段英梅 商秀海、2

運動增強(qiáng)老年人腦的認(rèn)知能力

段英梅1商秀海1、2

（1.郭里園小學(xué)，江蘇 南通 226000；2.祥明大學(xué)，韓國 首爾 03016）

運動可以通過增加大腦體積、改善情景記憶力、增強(qiáng)執(zhí)行能力、提高注意力和處理速度等機(jī)制來對大腦認(rèn)知能力進(jìn)行改善。在細(xì)胞分子水平上，運動可以增加神經(jīng)元、增強(qiáng)突觸可塑性以及提高腦源性神經(jīng)因子生成量來刺激大腦，改善大腦衰老造成的認(rèn)知能力下降等問題。

運動；認(rèn)知能力；老年人；大腦

老年人隨著年齡的增加，大腦機(jī)能也隨著衰老，不可避免的造成老年人認(rèn)知能力下降以及記憶方面的障礙。在衰老過程中變化包括腦體積變小、腦細(xì)胞丟失、神經(jīng)突觸刺激活性下降以及活性氧累積增加。如此復(fù)雜的變化，在不同的情況下有可能會導(dǎo)致癡呆。通過查閱文獻(xiàn)可知，由年齡增加而造成的大腦衰老從而導(dǎo)致的癡呆癥，是全球最為嚴(yán)重的醫(yī)學(xué)難題之一，目前為止沒有較好的解決方案。

大腦會隨著年齡的增加而衰老，但是其學(xué)習(xí)能力與記憶能力并不會消失。據(jù)查閱資料得知，某些個體大腦雖然會出現(xiàn)大腦衰老的變化，但是認(rèn)知能力幾乎不會下降。在大腦衰老過程中，一些措施可以起到作用，其中堅持運動可以有效的預(yù)防或減緩癡呆病癥，在Barnesand Yaffe的文章中，這一措施得到了證明[1]。

在本文中，主要討論老年人大腦衰老導(dǎo)致認(rèn)知能力下降的原因，進(jìn)而探析大腦與體育運動的關(guān)聯(lián)，并對運動如何激發(fā)大腦可以改善老年人認(rèn)知能力進(jìn)行深度剖析。

1 老年人大腦衰老的變化

世界醫(yī)學(xué)發(fā)展，各國研究人員通過研究，發(fā)現(xiàn)了較多關(guān)于大腦衰老或者各種神經(jīng)性疾病發(fā)生后大腦產(chǎn)生變化的信息。其中最為重要的關(guān)鍵性變化有以下幾條：大腦體積變小，特別是在涉及到學(xué)習(xí)和記憶的區(qū)域，例如前額葉皮層和海馬區(qū)；大腦中血管發(fā)生變化。由于動脈變得較窄，而且新生毛細(xì)血管的數(shù)量變少，造成血流量變少；腦細(xì)胞缺失嚴(yán)重，特別是神經(jīng)元的缺失；神經(jīng)遞質(zhì)功率的降低，髓鞘降解以及神經(jīng)突觸受體缺失，從而導(dǎo)致神經(jīng)突觸的連接功能缺失；體內(nèi)活性氧的積累增多，從而導(dǎo)致腦中活性氧也較多；產(chǎn)生慢性炎癥的癥狀。

2 運動能夠增強(qiáng)大腦認(rèn)知能力

在過去的歲月中，研究人員對運動如何對大腦產(chǎn)生積極影響的研究越來越深入。如今，我們已經(jīng)了解到運動能夠促進(jìn)大腦健康生長并且延緩大腦衰老，還能降低阿爾茲海默癥認(rèn)知能力下降的發(fā)生率。經(jīng)查閱文獻(xiàn)資料，堅持運動能夠增加大腦的體積，提高神經(jīng)突觸的可塑性，減少活性氧的積累，提高腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子的效率等等。所有的這些不但能改善腦的認(rèn)知能力，而且可以改善學(xué)習(xí)能力和記憶能力。

2.1 運動增大大腦體積

大腦中負(fù)責(zé)學(xué)習(xí)功能和記憶功能的兩個關(guān)鍵區(qū)域為前額葉皮層以及海馬區(qū)。隨著年齡的增長，前額葉皮層和海馬區(qū)中的白質(zhì)能夠減少1%-2%[2]。即便是白質(zhì)減少與大腦認(rèn)知能力的下降沒有直接關(guān)系，間接上也能夠使得大腦產(chǎn)生認(rèn)知能力下降風(fēng)險增加。那么這兩個區(qū)域內(nèi)的白質(zhì)的減少，有沒有辦法避免呢？答案是肯定的，通過中等強(qiáng)度的運動能夠預(yù)防白質(zhì)的減少。在Erickson與同事所做的一項研究中得知，進(jìn)行了1年的有氧運動使海馬區(qū)體積增大了2%。老年人的大腦衰老過程中，海馬區(qū)每年減少1%-2%，而運動能夠增加海馬區(qū)體積2%，相當(dāng)于在老齡化的人群中，海馬體的價值增加了1%-2%[3]。

海馬區(qū)的主要作用在于參與各種記憶功能，例如各種情景記憶以及空間記憶等等。因此我們能夠得出一個結(jié)論，海馬區(qū)體積的增大，能夠改善大腦在這些方面的認(rèn)知能力。有研究可知，運動能力與水平較高的人相比于運動能力與水平較低的人來說，前者擁有更大的海馬區(qū)和更好的記憶能力。我們通過探索性分析得知，海馬區(qū)體積的變化介導(dǎo)了認(rèn)知能力與記憶能力之間的關(guān)系。

從運動中受益的不僅僅是海馬區(qū)，還有前額葉皮層。前額葉皮層的減少，同樣可以通過運動來進(jìn)行彌補(bǔ)，堅持兩年中等強(qiáng)度的有氧運動，能夠有效的抵消大腦衰老帶來的前額葉皮層減少。而且，即使運動停止半年，其帶來的益處也能夠持續(xù)的存在，阻止認(rèn)知能力的下降[4]。具體來講，則是指注意力的轉(zhuǎn)移和記憶力的改善，與前額葉體積變化成正比。

眾所周知，運動并不能改善影響大腦內(nèi)的所有區(qū)域。但是運動是少數(shù)可以選擇性的對與年齡有關(guān)認(rèn)知下降最敏感的大腦區(qū)域干預(yù)策略之一?？傊?，老年人從事體育運動，能夠促進(jìn)大腦重建1立方毫米。

2.2 運動改善情景記憶力

上述我們已經(jīng)知道了由于年齡造成的大腦體積變小，我們可以通過運動來對其進(jìn)行緩解修復(fù)。這種形式的腦體積增加，是指大腦產(chǎn)生新的腦細(xì)胞，并且在新的腦細(xì)胞之間建立新的連接，這是認(rèn)知能力的重要影響因素。認(rèn)知能力是指關(guān)于認(rèn)知功能的總稱，期中包含了情景記憶力、注意力、執(zhí)行能力、處理速度、工作記憶力、語言能力、閱讀能力等等[5]。通過人體研究和動物研究所得到的數(shù)據(jù)可知，認(rèn)知功能的所有能力都會隨著年齡的增長而下降，但是體育運動能夠提高大腦的抵抗力，減少與年齡有關(guān)的大腦衰老造成的傷害，進(jìn)而可以在這些領(lǐng)域內(nèi)維持認(rèn)知能力。

運動能夠改善情景記憶力，情景記憶力是指能夠記住關(guān)于某個人的信息以及所經(jīng)歷的事情的能力[6-7]。

情景記憶力中最為常見的認(rèn)知需求是記住某件特定事情的發(fā)生地點、時間等等，這種能力的主要作用為區(qū)分相似事件。研究顯示，運動對人類和動物，具有重大的影響。我們可知，關(guān)于依靠海馬區(qū)進(jìn)行記憶的動物文獻(xiàn)，顯示自愿奔跑與記憶力的表現(xiàn)成正相關(guān)關(guān)系[8-9]。大多數(shù)的語言記憶以及延遲處理、情景記憶以及人臉、名稱相關(guān)的人類研究顯示出，老年人堅持運動，這些都會得到改善提升。

2.2.1運動增強(qiáng)執(zhí)行能力

與情景記憶類似，執(zhí)行能力還指多種認(rèn)知能力通過組合，上下協(xié)調(diào)共同完成目標(biāo)。執(zhí)行能力包含了多個不同的部分，有集合移動、潛在的響應(yīng)抑制、更新記憶、處理速度[10]。

多項研究表明，運動對執(zhí)行功能具有一定的改善作用。Colcombe and Kramer（2003）進(jìn)行了相關(guān)的薈萃分析，結(jié)果顯示，運動能夠改善提高認(rèn)知相關(guān)的多個方面，其中在執(zhí)行能力的控制機(jī)制方面是最為明顯的。這是一個非常重要的關(guān)鍵點，執(zhí)行能力的控制是認(rèn)知能力最為重要的一部分，幾乎涵蓋了個人日常生活的全部。執(zhí)行能力能夠幫助人們更好的運動，但是，如果想要從中看到效果，這就需要人們通過刻苦的訓(xùn)練。比如，在嘗試一種新的運動方式時，要努力克服短期效果不明顯、心里壓力大等困難，從而獲得后期的回報，例如減肥、改善身心健康等等。因此，執(zhí)行能力的各個方面對于開始和堅持體育運動是必不可少的。進(jìn)行體育運動并堅持下去，需要有效的執(zhí)行能力，而且要在運動與執(zhí)行能力之間建立有效的雙向積極關(guān)系。

不僅僅是人類能夠?qū)\動進(jìn)行反應(yīng)，動物同樣能對運動表現(xiàn)出良好的執(zhí)行能力。比如，一條經(jīng)過訓(xùn)練并且可以在跑步機(jī)上跑步的成年狗，每天進(jìn)行10分鐘的運動，就能夠有效改善執(zhí)行能力，而且在學(xué)習(xí)任務(wù)中的表現(xiàn)更好[10]。有趣的是，經(jīng)過觀察，狗學(xué)會了在跑步機(jī)上跑步之后，每天都會期待跑步，這說明了上文所述的積極地雙向關(guān)系。在人類身上，動力是堅持運動的關(guān)鍵因素，運動與執(zhí)行能力之間的雙向關(guān)系應(yīng)當(dāng)鼓勵支持。

2.2.2運動提高注意力和處理速度

與老年人執(zhí)行能力密切相關(guān)的兩個方面，注意力和處理速度，從而運動與這兩個方面同樣高度相關(guān)。老年人的注意力和處理速度下降，通常是通過反應(yīng)時間來進(jìn)行測量得到的結(jié)論。處理速度下降會導(dǎo)致控制行為、反應(yīng)能力甚至日常活動能力受到影響。因此，提高人類處理速度，對于研究人口老齡化至關(guān)重要。這方面的臨床研究非常少，通過薈萃分析得到的研究表示，有氧運動能夠有效的提高人類的認(rèn)知能力，尤其是執(zhí)行能力[4，11]。在研究中評估了有氧運動對執(zhí)行能力的影響，最后對數(shù)據(jù)進(jìn)行薈萃分析，運動與非運動對照組之間的處理速度的差異較為明顯。在這項研究中，選擇的運動為太極拳、有氧運動以及抗阻運動。薈萃分析得出的結(jié)論為：將有氧運動與抗阻運動、柔韌性訓(xùn)練相結(jié)合可以改善執(zhí)行能力的效率，其中包含了注意力、工作記憶、處理速度。

對老年人進(jìn)行運動干預(yù)，在之前已經(jīng)有較多的研究者對其進(jìn)行了研究。其中一項實驗表明，在對老年人進(jìn)行為期4個月的有氧運動干預(yù)后，與對照組進(jìn)行比較得知，運動干預(yù)對于改善老年人的反應(yīng)時間，具有明顯的作用[12]。Hawkins等人獲得了類似的結(jié)果。他的報告指出，在老年人中，適量運動可以有效改善與大腦衰老有關(guān)的各項能力（Hawkins等，1992）。還有一項研究表明，對老年人的運動干預(yù)中，進(jìn)了有氧訓(xùn)練與抗阻訓(xùn)練相結(jié)合的訓(xùn)練方式，得到結(jié)果，注意力得到改善的程度更大[13]。有研究者指出，在大多數(shù)的執(zhí)行能力的指標(biāo)上，運動具有更好的改善效果。有較多的研究者都認(rèn)為，非常多的證據(jù)能夠表明運動能有效改善處理速度，進(jìn)而提升執(zhí)行能力。這些說明了運動是改善老年人腦的有效而且成本低廉的干預(yù)措施。

2.3 運動改善記憶力

多項研究表明，長期運動可以改善認(rèn)知功能，少量的運動也可以改善大腦功能，增強(qiáng)記憶。記憶一種學(xué)習(xí)后現(xiàn)象，指的是把新知識從不穩(wěn)定變?yōu)榉€(wěn)定。檢查記憶整合的一種有效方法是，在學(xué)習(xí)新的內(nèi)容之后，用運動的方式進(jìn)行干預(yù)，然后有選擇的測試運動對于記憶力的影響。如今使用這種方法進(jìn)行的研究表明，體育運動可以有效改善人類、狗以及老鼠在內(nèi)的不同物種之間的記憶[10，14-15]。在改善過程中，突觸前和突出后伴隨著蛋白水平增加。總的來說即使是少量的運動同樣能夠觸發(fā)蛋白水平的增加，并改善認(rèn)知功能，但是其不能相比于長期高水平的運動帶來的益處。

3 實驗的不足

根據(jù)流行病學(xué)、神經(jīng)影像等研究的證據(jù)，這些都表明的體育運動能夠改善老年人的認(rèn)知功能，但是通過仔細(xì)比對，各對照組實驗數(shù)據(jù)很大程度上不一致。造成數(shù)據(jù)不一致的原因有很多種，包括入選標(biāo)準(zhǔn)的差異、參與者的認(rèn)知狀態(tài)、運動干預(yù)的強(qiáng)度、頻率、時間等等。

入選標(biāo)準(zhǔn)的差異包含了較多的因素，例如一部分研究者再招募時，會選擇一些運動愛好者，但是也有一部分研究者在招募時，會選擇身體比較弱小或者久坐的人。這樣對于數(shù)據(jù)的比較毫無疑問，運動干預(yù)對于身體較弱或者久坐的人來說，效果較為明顯。對于那些招募沒有認(rèn)知障礙的人進(jìn)行的干預(yù)，同樣也可以得到類似的結(jié)果，但是數(shù)據(jù)差異較小。另外對照組實驗的持續(xù)時間也會影響數(shù)據(jù)。因為對照組的認(rèn)知能力會隨著時間而下降，而運動干預(yù)組的認(rèn)知能力則會隨著時間而改善或者持平。短期的實驗可能不足以實現(xiàn)運動所帶來的改善。通過研究，發(fā)現(xiàn)短期的運動干預(yù)帶來的改善，很有可能是由身體之外的機(jī)制來促成的[16-18]。在以后的研究中方向，將會研究那些因素可以再短期內(nèi)介導(dǎo)體育運動與認(rèn)知功能。

另外，對照試驗中運動干預(yù)內(nèi)容，不符合當(dāng)前針對老年人的公共衛(wèi)生建議。老年人的運動建議為每周運動150分鐘，保持中等強(qiáng)度的有氧運動。而在試驗中，活動組的參與者每周進(jìn)行運動時間長達(dá)4-7小時。上述內(nèi)容與先前提到的關(guān)于潛在混雜因素，對于研究對照試驗數(shù)據(jù)，具有一定的說服力。

4 分子水平上的促進(jìn)機(jī)制

通過上述內(nèi)容，我們可以得到體育運動能夠有效改善老年人大腦衰老造成的認(rèn)知障礙。那么對于其有效改善的機(jī)制進(jìn)行研究說明就顯得非常重要。運動可以通過這種機(jī)制來調(diào)節(jié)大腦并且促進(jìn)神經(jīng)元的功能。運動對于行為的影響可以在人體的研究和臨床試驗中得到結(jié)果，但是在細(xì)胞甚至分子水平上的影響，只能借助于動物試驗?zāi)Ｐ蛠磉M(jìn)行。接下來，我們要對關(guān)于動物試驗?zāi)Ｐ偷难芯窟M(jìn)行總結(jié)，得出以下觀點：體育運動能夠在不同的水平上對大腦進(jìn)行重塑，包括基因以及蛋白質(zhì)表達(dá)的變化，還有最終能夠影響生理過程的細(xì)胞水平的修飾。能夠引起我們注意的是，運動通過神經(jīng)元回路的反映，對基本的生理過程產(chǎn)生積極影響，從而保護(hù)認(rèn)知能力的改善。體育活動對腦的影響，產(chǎn)生最大變化的是海馬區(qū)，所以我們將重點研究體育運動在海馬區(qū)分子和結(jié)構(gòu)重塑、突觸重塑以及分子連接中產(chǎn)生的影響。

4.1 運動促進(jìn)神經(jīng)元的生成

長期以來，人們一直認(rèn)為神經(jīng)元是從出生開始存在，并且伴隨著年齡的增長而不斷消逝。但是，經(jīng)過試驗研究，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元可以在人的大腦中生成[19]。神經(jīng)元的生成隨著人的衰老而變?nèi)酰瑥亩绊懭说恼J(rèn)知能力。另有研究者發(fā)現(xiàn)，嚙齒類動物在進(jìn)行了連續(xù)幾周的跑輪情況下，其神經(jīng)元的生成量增加，而且學(xué)習(xí)能力得到改善[20]。我們得知跑步能夠影響神經(jīng)元生成的許多方面，包括了細(xì)胞的增殖、存活以及神經(jīng)元的分化等等。有研究者提到，運動過程中，神經(jīng)元能夠保持生成，主要是由于海馬區(qū)血管增加，促進(jìn)了生長因子和營養(yǎng)因子的獲得。運動過程中，能夠使生長因子VEGF和IGF-1上升，通過血液到達(dá)大腦，促進(jìn)神經(jīng)元的生成與存活。

4.2 運動增強(qiáng)突觸可塑性

大腦適應(yīng)新環(huán)境或者新的經(jīng)歷的變化，主要是以突觸可塑性作為基礎(chǔ)。研究海馬區(qū)突觸可塑性分子機(jī)制的最廣泛使用的模型之一是LTP。越來越多的數(shù)據(jù)表明，LTP與潛在的記憶突觸過程有因果關(guān)系。實際上，對LTP的分析通常用于對與年齡有關(guān)的記憶問題進(jìn)行行為和藥理干預(yù)的初步評估，因為通常認(rèn)為記憶缺陷是由突觸功能障礙和突觸可塑性下降引起的。在嚙齒動物中，存在海馬LTP損傷和突觸脆弱性，這正解釋了記憶力喪失的原因。體育運動可以使隨年齡增長的LTP下降。另外，在老年轉(zhuǎn)基因小鼠模型中，同樣觀察到了跑步機(jī)運動對海馬LTP的影響。

盡管在人體中研究LTP的方法尚未出現(xiàn)，但是使用創(chuàng)新的方法，在腦網(wǎng)絡(luò)水平上，同樣可以研究體育運動對突觸可塑性的影響。例如，有文獻(xiàn)可以證明，體育運動可以增加老年人大腦網(wǎng)絡(luò)的連貫性[21-22]。在一項為期一年的實驗中，使用有氧運動的方式進(jìn)行干預(yù)后，磁共振成像對大腦網(wǎng)絡(luò)的連貫性和穩(wěn)定性評估顯示，運動增強(qiáng)了衰老性腦公能障礙兩個最為重要的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的連接性，這兩個腦網(wǎng)絡(luò)為默認(rèn)模式網(wǎng)絡(luò)和額葉執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)。

4.3 運動促進(jìn)大腦與有益分子的連接

有研究表明，運動能夠在分子水平上促進(jìn)腦中神經(jīng)元生長、發(fā)育以及存活，最主要的物質(zhì)為腦源性神經(jīng)因子。運動最為重要的作用之一，就是促進(jìn)海馬區(qū)腦源性神經(jīng)因子的產(chǎn)生。由Cotman等進(jìn)行的一項長達(dá)20年的實驗研究表明，體育運動能夠?qū)е履X源性神經(jīng)因子的上升，即使運動僅僅持續(xù)兩天，腦源性神經(jīng)因子的上升也可以長達(dá)一周[23]。海馬區(qū)大多數(shù)功能中，腦源性神經(jīng)因子起到了極為重要的作用。運動給大腦帶來的好處都可以通過腦源性神經(jīng)因子的傳導(dǎo)進(jìn)行闡述，例如神經(jīng)元的生成、血管生成、突觸可塑性等等。因此，腦源性神經(jīng)因子是運動和各項能力之間最穩(wěn)定的分子連接。

5 結(jié)論

綜上所述，體育運動會觸發(fā)一些分子和細(xì)胞的連鎖反應(yīng)，從而支持并維持大腦的可塑性，提高老年人大腦的認(rèn)知能力。另外，運動的有效性，同樣包含了身體活動與執(zhí)行能力之間的相互關(guān)系，從而使體育運動引起的執(zhí)行功能變化，能夠隨著時間的推移增強(qiáng)和促進(jìn)身體運動。運動水平的變化能夠改善未來學(xué)習(xí)能力，防止記憶力下降。

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Physical Exercise Enhances the Cognitive Ability of the Elderly Brain

SHANG Xiuhai, etal.

(Guoliyuan Primary School, Nantong `226000, Jiangsu, China)

段英梅（1988—），碩士，中小學(xué)一級教師，研究方向：體育課程教學(xué)方法。