陳愛國，朱麗娜，王 鑫，顏 軍

?

短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動對兒童腦的可塑性影響：來自腦功能局部一致性的證據(jù)

陳愛國，朱麗娜，王 鑫，顏 軍

目的：揭示短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動對兒童靜息狀態(tài)下腦功能局部一致性的影響，為闡明體育運(yùn)動與兒童腦的可塑性關(guān)系提供新證據(jù)。方法：利用靜息態(tài)功能磁共振成像(resting-state functional MRI,rs-fMRI)技術(shù)和局部一致性(regional homogeneity，ReHo)分析方法探測一次30 min的短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動前后兒童腦功能局部一致性的改變；使用Flanker任務(wù)測量運(yùn)動前后兒童執(zhí)行功能的變化。結(jié)果：1)一次30 min的短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動使得兒童雙側(cè)后扣帶回、左側(cè)背外側(cè)前額葉、左側(cè)額內(nèi)側(cè)回、雙側(cè)中央后回、左側(cè)枕下回、舌回、左側(cè)顳中回和右側(cè)顳上回的ReHo值增高。2)一次30 min的短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動使得兒童執(zhí)行功能提高。3)雙側(cè)后扣帶回、雙側(cè)頂葉中央后回和左側(cè)背外側(cè)前額葉的ReHo增高與執(zhí)行功能提高顯著相關(guān)。結(jié)論：短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動可通過增加兒童靜息狀態(tài)下腦功能局部一致性，改善腦的可塑性和提高執(zhí)行功能。

體育運(yùn)動；靜息態(tài)功能磁共振成像；腦的可塑性；局部一致性；執(zhí)行功能

1 前言

腦的可塑性(Brain plasticity)是指人腦結(jié)構(gòu)和功能隨著內(nèi)外環(huán)境變化而不斷修飾和重組的能力，它是神經(jīng)系統(tǒng)的重要生理特性，也是人類心理和行為適應(yīng)性變化的生理基礎(chǔ)，并貫穿我們生命的始終[15，17]。因此，對兒童認(rèn)知、情緒和行為的認(rèn)識離不開對腦的可塑性的研究。當(dāng)前，腦的可塑性已成為一個(gè)多學(xué)科交叉研究的前沿和熱點(diǎn)，而功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging,fMRI)因具有無創(chuàng)傷性、較高的時(shí)間和空間分辨率等優(yōu)勢，適合于定位和定量考察腦的可塑性變化，已成為一種探索腦的可塑性可靠手段，廣泛應(yīng)用于神經(jīng)科學(xué)和心理學(xué)等領(lǐng)域并且成果卓著[2]。近年來，國內(nèi)、外一些研究者已把腦成像技術(shù)應(yīng)用于探討體育運(yùn)動與兒童腦的可塑性關(guān)系,已有的研究發(fā)現(xiàn)：體育運(yùn)動對兒童腦的結(jié)構(gòu)和任務(wù)狀態(tài)下的腦激活模式有積極影響[3，14]。這些研究成果初步提示：體育運(yùn)動是一種改善兒童腦的可塑性的有效手段[12]。但迄今為止的研究,腦的可塑性指標(biāo)選取片面，僅涉及腦區(qū)的結(jié)構(gòu)變化、任務(wù)狀態(tài)下相關(guān)腦區(qū)激活水平變化，尚需更全面的科學(xué)證據(jù)支持該觀點(diǎn)[3，14]。

近年迅速發(fā)展的靜息態(tài)功能磁共振成像技術(shù)(resting- state functional MRI,rs-fMRI)能從一個(gè)不同的視角為揭示體育運(yùn)動對兒童腦的可塑性影響提供新的科學(xué)證據(jù)。區(qū)別于任務(wù)態(tài)功能磁共振技術(shù)，rs-fMRI是研究靜息狀態(tài)下人腦自發(fā)神經(jīng)活動的重要研究手段[18]。已有研究發(fā)現(xiàn)，靜息態(tài)下自發(fā)神經(jīng)活動不但與鞏固記憶、保持警覺等腦功能有關(guān)，也預(yù)期任務(wù)態(tài)時(shí)認(rèn)知加工的特征[21，22]。因此，本研究擬采用靜息態(tài)功能磁共振成像技術(shù)，且將局部一致性(regional homogeneity，ReHo)的方法用于數(shù)據(jù)分析，探討一次30 min的中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動對兒童腦的可塑性影響。局部一致性是一種處理靜息態(tài)功能磁共振數(shù)據(jù)的科學(xué)可靠方法，通過分析相鄰的多個(gè)體素在同一時(shí)間序列中BOLD信號波動的相似性來探測神經(jīng)活動，是度量相鄰腦區(qū)間功能活動同步性的一種有效方式，ReHo值反映局部神經(jīng)元活動的同步性[30]。已有研究證實(shí)自發(fā)神經(jīng)活動的同步性普遍存在，健康個(gè)體腦區(qū)自發(fā)神經(jīng)活動ReHo值的增高可以看作是腦區(qū)功能連接的增強(qiáng)和優(yōu)化，意味著腦的可塑性發(fā)生積極改變[7，25]。基于此，本研究假設(shè):(1)一次30 min的中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動使得兒童腦功能局部一致性增高。

本研究擬使用經(jīng)典的Flanker任務(wù)測量兒童的執(zhí)行功能(腦的一種高級認(rèn)知功能)，探討一次30 min的中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動干預(yù)前后ReHo的變化與執(zhí)行功能改變的關(guān)系。近年來，越來越多的研究也發(fā)現(xiàn)：自發(fā)神經(jīng)活動ReHo值與認(rèn)知功能發(fā)展及改善密切相關(guān)，自發(fā)神經(jīng)活動ReHo值的增高，這些腦區(qū)所涉及的腦功能也就越好[19，28]?；诖耍狙芯考僭O(shè):(2)兒童執(zhí)行功能相關(guān)腦區(qū)ReHo增高與執(zhí)行功能提高顯著相關(guān)。

體育運(yùn)動對兒童的認(rèn)知功能，特別是執(zhí)行功能的積極效果已得到眾多研究所證實(shí)，且為腦的可塑性理論所初步解釋。運(yùn)動改善認(rèn)知功能的腦可塑性理論指出，體育運(yùn)動可以通過系統(tǒng)水平、細(xì)胞水平、分子水平等多維途徑影響腦的可塑性，伴隨著體育運(yùn)動對腦的可塑性產(chǎn)生積極的影響，兒童的認(rèn)知功能也相應(yīng)產(chǎn)生積極改變，即認(rèn)知改善效果是運(yùn)動所致相關(guān)腦區(qū)的可塑性變化的結(jié)果[3，26]?；谝陨险J(rèn)識，本研究假設(shè):(3)短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動增加兒童靜息狀態(tài)下執(zhí)行功能相關(guān)腦區(qū)ReHo，引發(fā)腦的可塑性改善和執(zhí)行功能的提高。

綜上所述，本研究擬借助rs-fMRI技術(shù)，探討短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動對兒童靜息狀態(tài)下ReHo的影響，并探討與執(zhí)行功能的關(guān)系；以期為深入理解運(yùn)動與兒童腦的可塑性關(guān)系提供新的證據(jù)，也為在教育和治療中使用體育運(yùn)動手段發(fā)展兒童腦和腦功能提供應(yīng)用基礎(chǔ)。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

經(jīng)篩查招募五年級10歲兒童10名(男5名，女5名)。選取標(biāo)準(zhǔn)：1)無腦創(chuàng)傷及神經(jīng)系統(tǒng)疾病病史，無精神障礙及遺傳病史；2)身心狀況良好；3)漢族；4)右利手；5)體重正常(BMI在16～20之內(nèi))；6)智力正常(用韋氏智力量表測查排除IQ<90兒童)；7)無注意缺陷多動障礙癥狀(用注意力及行為評定量表排除)；8)視力或矯正視力>0.8；9)滿足磁共振掃描要求(采用腦成像中心被試檢查單檢查)；10)簽訂知情同意書。本實(shí)驗(yàn)獲北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室腦成像中心倫理與人體保護(hù)委員會批準(zhǔn)。

2.2 研究方法

2.2.1 短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動方案

采用國內(nèi)、外相關(guān)研究確立的兒童中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動標(biāo)準(zhǔn)：個(gè)體60%～69%的最大心率(Heart rate max,HRmax)，其中，HRmax由公式(HRmax=220-年齡)[4，8，16]。在功率自行車(瑞典產(chǎn)MONARK 834型)上實(shí)施有氧運(yùn)動，踏車節(jié)律30 r/min，依據(jù)兒童情況調(diào)整功率自行車阻力大小以達(dá)到中等運(yùn)動強(qiáng)度。采用HR遙測儀(芬蘭產(chǎn)RS800XSD型)監(jiān)控運(yùn)動強(qiáng)度，達(dá)到個(gè)體中等強(qiáng)度運(yùn)動負(fù)荷的HR目標(biāo)區(qū)開始計(jì)時(shí)，運(yùn)動30 min。

2.2.2 執(zhí)行功能評價(jià)

采用陳愛國等依據(jù)經(jīng)典Flanker任務(wù)設(shè)計(jì)的認(rèn)知任務(wù)測量兒童執(zhí)行功能[1，5，10]。測驗(yàn)前有練習(xí)部分，當(dāng)被試掌握后(正確率≥85%)進(jìn)入正式測試。成績?yōu)榉磻?yīng)時(shí)，反應(yīng)時(shí)越小，代表兒童執(zhí)行功能水平越高。

2.2.3 rs-fMRI掃描及圖像處理

fMRI掃描：采用北京師范大學(xué)認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)與學(xué)習(xí)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室腦成像中心西門子3.0 T磁共振掃描儀采集圖像。靜息態(tài)BOLD-fMRI掃描時(shí)間為8 min，具體參數(shù)如下：TR/TE=2 000/30 ms，層數(shù)=33，層厚=3.0 mm，間距=1 mm，翻轉(zhuǎn)角90°，采集矩陣=64×64，F(xiàn)OV=200×200 mm。

圖像處理：rs-fMRI數(shù)據(jù)預(yù)處理采用DPARSF(http://www.rfmri.org/dparsf_v2_0)軟件，將每個(gè)被試rs-fMRI數(shù)據(jù)前10個(gè)時(shí)像剔除，以消除潛在的噪聲干擾；對剩余的230個(gè)時(shí)像進(jìn)行時(shí)間校正、頭動校正、空間標(biāo)準(zhǔn)化的預(yù)處理。頭動校正可得到被試在每個(gè)時(shí)間序列的水平頭動與旋轉(zhuǎn)頭動圖，頭動的平移范圍超過2 mm或旋轉(zhuǎn)超過2的被試者數(shù)據(jù)被剔除，所有被試對象的數(shù)據(jù)均未被去除?？臻g標(biāo)準(zhǔn)化采用EPI標(biāo)準(zhǔn)模板。

2.2.4 局部一致性(Regional homogeneity,ReHo)分析

ReHo是我國學(xué)者藏玉峰等學(xué)者開發(fā)和研究出的一種以計(jì)算肯德爾和諧系數(shù)(KCC)為基礎(chǔ)的靜息態(tài)磁共振功能成像(rs-fMRI)數(shù)據(jù)分析方法[30]，目前這種方法的科學(xué)、有效性已在多種人群的靜息態(tài)數(shù)據(jù)分析中得到驗(yàn)證[23，33]。本研究利用DPARSF對空間標(biāo)準(zhǔn)化后的圖進(jìn)行濾波(0.01

2.3 實(shí)驗(yàn)程序

本實(shí)驗(yàn)為完全被試內(nèi)設(shè)計(jì)，所有被試需參加兩種實(shí)驗(yàn)條件，即基線、運(yùn)動?；€部分：休息20min，rs-fMRI掃描,測量執(zhí)行功能。運(yùn)動部分：進(jìn)行1次30 min的中等強(qiáng)度功率自行車運(yùn)動，休息，當(dāng)HR恢復(fù)到基礎(chǔ)HR±10%以內(nèi)時(shí)，進(jìn)行rs-fMRI掃描，測量執(zhí)行功能。兒童在不同日期(間隔時(shí)間≥7天)的同一時(shí)間完成兩部分實(shí)驗(yàn)以消除生物節(jié)律和運(yùn)動疲勞的影響。兒童參加兩個(gè)部分實(shí)驗(yàn)采用ABBA法平衡消除潛在的順序效應(yīng)。

2.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

采用Spss 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。執(zhí)行功能結(jié)果的統(tǒng)計(jì)采用配對樣本t檢驗(yàn)。ReHo的統(tǒng)計(jì)，首先，使用REST(http://restfmri.net/forum/REST_V1.8)軟件對短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動前、后被試的ReHo圖進(jìn)行配對樣本t檢驗(yàn)，獲得短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動后被試ReHo的變化；其次，以ReHo增強(qiáng)具有顯著性的腦區(qū)為感興趣區(qū)，提取每個(gè)感興趣區(qū)在運(yùn)動干預(yù)后ReHo的變化值。采用皮爾遜相關(guān)分析探討各感興趣區(qū)ReHo的增高與執(zhí)行功能行為成績的變化之間的相關(guān)關(guān)系。

3 結(jié)果

3.1 短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動前后ReHo的變化

對被試短時(shí)中等有氧運(yùn)動前、后的ReHo圖像進(jìn)行比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與前測相比，短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動后，兒童在靜息狀態(tài)下全腦BOLD信號的ReHo顯著增加的腦區(qū)是：額葉主要為左側(cè)背外側(cè)前額葉(DLPFC，peak MNI coordinate:36，12，51；29 voxels,t=5.55)，左側(cè)額內(nèi)側(cè)回(LMFG，Medial Frontal Gyrus，peak MNI coordinate:0 ，-18，48;18 voxels ，t=6.23)；頂葉主要為雙側(cè)中央后回(LPCG，Posterior Central Gyrus，peak MNI coordinate:-51，-18，45；22voxels，t=6.21)、(LPCG，Posterior Central Gyrus，peak MNI coordinate:-48，-27，60；27voxels，t=7.39)，(RPCG，Posterior Central Gyrus，peak MNI coordinate:45,-24,66;40 voxels，t=10.03)；雙側(cè)后扣帶回皮層(LPCC，Posterior Cingulate Cortex，peak MNI coordinate:-9，-42，-12；19voxels，t=12.53)，(RPCC，Posterior Cingulate Cortex，peak MNI coordinate:12，-36，-18；27voxels，t=5.43)；顳葉主要為左側(cè)顳中回(LMTG，Middle Temporal Gyrus，peak MNI coordinate:-63，-6，-9；22voxels，t=5.62)，右側(cè)顳上回(RSTG，peak MNI coordinate:63，-6，3；24voxels，t=6.27)；枕葉主要為左側(cè)枕下回(LIOG，Inferior Occipital Gyrus，peak MNI coordinate:-39，-78，-9；18voxels，t=6.4)，左側(cè)舌回(LLG，Lingual Gyrus，peak MNI coordinate:-18，-90，-12；28voxels，t=6.12，圖1)。

3.2 短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動前后兒童執(zhí)行功能的變化

3.3 短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動所致ReHo的變化與執(zhí)行功能變化的相關(guān)性

將短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動所致ReHo顯著增加的腦區(qū)作為感興趣區(qū)，提取短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動后所有被試在該腦區(qū)ReHo增高的值。分析短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動所致ReHo的增高與執(zhí)行功能行為成績的變化是否存在相關(guān)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雙側(cè)后扣帶回，雙側(cè)頂葉中央后回和左側(cè)背外側(cè)前額葉的ReHo增強(qiáng)與執(zhí)行功能行為成績的變化均存在顯著性相關(guān)(表1)。

4 討論

4.1 短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動對兒童ReHo和執(zhí)行功能的影響

本研究發(fā)現(xiàn)短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動使得兒童在靜息狀態(tài)下雙側(cè)后扣帶回皮層、額葉(主要為左側(cè)背外側(cè)前額葉、內(nèi)側(cè)額葉)、頂葉(主要為雙側(cè)中央后回)、枕葉(主要為左側(cè)枕下回、舌回)和顳葉(主要為右側(cè)顳上回、左側(cè)顳中回)的ReHo顯著增高。研究結(jié)果支持研究假設(shè)。基于本實(shí)驗(yàn)研究采用完全被試內(nèi)設(shè)計(jì)消除兒童個(gè)體差異的影響，兒童參加實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)部分采用ABBA平衡設(shè)計(jì)消除潛在的順序效應(yīng)影響，使用的rs-fMRI技術(shù)和ReHo方法可靠，消除了無關(guān)變量對研究結(jié)果的影響，所以能科學(xué)說明本研究兒童ReHo的增高是短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動所致。換言之，本研究結(jié)果表明一次30 min的中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動使得兒童腦功能局部一致性增高。本研究首次借助rs-fMRI技術(shù)，應(yīng)用ReHo分析方法揭示了短時(shí)中等強(qiáng)度運(yùn)動對兒童腦功能局部一致性的積極效應(yīng)，不但拓寬了體育運(yùn)動與兒童腦的可塑研究的視野，也顯示了ReHo值可以做為體育運(yùn)動影響兒童腦的可塑的有效指標(biāo)。

圖1 本研究被試后測與前測比較兒童靜息態(tài)腦局部一致性增高的結(jié)果圖

表1 本研究短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動所致ReHo值增高的腦區(qū)及其與執(zhí)行功能變化的相關(guān)分析結(jié)果一覽表

注：配對樣本t檢驗(yàn)結(jié)果，未校正前P值為0.01，經(jīng)過AlphaSim校正后，得到最小的cluster size為18，對應(yīng)校正后的p值為0.05，MNI坐標(biāo)值基于蒙特利爾研究所模板空間得出；r(peak)代表運(yùn)動所致ReHo顯著增強(qiáng)腦區(qū)與執(zhí)行功能行為成績相關(guān)系數(shù)，*為P<0.01，**為P<0.05，***為P<0.001。

本研究發(fā)現(xiàn)，兒童執(zhí)行功能運(yùn)動后測成績顯著好于前測，表明本研究所使用的運(yùn)動干預(yù)提高了兒童的執(zhí)行功能；該結(jié)果與本領(lǐng)域已有觀點(diǎn)一致。Pontifex等的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)1次20 min中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(跑臺)對正常和多動癥兒童的執(zhí)行功能均有積極效果[20]。國內(nèi)學(xué)者陳愛國等研究不同強(qiáng)度短時(shí)籃球運(yùn)球訓(xùn)練能對兒童執(zhí)行功能的影響，結(jié)果也發(fā)現(xiàn)1次30 min不同強(qiáng)度籃球運(yùn)動對兒童執(zhí)行功能具有積極效果，且中等強(qiáng)度籃球運(yùn)動效果最好[5]。由此可知，本研究再次證明了短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動對兒童執(zhí)行功能有積極效果。

4.2 ReHo改變與執(zhí)行功能變化的關(guān)系

腦區(qū)ReHo值的增高可以看作是其所屬腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成熟和完善的標(biāo)志，因此，這些腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所涉及的腦功能也就越好。龐高峰等人研究發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增長，學(xué)齡期兒童的前額葉、扣帶回和顳上回的ReHo值均在逐步增高，其執(zhí)行控制、注意調(diào)節(jié)、視覺空間整合以及默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)的腦功能都在提高，兒童的認(rèn)知功能不斷發(fā)展[7]。成年人靜息態(tài)腦局部一致性的研究發(fā)現(xiàn)，智商與雙側(cè)頂上小葉、額中回、海馬旁回、顳下回，右側(cè)丘腦、額上回和梭狀回，左側(cè)頂上小葉的腦局部一致性呈正相關(guān)，即各腦區(qū)局部一致性越高其智商分?jǐn)?shù)越高[32]。衰老會導(dǎo)致老年人多個(gè)腦區(qū)的局部一致性降低，而這些腦區(qū)ReHo值的降低與老年人運(yùn)動能力和認(rèn)知功能的下降息息相關(guān)[28]。最近已有兩個(gè)研究結(jié)果直接表明ReHo信號改變與執(zhí)行功能變化的關(guān)系存在顯著正相關(guān)。Tian等將兒童靜息態(tài)下腦局部一致性信號與執(zhí)行功能任務(wù)(Stop signal task)的反應(yīng)時(shí)進(jìn)行皮爾遜相關(guān)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)腦局部一致性信號能夠成功地預(yù)測被試信號停止任務(wù)的反應(yīng)時(shí)，并發(fā)現(xiàn)雙側(cè)額下回等四個(gè)關(guān)鍵腦區(qū)提取的ReHo信號與任務(wù)反應(yīng)時(shí)間呈正相關(guān)[24]。Reineberg等研究發(fā)現(xiàn)，靜息態(tài)下自發(fā)神經(jīng)活動水平能對個(gè)體的執(zhí)行功能具有預(yù)測作用，與執(zhí)行功能較差的個(gè)體相比，執(zhí)行功能較好個(gè)體的靜息態(tài)下控制和注意網(wǎng)絡(luò)活動水平更高[22]。

本研究將提取的兒童靜息態(tài)腦局部一致性的改變與執(zhí)行功能行為成績的變化做相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在高度相關(guān)，雙側(cè)后扣帶回，雙側(cè)頂葉中央后回和左側(cè)背外側(cè)前額葉的ReHo增強(qiáng)與執(zhí)行功能行為成績的提高存在顯著性相關(guān)。研究結(jié)果支持研究假設(shè)。另外，已有研究表明執(zhí)行功能的實(shí)現(xiàn)是腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的一組神經(jīng)元被激發(fā)，涉及多個(gè)腦區(qū)的協(xié)同作用，具體表現(xiàn)為前額葉、頂葉、前扣帶回、基底節(jié)、丘腦、小腦等腦區(qū)形成某種特定的連通回路[11，13]。而本研究發(fā)現(xiàn)局部一致性增高的腦區(qū)均為參與執(zhí)行功能的腦區(qū)，因此，說明運(yùn)動后執(zhí)行功能相關(guān)腦區(qū)ReHo信號增高與執(zhí)行功能提高相關(guān)。

4.3 短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動、ReHo增強(qiáng)與兒童執(zhí)行功能提高的關(guān)系

短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動提高兒童的執(zhí)行功能，其腦機(jī)制是否與執(zhí)行功能網(wǎng)絡(luò)腦區(qū)ReHo信號有關(guān)？已有的運(yùn)動改善認(rèn)知功能的腦可塑性理論指出，認(rèn)知改善效果是運(yùn)動所致相關(guān)腦區(qū)的可塑性變化的結(jié)果。來自短時(shí)有氧運(yùn)動的研究支持該理論。如Yanagisawa等利用功能近紅外技術(shù)探索一次10 min中等強(qiáng)度運(yùn)動(功率自行車)誘發(fā)的腦皮層激活特征與執(zhí)行功能(stroop任務(wù))的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，功率自行車運(yùn)動后大學(xué)生認(rèn)知任務(wù)相關(guān)的左側(cè)背外側(cè)前額葉皮層激活顯著得到提高，顯著提高的皮層激活與認(rèn)知成績的改善相一致。該研究最后指出，一次急性輕度運(yùn)動誘發(fā)的左側(cè)背外側(cè)前額葉皮層激活可能是認(rèn)知改善的神經(jīng)機(jī)制[29]。李琳等采用fMRI方法探索一次30 min的短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(功率自行車)、執(zhí)行功能(More-odd shifting 任務(wù))和腦皮層激活模式關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，功率自行車運(yùn)動可以引起女大學(xué)生完成認(rèn)知任務(wù)時(shí)腦激活模式發(fā)生改變，從而改善執(zhí)行功能[6]。陳愛國等探討一次30 min的短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(功率自行車)、執(zhí)行功能(Flanker 任務(wù))和腦皮層激活模式關(guān)系，結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，功率自行車運(yùn)動能提高兒童的執(zhí)行功能，其腦機(jī)制是運(yùn)動所致兒童執(zhí)行功能腦激活模式的可塑性變化的結(jié)果[4]。

目前，尚未有短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動、兒童腦功能局部一致性增強(qiáng)與執(zhí)行功能改善關(guān)系的研究，然而相關(guān)的研究給了有益的啟示。朱小棠研究采用rs-fMRI技術(shù)探討百會、風(fēng)池、 內(nèi)關(guān)等“醒腦益智” 組穴對大腦靜息態(tài)功能網(wǎng)絡(luò)的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)針刺百會、風(fēng)池、內(nèi)關(guān)穴所發(fā)揮的益智醒神、改善記憶的功用，與其在靜息功能狀態(tài)下增強(qiáng)了腦左側(cè)梭狀回、左側(cè)顳下回和左側(cè)腦島ReHo值有關(guān)[9]。Wei等探討長期參加太極拳練習(xí)者靜息態(tài)ReHo特點(diǎn)的研究發(fā)現(xiàn)：與對照組相比，太極拳組在右側(cè)中央后回的局部功能一致性顯著增強(qiáng)，行為學(xué)—局部功能一致性的相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)，右側(cè)中央后回的局部功能一致性與太極拳鍛煉經(jīng)驗(yàn)顯著相關(guān)[27]。一項(xiàng)來自老年人的聯(lián)合干預(yù)(包括認(rèn)知訓(xùn)練、心理咨詢和體育鍛煉)研究同樣證實(shí)了長期的聯(lián)合干預(yù)增強(qiáng)了大腦顳上回、顳中回和小腦后葉的腦局部一致性，而這些腦區(qū)自發(fā)神經(jīng)局部一致性的變化與個(gè)體認(rèn)知任務(wù)成績的改善存在相關(guān)[31]。以上研究提示，干預(yù)或訓(xùn)練可以導(dǎo)致腦功能局部一致性增加，引發(fā)大腦功能改善。本研究發(fā)現(xiàn)，短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動使得執(zhí)行功能網(wǎng)絡(luò)腦區(qū)ReHo信號增高，伴隨著兒童腦執(zhí)行功能的改善。由此可知，短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動改善兒童的執(zhí)行功能，其腦機(jī)制與執(zhí)行控制網(wǎng)絡(luò)相關(guān)腦區(qū)ReHo信號有關(guān)，即運(yùn)動通過增強(qiáng)腦功能局部一致性，改善腦的可塑性，提高兒童執(zhí)行功能。

4.4 不足與建議

本研究借助采用rs-fMRI，應(yīng)用ReHo分析方法揭示了短時(shí)中等強(qiáng)度運(yùn)動對兒童腦的可塑性和腦功能的積極效應(yīng)，拓寬了體育運(yùn)動與兒童腦的可塑研究的視野。然而，包括本研究在內(nèi)的已有研究僅考慮腦的可塑性單一指標(biāo)(如，腦區(qū)的結(jié)構(gòu)變化、任務(wù)態(tài)時(shí)腦激活模式、靜息態(tài)下自發(fā)神經(jīng)元活動情況或白質(zhì)纖維的完整情況等)，目前對于體育運(yùn)動與兒童腦的可塑研究很可能尚處在“管中窺豹”或“盲人摸象”階段，仍需進(jìn)一步的補(bǔ)充和完善。最近興起的多模態(tài)磁共振成像研究則能借助磁共振技術(shù)可以獲取腦的多模態(tài)數(shù)據(jù)，從而了解腦的形態(tài)結(jié)構(gòu)(灰質(zhì)和白質(zhì))和有/無認(rèn)知任務(wù)時(shí)大腦的功能活動狀態(tài)，可多角度考察腦的可塑性變化特征，最終得出更為可信和完整的結(jié)論。因此，未來的研究應(yīng)積極利用多模態(tài)神經(jīng)成像技術(shù)開展研究，為揭示體育運(yùn)動與兒童腦的可塑性因果關(guān)系提供證據(jù)。

5 結(jié)論

一次30 min中等強(qiáng)度的有氧運(yùn)動增加了兒童靜息狀態(tài)下腦功能局部一致性，改善了腦的可塑性和提高了執(zhí)行功能，研究結(jié)果為全面揭示體育運(yùn)動與兒童腦的可塑性關(guān)系提供了新的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

[1]陳愛國.短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動對兒童執(zhí)行功能的影響及其腦機(jī)制研究[D].北京：北京師范大學(xué)博士學(xué)位論文,2011：42-43.

[2]陳愛國,席嘉辰,殷恒嬋,等.功能磁共振成像技術(shù)及其在運(yùn)動心理學(xué)研究中的應(yīng)用[J].中國運(yùn)動醫(yī)學(xué)雜志,2011,30(5):486-490.

[3]陳愛國,顏軍,殷恒嬋.運(yùn)動與腦的可塑性研究進(jìn)展及其教育啟示[J].體育與科學(xué),2012,(6):61-64.

[4]陳愛國，殷恒嬋，王君，等.短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動改善兒童執(zhí)行功能的磁共振成像研究[J].體育科學(xué)，2011,31(10):35-40.

[5]陳愛國,趙莉,李煥玉,等.不同強(qiáng)度短時(shí)籃球運(yùn)球訓(xùn)練對小學(xué)生執(zhí)行功能的影響[J].天津體育學(xué)院學(xué)報(bào),2014,29(4):352-355.

[6]李琳,袁荊晶,季泰,等.短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動對女大學(xué)生轉(zhuǎn)換功能的 fMRI 研究[J].北京體育大學(xué)學(xué)報(bào),2014,37 (12):56-60.

[7]龐高峰,王蘇弘,任艷玲,等.學(xué)齡期兒童認(rèn)知發(fā)展靜息態(tài)的功能磁共振研究[J].中華醫(yī)學(xué)雜志,2009,89(19):1313-1317.

[8]殷恒嬋,陳愛國,馬錚,等.兩種運(yùn)動干預(yù)方案對小學(xué)生執(zhí)行功能影響的追蹤研究[J].體育科學(xué),2014,34(3):24-28.

[9]朱小棠,馮天驕,鄭璐,等.針刺 “醒神益智” 組穴對腦靜息態(tài)功能的影響[J].北京中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報(bào),2011,34(3):181-184.

[10]CHEN A G,YAN J,YIN H C,etal.Effects of acute aerobic exercise on multiple aspects of executive function in preadolescent children[J].Psychol Sport Exe,2014,15(6):627-636.

[11]COLLETTE F,LINDEN M V D.Brain imaging of the central executive component of working memory[J].Neuroscience Biobehav Rev,2002,26(2):105-125.

[12]COTMAN C W,BERCHTOLD N C.Exercise:a behavioral intervention to enhance brain health and plasticity[J].Trends Neurosciences,2002,25(6):295-301.

[13]DIAMOND A.Executive functions[J].Annual Rev Psychol,2013,64:135-168.

[14]ERICKSON K I,HILLIMAN C H,KRAMER A F.Physical activity,brain,and cognition[J].Current Opinion in Behav Sci,2015,4:27-32.

[15]GREEN C S,BAVELIER D.Exercising your brain:a review of human brain plasticity and training-induced learning[J].Psychol Aging,2008,23(4):692.

[16]HEATH E H.ACSM’s guidelines for exercise testing and prescription[J].Med Sci Sports Exe,2005,37(11):2018-2021.

[17]KOLB B.Brain plasticity and behavior[M].Psychology Press,2013:10-39.

[18]LEE M H,SMYSER C D,SHIMONY J S.Resting-state fMRI:A review of methods and clinical applications[J].Am J Neuroradiology,2013,34(10):1866-1872.

[19]LIU C,CHEN Z,WANG T,etal.Predicting Stroop Effect from Spontaneous Neuronal Activity:A Study of Regional Homogeneity[J].PLoS ONE,2015,10(5):e0124405.

[20]PONTIFEX M B,SALIBA B J,RAINE L B,etal.Exercise improves behavioral,neurocognitive,and scholastic performance in children with attention-deficit/hyperactivity disorder[J].J Pediatrics,2013,162(3):543-551.

[21]RAICHLE M E,SNYDER A Z.A default mode of brain function:A brief history of an evolving idea[J].Neuroimage,2007,37(4):1083-1090.

[22]REINEBERG A E,ANDREWS-HANNA J R,DEPUE B E,etal.Resting-state networks predict individual differences in common and specific aspects of executive function[J].Neuroimage,2015,104:69-78.

[23]TANG Y L,JI G J,YU Y,etal.Altered regional homogeneity in rolandic epilepsy:A resting-state fMRI study[J].Bio Med Res Int,2014,2014:960395.

[24]TIAN L,REN J,ZANG Y.Regional homogeneity of resting state fMRI signals predicts Stop signal task performance[J].Neuroimage,2012,60(1):539-544.

[25]UDDIN L Q,SUPEKAR K,MENON V.Typical and atypical development of functional human brain networks:Insights from resting-state fMRI[J].Fron Sys Neurosci,2010,6(17):59-64.

[26]VOSS M W,VIVAR C,KRAMER A F,etal.Bridging animal and human models of exercise-induced brain plasticity[J].Trends Cognitive Sci,2013,17(10):525-544.

[27]WEI G X,DONG H M,YANG Z,etal.Tai Chi Chuan optimizes the functional organization of the intrinsic human brain architecture in older adults[J].Fron Aging Neuroscience,2014,(6):74.

[28]WU T,ZANG Y,WANG L,etal.Normal aging decreases regional homogeneity of the motor areas in the resting state[J].Neuroscience Letters,2007,423(3):189-193.

[29]YANAGISAWA H,DAN I,TSUZUKI D,etal.Acute moderate exercise elicits increased dorsolateral prefrontal activation and improves cognitive performance with stroop test[J].Neuroimage,2010,50(4):1702-1710.

[30]ZANG Y,JIANG T,LU Y,etal.Regional homogeneity approach to fMRI data analysis[J].Neuroimage,2004,22(1):394-400.

[31]ZHENG Z,ZHU X,YIN S,etal.Combined cognitive-psychological-physical intervention induces reorganization of intrinsic functional brain architecture in older adults[J].Neural Plasticity,2015,2015:713104

[32]ZOU Q,WU C W,STEIN E A,etal.Static and dynamic characteristics of cerebral blood flow during the resting state[J].Neuroimage,2009,48(3):515-524.

[33]ZUO X N,XING X X.Test-retest reliabilities of resting-state fMRI measurements in human brain functional connectomics:A systems neuroscience perspective[J].Neurosci Biobehav Rev,2014,45:100-118.

Effect of Acute Moderate Exercise on Regional Homogeneity of Children:A Rs-fMRI Study

CHEN Ai-guo,ZHU Li-na,WANG Xin,YAN Jun

Objective:To investigate the effect of acute moderate exercise on the local synchronization of spontaneous brain activity in resting-state,and further explore the effect of acute moderate exercise on brain plasticity of children.Methods:Before and after a single 30-min acute moderate exercise,10 right handed healthy children aged at 10 were scanned with a Simens MAGNETOM Trio 3.0 Tesla magnetic resonance imaging scanner in resting state,which were instructed to remain still,awake with their eyes closed,as motionlessas possible and to think of nothing in particular;Using regional homogeneity (ReHo) to measure the local synchronization of RS-fMRI signals,and then investigated the relationship between the changes of ReHo and the behavior improvement of executive function,as evaluated by the reaction time in a Flanker task.Results:1)a single 30-min acute moderate exercise could reorganize the children’ regional homogeneity of spontaneous fluctuations in the blood oxygen level-dependent (BOLD) signals in the bilateral cingulate cortex,the left dorsolateral prefrontal cortex,left medial frontal gyrus,bilateral postcentral gyrus,left inferior occipital gyrus,left lingual gyrus,left middle temporal gyrus and right superior temporal gyrus.2)The beneficial effect of acute moderate exercise on children’s EF was significant.3)The increased ReHo in bilateral cingulate gyrus,bilateral posterior central gyrus and left dorsal prefrontal cortex were correlated with the improvement of EF.Conclusion:The effect of a single acute moderate exercise on children’ brain plasticity and executive function may be related with the increased of ReHo in resting state.Key words：physicalexercise;rs-fMRI;brainplasticity;regionalhomogeneity;executivefunction

2015-07-05；

2015-07-31

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31300863)；國家社會科學(xué)基金“十二五”規(guī)劃教育學(xué)青年課題(CLA120162)；霍英東教育基金會項(xiàng)目資助(141113)；揚(yáng)州大學(xué)“新世紀(jì)人才工程”資助。

陳愛國(1978-)，男，江蘇沛縣人，副教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)轶w育運(yùn)動與兒童認(rèn)知發(fā)展，Tel:(0514)87991075，Email:agchen@yzu.edu.cn。

揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225009 Yangzhou University,Yangzhou 225009,China.

1000-677X(2015)08-0024-06

10.16469/j.css.201508004

G804.2

A