任何由骨骼肌收縮引起的導致能量消耗的身體運動都稱之為體力活動 \\( physical activity,PA\\)[1].體力活動缺乏被認為是全球第四大死亡風險因素,每年估計造成 320 萬人死亡.越來越多的研究證明,體力活動不僅對生理變化和心理健康具有較大的影響[2-5],同時,在提高認知功能、改變大腦結構方面也發揮著積極的作用[6-8].體能或心肺功能訓練往往與幾個大腦區域的體積呈正相關,一些學者已經開始在微觀層面上描述體力活動相關的大腦改變和一些潛在的神經機制,表明體力活動對特定的大腦結構變化具有巨大影響[8-9],這一影響在成人的大腦結構和兒童青少年腦發育可塑性中的表現有所不同.

1 體力活動引起成人腦結構的變化

1. 1 體力活動與成人大腦灰質變化的時間模式

正常成人在 30 ~90 歲期間會丟失大約 15%大腦新皮質組織[10].大腦灰質發育頂峰在青春期,然后開始下降,呈現倒 U 型,并且呈現出區域差異,如額葉和頂葉的灰質發育軌跡在 12 歲時達到頂峰,顳葉在 16 歲,而枕葉灰質的增加一直持續到 20 歲[11].隨著年齡的增長,體力活動減少、心血管健康以及認知功能下降與大腦皮質和皮質下區域的功能和結構改變一致,包括海馬、顳葉皮質、頂葉皮質和前額葉皮質等[12].大部分關于體力活動對灰質影響的研究都采用神經影像學技術,并報告灰質密度和特定腦區灰質總體積的變化[13-20].

大腦灰質顯著變化遵循一種特定的時間模式――運動時灰質體積增加,運動停止后灰質體積增加的趨勢消退.一項研究調查了 20 名健康成人志愿者\\(11 名女性,9 名男性\\)中樞神經系統對學習雜技\\(協調性運動\\)的適應性行為,結果發現在運動中雙側額葉、顳葉和扣帶回皮層灰質呈現瞬時增加;一周運動后枕骨部灰質也出現這種瞬時增加的現象,而運動停止后上述腦區灰質增加趨勢消退[13].同時,另外一項老年人研究也表現出了這一規律,在運動訓練前、訓練中和結束后對被試者進行掃描,左側額葉皮質、扣帶皮層、左側海馬以及右側中央前回的灰質體積在運動時呈現瞬時增加,右側中顳葉區視覺皮層灰質體積明顯擴張,運動訓練組左側海馬和雙側伏隔核灰質明顯增加,練習結束后,灰質增加的趨勢消退[9].

1. 2 體力活動量、強度對大腦灰質體質和密度的影響

1. 2. 1 體力活動總量的增加與灰質體積增加一致 運動總量越大,灰質體積越大.在健康老年人中,具有較高心肺適能的人前頂葉灰質體積較大[14].一項體力活動干預研究表明,通過 6 個月越野行走和體操訓練,干預后前額葉皮層和扣帶回皮層的灰質體積增加,且與體力活動量呈正相關[15].另有研究表明,體力活動與成年晚期的灰質體積有關,評估基線步行距離可以預測 9 年后灰質體積的變化,體力活動越多往往伴隨著灰質體積增大,包括額葉、顳葉和枕葉區域;同時,內嗅皮質和海馬體積與步行距離有關[16].FL\ue56eEL等[17]采用基于體素的形態測量學和功能性磁共振成像\\(fMRI\\)技術,研究發現較高水平的體力活動與前額葉皮質及扣帶回皮質容積的增加呈正相關.

1. 2. 2 運動強度與灰質體積增加之間的關聯性一項調查高爾夫球訓練誘發灰質變化的研究發現,在訓練過程中,中央溝腹側灰質增加,腹側運動前區皮質\\(premotor cortex,PMC\\)附近和額下回灰質增加;另外,下頂葉左右側也表現出灰質的增加.研究還表明,訓練強度與頂葉和枕葉交界處\\(parieto-occipital junction,POJ\\)的結構變化有關,運動強度與右側 POJ 百分比增加有關.另外,訓練強度與腹側 PMC 百分比增加趨勢有關[18].

1. 2. 3 體力活動與灰質密度 灰質密度與人類的運動行為相關.個體心肺功能差異影響大腦區域皮質密度,尤其是額葉和頂葉皮質;老年人額葉、頂葉及顳葉皮質密度急劇下降受到自身體能水平的影響[19].在另一項研究中,調整年齡、性別和總顱內體積的影響,右前腦島皮層灰質密度與有氧運動密切相關[20].

1. 3 體力活動對腦白質的影響

與灰質容積相比,體力活動與白質之間相關性的研究相對較少.大多數研究表明體力活動與白質體積之間不存在關聯性,如 ROVIO 等[21]發現,調整人口統計學特征、收縮壓、血清總膽固醇、BMI、吸煙等因素之后,中年時期體力活動與老年時期白質體積變大無關聯.此外,利用全腦分析的方法發現,有氧運動與內側顳葉及前頂葉灰質體積呈正相關,而與內側顳葉及前頂葉白質體積無統計學關聯[22].然而,也有一些研究表明白質改變與體力活動呈正相關,如 HO 等[23]研究顯示,體力活動對放射冠至頂枕交界處的白質變化具有明顯影響,體力活動的增加與腦組織平均容積的增加呈正相關,平均能夠增加 2% ~2. 5% 大腦容積.心血管功能訓練對頂葉上部灰質的影響最大,而對額葉和頂葉后部之間前束和橫束的白質影響最大[24].MARKS 等[25]在 13 名年輕人和15 名老年人中發現,排除年齡和性別的影響,有氧運動增加可能與大腦鉤束和扣帶的白質整合性增大有關,但有氧運動與大腦特定前額葉區域白質整合性呈顯著相關的假設并不成立.

1. 4 體力活動在維持大腦結構體積完整性中的作用

研究表明,體力活動可以緩解與年齡相關的腦結構體積下降趨勢,對年齡相關的內側顳葉萎縮具有選擇性調節作用.體力活動較少的老年人內側顳葉容積呈現明顯的年齡相關腦結構體積下降現象,而體力活動較多的老年人則未出現這種現象,這一發現表明體力活動對老年人內側顳葉完整性具有潛在維護功能[26].心肺適能與海馬體積呈顯著相關[27],更年輕的和心肺適能更好的人群大腦海馬體積往往更大,心肺適能水平較高的老年人對海馬體積具有更強的保持作用,并與更準確、更快的空間記憶和更少的遺忘片段有關[28].一項隨機對照試驗顯示[29],運動訓練增加了 2%的海馬體積,有效防止了 1 ~2 年內年齡相關的體積減少;研究也證實了海馬體積增加與較高血清腦源性神經營養因子 \\( brain derivedneurotrophic factors,BDNF\\) -齒狀回神經形成的中介物呈正相關;對照組海馬體積下降,但干預前有氧運動水平高能夠減弱海馬體積下降,表明運動干預能夠防止大腦海馬結構的體積損失.

2 體力活動改變兒童大腦結構的可塑性

2. 1 體力活動對兒童腦發育可塑性影響的意義

大腦的可塑性是指環境因素能夠改變腦功能,該概念是基于個體大腦發育受生理和心理體驗影響假說的基礎之上提出的.體力活動可能遠遠超過一般引領"積極生活\\(active life\\)"的健康輔助方式,從進化意義上更是"行動\\(activity\\)"的基本體現,這需要為其提供具有適當調節和反饋的可適應性的大腦和系統.青春期是一個以欠佳的決策和行動能力為特點的發育階段,伴隨著一些易于發生的危險行為,如非故意性傷害、暴力、物質濫用、意外妊娠和性傳播疾病[30].青春期大腦結構和功能呈現顯著的改變[31].研究顯示,6歲時大腦的容積已經接近成人的 90%,但大腦發育一直持續至整個青春期[32].大腦執行功能和基底神經回路在童年晚期甚至青春期仍未成熟,因此,某些早期經歷也許能夠促進大腦發育或是暫時性增強其功能.DONNELLY 等發現,通過課堂教學進行體力活動不僅能夠降低學生 BMI,還能提高學業成績[32].有氧運動作為一種體驗過程,必將對執行功能及相關的腦結構具有積極影響,并作為神經回路的生物學基礎.

2. 2 體力活動與兒童額葉皮質發育

額葉\\(frontal lobe\\)包括前額葉皮質\\(prefrontalcortex,PFC\\)、額葉腦回\\(frontal gyri,FG\\)、眶回\\(orbital gyrus,OG\\)、中央前回\\(precentral gyrus,preCG\\)、前/后 扣 帶 回 皮 質 \\( anterior/posteriorcingulated cortex,APCC/PCC\\),主要功能包括執行控制功能、注意、抑制\\(ACC\\)、記憶、語言加工、情緒加工[33].前額葉皮質神經回路是執行功能的關鍵.不同于大腦其他區域,前額葉皮質在青少年時期成熟,在不成熟階段中,進化和退化\\(如髓鞘形成和突觸修剪\\)同時發生,并且受到童年期經歷的推動.隨著年齡增長,兒童青少年表現出更強的能力來處理評估各子功能的任務和協調多個子功能的任務,如在抑制功能干擾信息時操控工作記憶信息[35].運動能夠明顯改善大腦皮質的均衡性和靈活性,當感覺運動區域信號增強時,大量的前額皮質神經元細胞能夠迅速增加活動.長期的體力活動可以影響額葉結構及相關的功能,如 DAVIS 等[34]通過一項在肥胖兒童中開展的隨機對照試驗發現,體育鍛煉與執行功能和數學成績之間存在特殊的劑量-反應關系,fMRI初步影像顯示,體育鍛煉能夠增強雙側前額葉皮質活動,并減弱雙側后頂葉皮質活動.

2. 3 體力活動與兒童海馬體積變化

海馬在學習和記憶形成中起著重要的作用.一項關于 9 ~10 歲兒童的研究表明,與低有氧運動組相比,高有氧運動組兒童樹突棘和齒狀回外錐體細胞分枝增加,雙側海馬體積增大,相關記憶任務表現更佳;雙側海馬體積能夠調節有氧運動與相關記憶之間的關聯性[35].在一項34 名15 ~18 歲青少年研究中,也出現了類似的結果,雙側海馬體積增大,但研究結果并未發現海馬具有調節有氧運動與學習記憶之間的相關性[36].因此,需要更多的研究來進一步證實這一觀點.

2. 4 體力活動對兒童基底神經節的影響

一項關于青春期前兒童的研究表明,有氧運動水平更高的兒童背側紋狀體體積更大,并與行為干擾呈負相關.背側紋狀體與認知控制和應答分辨率有關,且認知過程變化可以作為有氧運動的一種功能;較高有氧運動組雙側尾狀核、殼核、蒼白球和伏隔核的體積明顯大于較低有氧運動組,兒童有氧運動能增加與背側紋狀體體積增加及認知控制增強有關[37].個體發育的體能對執行控制功能和記憶功能具有較大的益處,而這種較好的執行功能表現與基底神經節及海馬體積較大有關,進一步提示體力活動通過改變兒童青少年某些特定腦區體積來提高執行功能.

3 結語

盡管大部分研究證明體力活動對健康成人某些腦區的體積增大具有促進作用,或是對與年齡相關的腦區體積下降具有延緩作用,但由于體力活動類型及評價方法、腦結構測量方法不一致,來自不同研究者的研究結論出現不一致的情況[29,38].一項隨機對照試驗研究顯示,運動訓練與尾狀核及丘腦體積變化無關[29];然而,也有研究利用基于體素的形態測量學技術,結果發現運動訓練后對照組左腦島灰質體積明顯下降,而訓練組卻沒有變化[38].由于調查體力活動與認知功能的研究設計不盡相同,增加了結果推論的困難.橫斷面研究不能揭示體力活動誘發大腦結構改變之間的因果聯系,但干預研究的結果為因果關聯提供了證據,今后需要更多的前瞻性隊列研究來證實這一點.多中心、重復性研究較為稀少,文獻綜述的結果往往顯示體力活動、大腦結構與認知功能之間的復雜關系的單向性.但越來越多的研究顯示,增加體力活動、提高身體素質,不僅能夠改善人群的身心健康,甚至能夠促進大腦結構的改變和認知功能的提高,這有利于促進體育活動的順利開展,更好地推動健康教育工作.

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