体力活动对认知能力影响及其机制研究进展，本文主要内容关键词为：研究进展论文,认知论文,体力论文,机制论文,能力论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
文章编号：1000-677X(2014)09-0056-10 中图分类号：G804.8 文献标识码：A 修订日期：2014-08-06 越来越多的研究证实，体力活动能激活中枢神经系统，影响中枢神经系统的功能和改善增龄性神经系统疾病。根据现有研究报道，体力活动对于认知能力和精神卫生健康有着独特的作用，科研人员已致力于利用体力活动介导的独特作用，来延缓和抵抗增龄性认知衰减和精神疾病。随着老龄化社会的进一步深化，体力活动对于认知能力的影响，将成为未来的研究热点。体力活动对于认知能力的影响是否有选择性?良好的心肺功能是否是体力活动对于认知能力有益作用的必要条件?目前的人体和动物实验如何解释体力活动改善认知能力的机理?近年来备受关注的表观遗传学如何为深层次的机制研究提供新的思路?本文将从上述几点对体力活动与认知能力影响作一综述，总结前人研究成果，力争为今后研究提供些许思路。 首先，需要了解一下文中出现的体力活动、体育锻炼或运动等名词的定义。体力活动(Physical Activity，PA)和体育锻炼或运动(Exercise)是不同的概念，体力活动是由骨骼肌收缩导致能量代谢的任何机体活动；体育锻炼或运动(Exercise)则是体力活动的下位概念，是指有计划、有结构、重复性的体力活动，目的是为了提高或者保持一种或几种身体能力[20]。因此，体力活动涵盖了体育锻炼或运动行为。 1 体力活动对认知能力的影响——人体实验 1.1 观察性研究 在近20年的研究中，已经有许多研究报道指出，有规律性体力活动习惯者较有静坐习惯者表现出更好的认知能力或者学业成绩[1，2，32，62]。在横断面的研究中，虽然已经发现体力活动对认知能力的有益作用，但横断面调查不能得出体力活动和认知能力之间的因果关系，如上述研究结果可能是因为认知能力水平高的人更愿意从事体力活动。此外，诸如受教育程度、社会地位、身体健康水平等混杂因素，也可能会干扰我们对两者关系之间的判断。因此，横断面调查虽然简便易行，且有助于人们初步认识体力活动和认知能力之间的关系，但是，不能由此得知变量之间因果关系和先后顺序。 虽然纵向设计的队列研究也不能证明观察变量之间的因果关系，但是，长期的跟踪能让我们更有可能接近事件发展的真相，这种研究设计常常用于探讨身体活动在老年人增龄性认知能力衰减中的作用。现有的报道跟踪时间从2年[30]～31年[13]不等，研究结果表明，自述体力活动水平和客观测量的心肺能力基线值，是预测未来罹患老年痴呆风险的良好指标。 队列研究中大多数选取55岁以上的老年人作为研究对象，仅有少数的研究针对较年轻的群体。例如，Richards[59]选取1919名中年人作为受试者，在17年的跟踪实验中对记忆能力进行了3次跟踪测试。研究结果显示，在36岁时有运动习惯的受试者，在43～53岁10年间记忆的增龄性衰减速度降低。此外，36岁才开始体育锻炼的受试者较那些在36岁时停止运动的受试者表现出更强的记忆保护能力。在36～43岁期间坚持从事规律性体育锻炼者，到53岁时表现出最低程度的记忆力衰减。该结果提示，我们想要终生维持良好的记忆认知能力，持续的体育锻炼非常必要。与上述行为观察的研究结果类似，在利用影像技术观察体力活动对脑结构变化的研究中也得到类似的结果，即中年时期从事规律性体育锻炼者较静坐者，在21年后的核磁共振扫描(Magnetic Resonance Imaging，MRI)中观察到更多的脑容量和脑灰质容积。而自述每周至少进行两次体育锻炼的个体，在影像中表现出更多的额叶脑区灰质容积[60]。 在瑞典进行的一项大样本量(n=1221727)跟踪研究中[11]，Aberg发现基线测试结果在校正了父母学历和测试日期等混杂因素后，18岁新征入伍士兵的智商水平与心肺能力呈正相关。此外，在这个大样本中有268496对兄妹(弟)，1715对异卵双胞胎和1432对同卵双胞胎，这有利于在基线测试时同时评价家庭及遗传因素对认知能力的影响。统计结果显示，不同环境因素(non-shared environmental factor)能够解释心肺能力与认知能力关系变异的80％以上，而遗传因素只解释其中的一小部分(≤15％)。因此，研究结果提示，生活方式(如体育锻炼)比遗传因素更有力的阐释心肺能力与认知能力之间的相关关系。在后期10～30年的跟踪研究中发现，18岁时心肺功能高者在日后表现出更好的学业成绩和经济收入。而在以年龄更小的4～6岁学龄前儿童的纵向跟踪调查中，Niederer发现[54]，基线测试时有氧能力和运动能力高者，在9个月后的跟踪测试中表现出更好的记忆力和注意力。 横向和纵向的观察性研究结果表明，在人生发展的各个年龄阶段均发现了体力活动与认知能力的正相关性，即体力活动高者常伴随着相对较高水平的认知能力。此外，体力活动对于认知能力的有益作用，可能与体力活动提高了机体的有氧能力有关。尽管观察性研究尽可能的校正性别、教育程度、测试时间、家庭背景等混杂因素，利用时间序列方法探求变量之间的先后顺序，但要真正了解变量间的因果关系，还须通过随机对照试验进一步研究。 1.2 随机对照试验研究 探讨体力活动干预对认知能力的随机对照试验(Randomized Controlled Trial，RCT)，主要涉及两种运动形式：一种是一过性的急性运动，另一种是规律性的长期运动。鉴于认知能力的相对稳定性，在一过性的运动前、后发生变化的持续时间较短。因此，在这里我们只讨论规律性的长期运动对认知能力的影响。 在这类研究中，大多数学者探讨能够增加心肺能力的有氧运动(如跑步、步行、骑自行车、游泳等)对认知能力的改善效应。在观察长期运动效应的试验中，研究者首先会募集无运动习惯的受试者，然后，把他们随机的分配到运动组与对照组，运动组常采用跑步、步行、骑自行车和游泳等有氧运动项目。而常用的对照组有非有氧运动的拉伸练习对照组[61]和安静对照组[64]，运动干预时间从几周[64]至一年[29，68]不等。部分研究结果显示，有氧运动较非有氧运动和安静对照而言，能更大程度的改善执行能力[63，68]、注意力[6，40]、记忆[64]和加工速度[52]。当然，也会有一些研究结果得出相反的结论，即有氧运动和非有氧运动(如拉伸运动)对认知能力无明显改善作用[18，39，41，51]。在这些得到无效结论的研究中，部分是由于方法学原因所致，如参加试验的受试者认知能力基线水平较高[18]，或运动干预的时间较短，干预效果还未出现试验已停止[28]等；部分可能是由于理论基础不同，不同的理论决定了不同的测试任务，从而导致结果不一致。虽然，目前对于不同研究结果差异性的原因尚未形成统一的认识，但是，现有文献中出现的3种假设，为解释不同的研究结果提供了思路。如1)有氧运动是否有选择性的改善认知能力；2)心肺机能的提高是否是运动改善认知能力的必要条件；3)不同类型的运动是否倾向于改善某种认知能力，下面将从这3个方面分别展开讨论。 1.2.1 有氧运动干预是否选择性的改善认知能力 “选择性促进”观点首先是由Kramer和他的同伴于1999年提出[47]，该观点为解释不同的研究结果提供了新的视角。“选择性促进”是基于大脑额叶认知老龄化的假设[69，70]，此假设认为随着年龄的增长，大脑各区域脑组织容量的下降和神经认知功能的衰减程度是不一样的。因此，Kramer认为运动(特别是有氧运动)对于认知能力的改善也应该是有选择性的。其中特别指出，与执行控制能力相关的额叶脑区出现增龄性萎缩最为严重，因此，在运动干预中相关的认知能力改善应该最为明显。Kramer发现，经过6个月的有氧运动干预后，受试者在需要高度执行控制(Executive control)的任务中得分显著提高，而拉伸练习组的受试者干预前后表现无明显差异；此外，在不需要高度执行控制的任务中，运动干预后两组受试者的表现均未得到显著提高，该试验结果支持Kramer提出的“选择性促进”假设。在随后的研究中，Colcombe和Kramer[23]利用1966—2001年间筛选出的18篇干预试验做meta分析，结果显示，运动干预组平均效应量为0.48，是对照组的3倍。其中，运动干预对于执行控制任务的改善最为明显(Executive control task，Effect size=0.68)，接下来依次是控制加工任务(Controlled processing task，Effect size=0.46)，视觉空间任务(Visuospatial task，Effect size=0.43)和速度任务(Speed task，Effect size=0.27)。Smiley-Oyen[63]以65～79岁老年人为研究对象，验证运动对于认知能力改善的“选择性促进”假设，结果显示，10个月的有氧运动和力量柔韧练习干预后，只有有氧运动能显著改善需要高度执行控制的任务表现。上述两项研究进一步支持了“选择性促进”假设。 显然，目前的证据都显示在老年人群中，有氧运动更偏向于改善执行控制能力，神经影像技术和分子生物学的发展有助于我们进一步了解其改善机制。此外，在以后的研究中应更明确的探讨有氧运动有助于改善执行控制能力的哪个方面，以及在为更年轻的成年、青年人群中验证“选择性促进”现象是否同样存在。 1.2.2 心肺能力增强是否是体力活动改善认知能力的必要条件 在干预对照研究中，经常将受试者随机分配到能改善心肺功能的有氧运动组和非有氧运动的拉伸组，来比较两种形式的运动是否都有利于改善认知能力[26，47]。这种设计的优点在于能有效的鉴别心肺能力的提高对于认知能力中影响的作用。但目前许多研究表明，对心肺能力提高几乎不起作用的低强度运动，如协调性训练和抗阻运动，同样对认知能力的提高有促进作用。 Ruscheweyh[61]将平均年龄为60.2岁(SD=6.4，range 50～72)的老年人随机分配到步行干预组(中强度运动)、拉伸运动组(低强度运动)和安静对照组，比较不同强度有氧运动对老年人记忆能力的影响。结果表明，中、低强度的运动均能增强记忆能力，步行组和拉伸组干预后的记忆任务得分改善均显著优于对照组，但步行组和拉伸组间无显著性差异。此外，通过MRI技术发现，自述体力活动总量(与运动强度无关)与大脑前额叶和扣带皮层(Prefrontal and cingulate cortex)的灰质体积成正相关。该研究提示，即使是对心肺功能影响较小的低强度体力活动(含日常活动)，也能影响认知能力和神经可塑性。 当选择更为年轻的成年人为受试者时，近期的一些研究报道结果也支持上述观点。Hotting[42]发现，有氧锻炼(骑自行车)和拉伸/协调性练习同样有助于成年人事件记忆能力的提高。虽然，心肺能力的提高与记忆任务得分呈正相关(r=0.29，P=0.013)，但与认知能力其他相关任务无此关联(r＜0.01，P＞0.05)，且心肺能力改善只能解释认知能力变异的很小一部分(8％)。其他同类研究中也得到类似结果，如Smiley-Oyen[63]的横断面调查表明，心肺能力改变仅能解释认知能力变异的8％～10％；Meta分析结果也显示，现有的数据还不足以说明运动改善认知能力归因于心肺能力提高[14，31]。 因此，虽然大多数改善认知能力的运动干预采用促进心肺功能的有氧锻炼项目，但从目前现有的证据来看，心肺功能的改变并非体力活动改善认知能力的必要条件，其只能解释认知能力变异的一小部分。 1.2.3 体力活动改善认知能力是否与运动类型有关 现有研究结果表明，非有氧运动(抗阻运动和协调性训练)同样能够抑制认知衰退和增强认知能力。因此，不同类型的运动可能会引起不同的神经过程，从而对不同的认知能力产生影响。 Liu-Ambrose[50]等发现，65岁以上的老年女性通过抗阻运动对执行能力的改变明显优于平衡和拉伸练习。对于抗阻运动的有益作用，Cassilhas[22]等在2007年已有报告，他认为抗阻运动对老年人短时记忆能力的提高，可能与外周血中胰岛素样生长因子-1(Insulin-like growth factor-1，IGF-1)的水平增高有关。为了进一步探讨其神经机制，Cassilhas[21]在随后进行的动物实验中发现，有氧运动和抗阻运动对于改变空间记忆能力的分子机制是不一样的，即有氧运动是通过调节大脑海马中的脑源性神经营养因子水平(Brain Derived Neurotrophic Factor，BDNF)，而抗阻运动则是通过调节海马中IGF-1来发挥作用。因此，研究结果提示，不同类型的运动方式可能通过引发不同的分子事件，从而有益于认知能力的不同方面。在Colcombe和Kramer的Meta分析中[23]，有氧+抗阻的综合运动方式对认知能力的改善，显著性优于单纯的有氧运动。Voelcker-Rehage[68]利用功能性核磁共振(functional MRI，fMRI)成像技术，观察到心肺训练和协调性训练通过不同的方式激活大脑。显然，以上研究结果显示，不同的运动类型可能影响不同的神经—认知功能。Hotting[42]近期的研究发现也支持该假设，有氧运动能有效提高中老年人的情景记忆表现，而拉伸练习能有效提高注意任务测试的得分。此外，在运动干预研究中，不同的运动环境可能会对干预效果产生影响。例如，步行和骑自行车等有氧运动常在户外进行，而拉伸练习常在室内进行。不同环境对于感观的不同刺激也可能会对研究结果造成影响。 综上所述，从目前的文献报道来看，有氧运动、抗阻运动和协调性练习等不同类型的运动方式，会触发不同的神经—认知网络，从而影响不同的认知功能。 2 体力活动对认知能力影响的机制 体力活动对认知能力的有益作用已得到大量研究支持，但体力活动如何影响认知能力?研究者们从宏观(人体实验)到微观(动物实验)，再由微观指导宏观，不同角度、多层次的阐释其作用机理。 2.1 人体实验 随着科学技术的不断进步，研究者们可以通过无创的影像学技术来探究体力活动对人脑结构和功能变化的影响。 脑灰质、白质是大脑神经中枢发挥神经功能的重要部分，增龄性脑白质、灰质体积减小导致脑萎缩将引发一系列神经系统疾病，如最为典型的阿尔茨海默病(Alzheimer's Disease，AD)。Colcombe[24]和他的同事征集55名55～79岁健康老年人，利用MRI来研究心肺能力与大脑灰质和白质密度减少之间的关系。结果显示，在大脑额叶、顶叶和颞叶皮层，所有受试者均表现为明显的增龄性脑组织密度减少。但有趣的是，心肺能力高者在这些区域的组织密度减少程度明显降低，这提示我们有氧运动不仅有助于提高心肺能力，同时有助于老年人脑健康。在随后的RCT研究中，Colcombe等[25]进一步验证了有氧运动对于增龄性脑萎缩的有益作用。59名60～79岁健康且无锻炼习惯的老年人，被随机分配到有氧运动组和非有氧运动组(拉伸、柔韧性训练)干预6个月，干预前后利用MRI技术估计脑灰质、白质体积变化；同时募集20名健康年轻成人作为空白对照组，不施加任何干预措施，估计6个月前后脑灰质、白质体积变化。结果显示，有氧运动组经干预后脑灰质、白质体积显著性增加，而非有氧运动组和年轻对照组中脑结构无显著性变化。这些脑结构变化的区域是控制注意和记忆等认知功能的重要脑区，如前扣带回(Anterior cingulated cortex，ACC)、辅助运动区域(Supplementary motor area，SMA)、额中回(Middle frontal gyrus)、左侧上颞叶(Left superior temporal lobe)等。研究表明，有氧运动不仅能够降低增龄性脑萎缩速度，还能改善特定区域的脑结构，从而影响认知能力。 MRI让研究者能够观察到运动对于脑结构的改变，除此之外，通过fMRI可以反映受试者在执行某项特定任务时，大脑特定区域的功能活动情况，从而能让研究者了解到运动对于大脑更为细微的变化作用——功能性改变，这种改变包括血流和能量代谢增强。Colcombe等[26]通过两个实验设计，研究老年人有氧能力与脑功能和认知能力之间的关系。实验一(横断面研究)，通过1英里步行测量41名受试者(年龄66.23±8.17岁)心肺耐力，利用中位数两分法将受试者分为高水平和低水平两组；实验二(干预研究)，29名受试者(58～77岁)随机分配到有氧运动组(健身走)和非有氧运动组(拉伸、柔韧性训练)，两个实验都采用改良的Flanker任务测试受试者注意和抑制控制能力。结果表明，实验一中有氧能力高者和实验二中有氧运动干预组，在Flanker任务测试中有更优秀的表现，同时，大脑前额叶和顶叶皮层区域也表现出更高的任务相关功能活动状态。作者认为，有氧运动能够促进心血管健康，影响和改善衰老大脑的可塑性，并可能有助于减缓老年人体质和认知的衰老。 显然，无创性的影像技术为在人体实验中探讨运动对认知能力的影响机制提供可能，从上述研究中我们可以推测，运动可能通过改善大脑相应区域结构或改变功能活动状态来影响认知能力。此外，研究者们还尝试利用运动对于外周血液神经营养因子(例如IGF-1和BDNF)的改变来解释运动对认知影响机理。人体实验中由于要保存生命的完整性，因此，机制的探讨会存在种种不足，如影像技术只能观察到器官水平的变化，无法更加深入；而血脑屏障的存在，让外周血液神经营养因子的研究增添了不确定性，如外周血BDNF能否作用于大脑，外周血BDNF水平是否与大脑中BDNF水平相关等等。因此，人体实验外，还需通过动物实验进行更深层次的机制研究。 2.2 动物实验 在过去的十几年中，研究者们对于运动改善认知能力的细胞和分子机制开展了众多研究，其中尤其关注运动对于学习和记忆的影响机制。据目前所知，运动对于认知能力的影响主要与突触可塑性和能量代谢有关。运动改善了神经细胞突触传递效能，在这个过程中BDNF发挥着相当重要的作用，例如，BNDF介导突触前膜神经递质的释放，介导突触后膜钙离子内流产生长时程增强(Long-term potentiation，LTP)等。因为，BDNF在运动影响认知能力中的重要作用，大多数研究围绕BDNF表达及其引起的分子事件展开，下面的讨论也将以此为重点。 2.2.1 BDNF在突触可塑性中的作用 神经元之间通信的特异性接头称为突触，突触可塑性指突触的形态和功能可发生较为持久改变的特性或现象，包括突触传递可塑性和形态可塑性。LTP是突触可塑性的重要表现形式，已被公认为是学习记忆活动细胞水平的生物学基础。根据发生的时间和机制不同，LTP可分为早期LTP(early phase LTP，E-LTP)和后期LTP(late phase LTP，L-LTP)。E-LTP是指突触接受刺激后突触效能增强的时间相对较短，可维持1～2h，仅对现有蛋白质进行修饰，不依赖于新蛋白的合成；而L-LTP引起的突触效能增加可持续8h以上，依赖于基因转录和新蛋白的合成。 BDNF是诱发和维持LTP的重要信号分子。在大鼠海马脑切片中，加入外源性BDNF能够增强突触对于强直刺激的反应，促进LTP诱发；而当加入BDNF抗体或融合蛋白清除BDNF后，LTP减弱[33]。类似地，抑制BDNF合成造成LTP维持受损，外源性BNDF补充使得损害得以纠正[57]。当小鼠BDNF基因被敲除后，表现出严重的海马LTP诱发受损，给予重组BDNF[58]或者通过病毒介导基因转移重组BDNF基因[46]，数小时内可以修复这种因基因敲除引起的LTP诱发失调。如上所述，BDNF在调节LTP中发挥着非常重要的作用。根据目前学者的观点，BDNF参与调节LTP的作用主要包括两个方面：允许(permissive)和指导(instructive)。允许作用是指BDNF通过抑制突触疲劳，增强突触产生LTP的能力，此阶段不涉及LTP的形成。突触疲劳是指持续接受高频刺激后，兴奋性突触后电位(Excitatory postsynaptic potential，EPSP)幅度逐渐下降。如高频刺激后，维持突触前膜释放神经递质的能力。指导作用是指BDNF对高频刺激产生应答，参与LTP的形成和维持。如高频刺激后，BDNF与突触后膜受体结合后引起的一系列分子事件[19]。 2.2.2 BDNF调节LTP机制 LTP产生的过程主要涉及两方面：1)突触前膜接受刺激后释放神经递质；2)神经递质与突触后膜受体结合后打开离子通道，
