蔣長好，高志青，陳婷婷

當前我國逐漸邁入老齡化社會，老年人是人口中的脆弱群體，其身體機能衰退，同時認知功能下降、老年癡呆的發(fā)病率也在逐年升高。因此，如何保持老年人身心健康已日益受到社會重視。已有行為研究表明，鍛煉不僅可以促進身體健康，也能減緩老年人的認知功能衰退。腦影像研究發(fā)現(xiàn)。鍛煉能夠緩解因年齡增長而出現(xiàn)的大腦退化現(xiàn)象，對老年人大腦結構、功能產(chǎn)生可塑性影響。本文對近年相關研究進展進行了回顧和分析。

1 鍛煉改善大腦功能

1.1 鍛煉增強大腦激活

老化會導致大腦神經(jīng)資源不可逆轉損失，妨礙大腦工作時所需的資源募集。已有研究表明，相比年輕人，老年人在完成認知任務特別是執(zhí)行功能任務時腦激活更低[1]。但是，大量的腦科學研究發(fā)現(xiàn)，鍛煉可以增強老年人的大腦腦區(qū)激活，逆轉老化的不良影響。如一項研究采用事件相關電位（Event-relat-ed Potentials，ERP）技術考察了鍛煉對老年人大腦神經(jīng)活動的影響。研究者以長期參加有氧鍛煉的老年人、久坐少動的老年人及年輕人為研究對象，比較了3組被試ERP的P3成分差異。研究發(fā)現(xiàn)，盡管老年人比年輕人P3潛伏期更長，但對比2組老年被試發(fā)現(xiàn)，長期參加有氧鍛煉的老年人比久坐少動的老年人P3潛伏期更短，長期參加有氧鍛煉的老年人和年輕人的P3潛伏期差異也更小，P3潛伏期越長，表明認知加工速度越慢[2]。這一結果提示，有氧鍛煉助于緩沖年齡相關的認知加工速度下降。另一項研究以60名老年人為被試，比較不同鍛煉對老年人腦電相關成分波幅的影響。根據(jù)被試以前的鍛煉經(jīng)驗，將他們分配到有氧運動組，協(xié)調運動組或對照組，在被試完成認知控制任務的同時記錄其ERP。行為研究結果發(fā)現(xiàn)，鍛煉組較之于非鍛煉組、高體能被試較之于低體能被試，前者認知表現(xiàn)更好。ERP結果表明，鍛煉組較之于非鍛煉組，P3波幅更大、N450波幅更小[3]。研究者認為，P3波幅增強反映注意資源分配擴大，N450更小反映大腦前扣帶激活更低，提示鍛煉對腦功能的促進。

也有ERP研究比較了不同鍛煉參與水平老年人的認知表現(xiàn)及腦電特征，考察鍛煉對腦功能的影響。如一項研究按有氧鍛煉水平將老年人分為高、中、低鍛煉組，要求被試完成認知控制任務，同時記錄其腦電。研究發(fā)現(xiàn)較之于有氧鍛煉組，高、中鍛煉水平組被試完成作業(yè)任務時P3波幅更高、潛伏期更短，提示高有氧鍛煉組完成作業(yè)任務時大腦募集資源能力更強、加工速度更快[4]。另有研究者分析了經(jīng)常參加鍛煉的老年人、久坐少動的老年人及年輕人的腦電特征，考察被試在錯誤行動情況下，認知沖突評價引發(fā)的反應監(jiān)控差異。發(fā)現(xiàn)經(jīng)常參加鍛煉的老年人及高體能的年輕人，在認知加工過程中錯誤關聯(lián)負波（Error-related Negativity，ERN）的波幅明顯小于久坐少動的老年人及低體能的年輕人。研究者認為，鍛煉更多或體能更好的被試認知加工更好，表現(xiàn)為認知過程中抑制與監(jiān)控能力更強[5]。

綜上所述，經(jīng)常參加有氧鍛煉或體能更好的老年人，在認知加工過程中任務引發(fā)的P3潛伏期更短、P3波幅更大、ERN及M450潛伏期更短，表明加工速度更快、募集資源能力和抑制與監(jiān)控能力更強。提示鍛煉可以改變控制認知發(fā)展的大腦神經(jīng)電活動，進而提升老年人的認知和腦功能。

與ERP技術相比，功能磁共振技術（functional Magnetic Resonance Imaging，fMRI）的空間分辨率更高，可以更精確觀察鍛煉引發(fā)的腦功能變化。一些fMRI的研究考察了鍛煉對老年人大腦激活的影響。如一項研究發(fā)現(xiàn)，太極拳鍛煉和訓練結合，可顯著提高老年人在連線測試（Trail Making Test，TMT）這一執(zhí)行功能任務測驗中的成績，同時被試額中回（middle frontal gyrus）、額上回（superior frontal gyrus）和小腦前葉 （anterior cerebellum lobe）的低頻振蕩振幅（Amplitude of Low Frequency Fluctuations，ALFF） 也更高[6]，研究者認為，干預引發(fā)的ALFF變化可以作為預測老年人執(zhí)行功能的一個指標。另有研究者比較了有氧鍛煉和無氧鍛煉干預對老年人認知任務表現(xiàn)和腦活動特征的影響，結果發(fā)現(xiàn)，6個月干預后，不同干預組的老年人認知表現(xiàn)和腦激活模式不同。有氧鍛煉組的認知表現(xiàn)提高，上頂皮層和額中回的激活增加。無氧鍛煉組的認知成績提高則不明顯，但前扣帶回激活增加[7]。研究者認為，有氧鍛煉干預后，前額葉對負責刺激分配和選擇加工的紋狀皮層和頂區(qū)的控制更有效。表明有氧鍛煉改善體能，進而對老年人腦功能的整合起著積極作用。

1.2 鍛煉改善腦網(wǎng)絡

不僅如此，一些研究還發(fā)現(xiàn)運動和鍛煉會影響腦網(wǎng)絡。有研究者基于大腦局部一致性方法探測小球類運動員靜息狀態(tài)下腦功能活動的可塑性變化。研究者以小球類運動員和與之匹配的對照人群為研究對象，采集靜息態(tài)功能磁共振數(shù)據(jù)，計算大腦局部一致性指標。研究發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，運動員組在一些負責心臟—血管調節(jié)和反饋的自主神經(jīng)反應環(huán)路的腦網(wǎng)絡節(jié)點，諸如左側前扣帶回、腦島、丘腦和小腦蚓部的局部一致性更高，提示這些腦區(qū)存在更有效的自主神經(jīng)反應環(huán)路[8]。另一項研究比較了太極拳鍛煉專家和新手的腦區(qū)一致性，發(fā)現(xiàn)太極拳鍛煉專家的右側中央后回 （Right Post-central Gyrus，PosCG）功能一致性更高，左側前扣帶（Anterior Cingulate Cortex，ACC）和右側背外側前額葉（right Dorsal Lateral Prefrontal Cortex，rDLPFC）的功能一致性更低。左側ACC的一致性降低表明功能特異性提高，右側PosCG的一致性增加提示功能整合性提高，二者都可以用于預測老年人在Flanker這一執(zhí)行功能任務中的成績[9]。

也有研究采用全腦網(wǎng)絡聯(lián)接方法考察鍛煉對老年人海馬及腦網(wǎng)絡的影響。結果發(fā)現(xiàn)，4個月的鍛煉干預后，鍛煉組比控制組的海馬血流量增加，而且海馬與前扣帶回的聯(lián)接增強[10]。還有研究考察了老年人有氧體能、默認模式網(wǎng)絡和幾種不同執(zhí)行功能的關系，結果發(fā)現(xiàn)，老年人有氧體能水平與其執(zhí)行功能和默認模式網(wǎng)絡功能聯(lián)接正相關，且默認模式網(wǎng)絡功能在有氧體能水平與其執(zhí)行功能關系中扮演重要角色[11]。

綜上所述，鍛煉特別是有氧鍛煉有助于提高老年人的腦功能激活、改善腦網(wǎng)絡活動模式、提高認知表現(xiàn)。

2 鍛煉影響大腦結構

鍛煉不僅能增強大腦激活，提高腦網(wǎng)絡的功能，也影響大腦結構。一些研究考察了鍛煉對大腦結構的影響及與認知的關聯(lián)。

2.1 鍛煉對額區(qū)容量影響

2.1.1 鍛煉與額區(qū)灰質

大腦容量的增加可表現(xiàn)為大腦相關腦區(qū)灰質體積的增大。有研究者對不同專項運動員、非專業(yè)運動員做了一項大腦結構的比較研究，結果顯示，長期的運動訓練能改變大腦相關腦區(qū)的灰質體積[12]。對經(jīng)常參加鍛煉的老年人的研究也有類似結果。如一項研究考察了健康老年人的鍛煉量和大腦灰質體積的關聯(lián)，發(fā)現(xiàn)鍛煉量更大的老年人，其大腦前額葉與扣帶皮層的灰質體積的增加更明顯[13]。也有研究發(fā)現(xiàn)，有氧體能和大腦前額葉灰質量相關聯(lián)。鍛煉影響老年人前額葉皮質的灰質體積，并通過增大灰質體積來增強執(zhí)行功能[14]。

2.1.2 鍛煉與額區(qū)白質完整性

額區(qū)白質完整性也與多種認知功能相關聯(lián)[15]。已有研究也發(fā)現(xiàn)，鍛煉和大腦前額葉白質完整性相關聯(lián)。一項研究考察了為期12個月的有氧鍛煉干預對大腦白質完整性的影響。結果顯示，有氧鍛煉與額葉和顳葉中白質完整性的改變相關[16]。另有研究者以兩組平均年齡為66歲的健康老年人為被試，考察心肺體能水平與白質微觀結構，以及心肺體能和空間工作記憶之間的關聯(lián)。研究發(fā)現(xiàn)，較高的心肺體能水平與前額葉、扣帶回和胼體等腦區(qū)更高水平白質微觀結構有關。此外，研究還顯示，更高的有氧體能與更高水平的白質微觀結構組織相關聯(lián)，進而使老年人保持更好的空間記憶表現(xiàn)[17]。

2.1.3 鍛煉與額區(qū)灰質和白質影響比較

也有研究者對鍛煉與額區(qū)灰質和白質關系做了比較。如一項研究將老年人隨機指派到有氧干預組或無氧干預組，并以大學生作控制組。實驗組進行為期6個月的鍛煉干預，其中有氧鍛煉組做步行運動，無氧鍛煉組做拉伸和力量訓練等運動。研究發(fā)現(xiàn)，參加有氧鍛煉的老年人額葉和顳葉的灰質容量增加，大腦前部的白質容量增加，而參加無氧鍛煉的老年人和作為控制組大學生，其相關腦區(qū)容量沒有增加[18]。Rovio等人完成的一項長達21年的追蹤研究，也發(fā)現(xiàn)了鍛煉對大腦灰質和白質的影響，在該研究前測時被試還是中年人，研究者采集了中年人的鍛煉水平、生理指標，后測時被試已進入老年，研究者在后測中增加MRI數(shù)據(jù)采集，用于評估大腦體積、大腦灰質密度以及腦白質變化情況，研究發(fā)現(xiàn)基線條件下鍛煉更多的人較之于久坐少動的人，老年重測時大腦額葉的灰質密度更大，但中年時身體鍛煉情況與老年白質體積變化的關系不明顯[19]。

2.2 鍛煉與海馬形態(tài)學的改變

海馬是和記憶關聯(lián)的重要腦區(qū)，在控制記憶、學習和平衡感等方面扮演著重要角色，海馬也是老年人發(fā)生認知功能退化的關鍵區(qū)域。

動物研究發(fā)現(xiàn)，運動能夠增加動物大腦海馬的體積[20]。對老年人的研究也發(fā)現(xiàn)，有氧鍛煉可以通過增加老年人海馬的體積來保持良好的記憶功能，改善大腦結構[21]。有氧鍛煉1年后，老年人左、右側的前側海馬回體積分別增加2.12%與1.97%，而不鍛煉的控制組則平均下降1.4%，而海馬回體積與空間記憶表現(xiàn)呈顯著正相關[22]。

人類海馬的功能老化的一個重要特征是隨著年齡的增長，血管可塑性逐漸降低。研究發(fā)現(xiàn)，鍛煉可以增加腦氧供應，提高腦血流量和血紅蛋白濃度，增加紅細胞數(shù)量，促進海馬細胞的生長，改善腦的記憶和注意等認知功能[23]。而且，鍛煉引發(fā)的海馬灌注量和體積變化與復雜空間物體識別記憶的變化及早期回憶正相關[24]。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，有氧鍛煉可增加海馬齒狀回的腦血流量。改善心血管功能、語言學習和記憶功能，海馬齒狀回的腦血流量增加也被視為神經(jīng)生長的標志[25]。

當前，額葉和海馬是腦影像研究眾多關注的腦區(qū)。然而，鍛煉對腦結構的影響腦區(qū)不限于此，如有研究發(fā)現(xiàn)，鍛煉會使脊髓束感覺運動皮質厚度發(fā)生改變，從而對腦的可塑性產(chǎn)生影響[26]。

上述研究結果盡管不盡相同，但是都證實了鍛煉特別是有氧鍛煉對大腦容量的影響。有氧鍛煉能維持大腦容量，明顯改善衰老引發(fā)的大腦功能減退。

3 展望

3.1 鍛煉對老化影響的時間進程

就鍛煉干預而言，根據(jù)時間長短可以有一次性鍛煉和長時間鍛煉（或慢性鍛煉），盡管許多研究表明，一次性鍛煉對大腦功能會產(chǎn)生積極影響，但總體而言，慢性鍛煉對認知和腦功能的促進效益研究結果更為一致。就鍛煉對大腦結構研究而言，不同的慢性干預研究持續(xù)時間也不一致，其結果也不盡相同。如有研究發(fā)現(xiàn)，鍛煉對相關腦區(qū)的體積的影響可能在6個月的干預中沒有發(fā)生，只有在12個月之后才會顯露出來[27-28]。另有研究對久坐少動者進行6周的鍛煉干預，干預前后對其進行大腦掃描。研究發(fā)現(xiàn)，有氧鍛煉引發(fā)的海馬體積改變是暫時的，在沒有有氧鍛煉的情況下，6周后海馬體積回到基線[29]。研究者認為，海馬體積在整個生命期間通過有氧鍛煉而被調節(jié)?？梢婂憻拰Υ竽X結構的影響是動態(tài)變化的，因此進一步的研究要關注鍛煉對大腦變化的時間進程特征。

3.2 鍛煉促進大腦可塑性的其他影響因素

鍛煉改善認知功能、降低老化帶來的不利影響，其腦機制是什么？有研究者提出，鍛煉改善了大腦功能，進而產(chǎn)生認知效益；也有研究者提出，鍛煉引發(fā)大腦結構變化，進而提高大腦功能。但是大腦結構是如何變化的呢？不同的研究者提出不同的證據(jù)。如有研究者發(fā)現(xiàn)，鍛煉可以引起神經(jīng)組織基因表達改變，進而影響腦網(wǎng)絡，改變腦內DNA甲基化水平，導致腦網(wǎng)絡的變化。研究者假設，DNA甲基化可能參與了運動促進老齡大鼠學習記憶功能與海馬齒狀回神經(jīng)生長的調控[30]。也有研究者發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)可塑性的增加以及某些功能的改善受到了中樞和外周因素的共同作用。大腦中神經(jīng)生長因子水平的增加可能是由運動肌肉分泌的肌肉因子、肝臟分泌的肝臟因子和脂肪分泌的脂肪細胞因子的綜合影響而引發(fā)，上述不同器官分泌的因子，可借助器官間的通訊來調節(jié)機體的功能。已有研究證明肌肉分泌因子是運動促進認知功能的重要介導因子之一[31]。

也有研究發(fā)現(xiàn)，有氧鍛煉可以促進大腦新的微血管網(wǎng)絡形成，增強皮質對維生素B吸收的親和性，并增加大腦多巴胺受體，促進腦源性神經(jīng)因子表現(xiàn)。還有研究者提出，鍛煉在神經(jīng)營養(yǎng)方面促進神經(jīng)液循環(huán)和腦源性神經(jīng)因子增多；在腦血管方面促進神經(jīng)血管耦合，提高血管反應性，增強血管自動調節(jié)；在神經(jīng)代謝方面，促進能量平衡，增強線粒體活性[32]。

總之，這方面的研究日趨活躍，但還需要多學科協(xié)作、結合多種研究技術手段進一步補充證據(jù)、驗證相關假設。

3.3 不同鍛煉類型對腦健康影響的區(qū)分

鍛煉細分為不同的類型，一些研究者將不同類型鍛煉對腦與認知的影響做了比較，但是結果不太統(tǒng)一。早期的干預研究發(fā)現(xiàn)，有氧鍛煉和無氧鍛煉對大腦的功能和結構的影響不同。如研究者比較了6個月干預后，有氧鍛煉和無氧鍛煉組老年人完成認知任務時的腦活動特征，發(fā)現(xiàn)有氧鍛煉組上頂皮層和額中回的激活增加，無氧鍛煉組前扣帶回激活增加[7]。另有研究發(fā)現(xiàn)參加有氧鍛煉的老年人額葉和顳葉的灰質容量增加，大腦前部的白質容量增加，而參加無氧鍛煉的老年人相關腦區(qū)容量沒有增加[18]。

但是也有研究發(fā)現(xiàn)，無氧鍛煉也可增加相關腦區(qū)容量。如近期的一項橫斷研究招募了兩組平均年齡在68歲的老年人為被試，一組有跳舞鍛煉的習慣，另一組有耐力或柔韌性鍛煉的習慣。結果顯示，在18個月干預后，兩組老年人的大腦海馬左側海馬相關區(qū)域體積增加。但只有跳舞組顯示左側海馬齒狀回和右下托容量增加[33]。研究者認為，跳舞兼有氧體能訓練、感知運動訓練和認知訓練，可能有助于相關腦區(qū)體積的增加。另有研究者比較了改善心血管功能的鍛煉（如心肺體能和肌肉力量）和提高協(xié)調能力鍛煉（如平衡、運動速度、精細協(xié)調）與老年人海馬體積的關聯(lián)。研究者進行了為期12個月的干預訓練。結果顯示運動體能，而不是代謝體能與海馬體積相關。干預12個月后，心血管和協(xié)調訓練導致海馬體積增加[34]。

總之，當前關于不同鍛煉對腦功能和結構影響的研究結果還存在比較大的爭議，仍需要進一步探討。未來的研究需要細分鍛煉類型、控制相關變量，尤其要注意綜合橫斷研究和追蹤研究的結果，以利于得出更為明確的結論。

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