成認知任務時的認知資源調(diào)動情況更好。HUANG等[28]的研究也發(fā)現(xiàn)了類似結(jié)果，老年人參與鍛煉會增加其認知需要，在干擾控制任務中資源分配的神經(jīng)效率更高。而MCDOWELL等[29]研究發(fā)現(xiàn)，不經(jīng)常參加活動的老年人在完成認知作業(yè)時P300曲線下的面積（area under curve，AUC）更大，說明在完成認知作業(yè)時需要較多的分配認知資源，即需要較多的神經(jīng)性努力（neural effort），神經(jīng)效率低，這提示鍛煉者的大腦功能保持的更好。

此外，即刻的鍛煉也會對大腦的神經(jīng)加工效率產(chǎn)生影響，如KAMIJO等[30]研究發(fā)現(xiàn)，在高強度騎車運動后，被試的P300波幅下降，而中等強度的騎車運動后，被試的P300波幅增加，而低強度騎車運動后，被試的P300沒有變化。該研究提示，在高強度鍛煉后，被試在完成任務時的注意資源投入下降，而中等強度鍛煉后，被試在完成任務時的注意資源投入增多。這提示，不同鍛煉強度對中樞神經(jīng)系統(tǒng)信息加工的影響不同。HILLMAN等[31]研究發(fā)現(xiàn)，30 min的跑步機鍛煉可以促進執(zhí)行功能，在完成埃里克森弗蘭克任務（Eriksen flankers task）時的P3波幅更大，潛伏期更短，這提示急性鍛煉可以通過提高大腦的認知加工速度和刺激辨別速度來影響執(zhí)行功能。

HILLMAN等[32]綜述了鍛煉對腦功能與認知之間影響的ERP研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然研究結(jié)果有不一致之處，但是多數(shù)研究均發(fā)現(xiàn)經(jīng)常鍛煉者在完成刺激辨別任務、抑制任務以及轉(zhuǎn)換任務時，P3波幅更高，表明注意資源分配更多，潛伏期更短，表明加工速度更快。這提示，經(jīng)常鍛煉可以增強大腦的神經(jīng)聯(lián)絡，促進腦功能的保持。

除了P3這一指標外，還有其他的一些ERP指標也被用來衡量鍛煉對大腦功能的積極影響，如CHANG等[33]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常鍛煉的老年人在完成修訂的斯滕伯格工作記憶任務時反應更快，P3和N1波幅增加，而P3潛伏期縮短。這提示，身體鍛煉之所以促進老年人的工作記憶，是因為身體鍛煉增加了回憶階段的注意資源分配，提高了刺激評價的效率，并在工作記憶任務編碼的早期判別階段投入了注意資源的分配。SHIN等[34]研究發(fā)現(xiàn)，年齡會影響到工作記憶的編碼（P1晚成分的波幅更?。┖凸ぷ饔洃浀谋３?提?。ㄇ邦~葉負波更負），這表明老年人對大量感知信息進行選擇和編碼的能力下降，工作記憶保持/提取更差，而身體鍛煉則會延緩工作記憶容量的下降，并體現(xiàn)在相關的ERP成分上。THEMANSON等[35]研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)常參加鍛煉的老年人在完成轉(zhuǎn)化任務測試時反應更快，錯誤相關負波（The error-related negativity，ERN）波幅更低，表明經(jīng)常鍛煉的老年人在完成轉(zhuǎn)換任務時付出的代價更少，需要投入的資源更少。

由于探討身體鍛煉提高大腦神經(jīng)加工效率的研究主要是采用ERP技術，而ERP技術的特點是時間定位較準確，而空間定位相對不夠精準。因而此類研究，僅是推測身體鍛煉可以提高認知功能相關腦區(qū)的神經(jīng)加工效率，包括加工資源動員的更快，儲備的認知資源更多等，而不能精確描述出其具體為哪個腦區(qū)或哪幾個腦區(qū)的功能所在，這也是此類研究的不足之所在。

綜上，身體鍛煉對腦功能老化的積極影響，不僅表現(xiàn)在促進與認知功能相關腦區(qū)的激活以及功能性聯(lián)結(jié)的加強，還表現(xiàn)在提高大腦神經(jīng)元的動員程度等方面。總之，身體鍛煉可以通過改善鍛煉者大腦的功能來延緩認知老化。正如，ERICKSON和KRAMER[36]在分析了之前的相關研究后認為的那樣，6個月的有氧運動足以明顯提高老年人在執(zhí)行控制方面體現(xiàn)出來的認知能力，這些變化伴隨著腦活動方式的改變，即建立了效率更高的神經(jīng)系統(tǒng)。

3 未來研究展望

身體鍛煉作為一種積極的生活方式，其對認知老化的延遲作用越來越受到研究者的重視。身體鍛煉不僅在行為上可以改善老年人的認知功能，而且在腦科學領域積累了大量證據(jù)，體現(xiàn)在老年人特定的腦區(qū)和功能上的積極改變，這也為身體鍛煉干預老年人的認知功能提供了必要的依據(jù)。作者期望腦科學領域的不斷發(fā)展能夠為認知老化研究領域帶來曙光，揭開認知老化的面紗，進而為身體鍛煉促進認知功能的保持，促進成功老齡化提供依據(jù)。

（1）關于身體鍛煉對大腦特定腦區(qū)結(jié)構(gòu)和激活的影響，需要進一步探討身體鍛煉對執(zhí)行功能以外的其他認知功能相關腦區(qū)結(jié)構(gòu)和激活的影響。根據(jù)前人研究，鍛煉產(chǎn)生的認知效益在執(zhí)行控制任務上效果量最大[37]。這也解釋了為何身體鍛煉對大腦結(jié)構(gòu)積極影響的研究主要集中在執(zhí)行功能相關的腦區(qū)。這提示，未來的研究需要進一步探討身體鍛煉對其他認知功能相關腦區(qū)結(jié)構(gòu)以及激活的積極影響。同時需要考慮身體鍛煉的長期作用，如果身體鍛煉對一般認知功能相關腦區(qū)的影響是緩慢的，那么長期的身體鍛煉干預與追蹤可能是未來該領域研究的重要方向之一。

（2）關于身體鍛煉對大腦功能性網(wǎng)絡的積極影響，未來研究需要借助正電子發(fā)射斷層掃描（positron emission computerized topography，PET）、功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）、腦磁圖儀（magnetoencephalography，MEG）、腦電（electroencephalogram，EEG）和事件相關電位（event-related potentials，ERPs）等設備采集相關數(shù)據(jù)，以確定身體鍛煉對大腦各個功能性網(wǎng)絡的積極影響。同時，如果有可能的話，還需要進一步探討身體鍛煉是否可以促進大腦特定腦區(qū)之間的相互作用以及相互作用關系的強弱，以此確定身體鍛煉對腦功能網(wǎng)絡的影響。

（3）關于身體鍛煉提高大腦神經(jīng)加工效率的研究主要是采用ERP技術，而ERP技術的特點是大腦神經(jīng)加工的時間定位較準確，而空間定位相對不夠精準。因而，此類研究僅是推測身體鍛煉可以提高認知功能相關腦區(qū)的神經(jīng)加工效率，而不能精確描述出其腦區(qū)功能所在。因此，未來研究需要考慮在ERP研究的基礎上，引入精確的腦成像技術，以便確定大腦神經(jīng)效率提高的腦區(qū)所在。

（4）關于身體鍛煉方式，未來研究需要細化。不同的鍛煉方式可能對老年人的認知功能影響不同。有氧運動與無氧運動、短期運動與長期運動、耐力運動與力量訓練等的不同可能導致鍛煉的效益不同，這會直接影響到老年人特定的腦結(jié)構(gòu)和功能。因此，未來研究需要細化身體鍛煉的項目和特征，以確定不同鍛煉處方對大腦結(jié)構(gòu)和功能的影響。

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Delay Effect of Physical Exercise on Cognitive Aging：Evidence from Brain Science

ZHANG Liancheng1，GAO Shuqing2
（1.Dept.of Health&Exercise Science，Tianjin University of Sport，Tianjin 300381，China；2.Key Lab of Sport Psychological and Physiological Regulation，Tianjin University of Sport，Tianjin 300381，China）

Cognitive aging refer to the process of the decline of cognitive function in old age，which has brain basis.The delay effect of cognitive aging by physical exercise has come under attention，which was proved by a wealth of evidence in brain science.First of all，physical exercise reshapes some of the structure to influence cognitive aging.Physical exercise has positive effects on maintaining brain gray matter and white matter volumes，white matter integrity for elderly.Secondly，physical activity can promote the activation of the brain regions associated with cognitive function and functional network connections to maintain cognitive function in the elderly.Thirdly，physical exercise can improve neural efficiency，which can influence brain function and delay cognitive aging.Future studies need to focus on the effect of physical exercise on other cognitive function besides executive control and its brain mechanisms，the mechanism of physical exercise promoting brain function network brain connection，integrated using technologies such as ERP and fMRI to explore specific time and space mechanism of cognitive aging cerebral regions，refined exercise project designed to determine the effects of different exercise prescriptions on brain structure and function.

cognitive aging；physical exercise；brain aging；cognitive function

G 804.8

A

1005-0000（2014）04-309-04

2014-02-13；

2014-06-27；錄用日期：2014-06-28

教育部人文社會科學研究項目（項目編號：13YJCZH246）；國家科技支撐計劃資助項目（項目編號：2012BAK21B03）

張連成（1981-），男，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，博士，講師，研究方向為運動心理學。

1.天津體育學院健康與運動科學系，天津 300381；2.天津體育學院競技運動心理與生理調(diào)控重點實驗室，天津 300381。