任何由骨骼肌收缩引起的导致能量消耗的身体运动都称之为体力活动 ( physical activity,PA)[1].体力活动缺乏被认为是全球第四大死亡风险因素,每年估计造成 320 万人死亡.越来越多的研究证明,体力活动不仅对生理变化和心理健康具有较大的影响[2-5],同时,在提高认知功能、改变大脑结构方面也发挥着积极的作用[6-8].体能或心肺功能训练往往与几个大脑区域的体积呈正相关,一些学者已经开始在微观层面上描述体力活动相关的大脑改变和一些潜在的神经机制,表明体力活动对特定的大脑结构变化具有巨大影响[8-9],这一影响在成人的大脑结构和儿童青少年脑发育可塑性中的表现有所不同.
1 体力活动引起成人脑结构的变化
1. 1 体力活动与成人大脑灰质变化的时间模式
正常成人在 30 ~90 岁期间会丢失大约 15%大脑新皮质组织[10].大脑灰质发育顶峰在青春期,然后开始下降,呈现倒 U 型,并且呈现出区域差异,如额叶和顶叶的灰质发育轨迹在 12 岁时达到顶峰,颞叶在 16 岁,而枕叶灰质的增加一直持续到 20 岁[11].随着年龄的增长,体力活动减少、心血管健康以及认知功能下降与大脑皮质和皮质下区域的功能和结构改变一致,包括海马、颞叶皮质、顶叶皮质和前额叶皮质等[12].大部分关于体力活动对灰质影响的研究都采用神经影像学技术,并报告灰质密度和特定脑区灰质总体积的变化[13-20].
大脑灰质显着变化遵循一种特定的时间模式――运动时灰质体积增加,运动停止后灰质体积增加的趋势消退.一项研究调查了 20 名健康成人志愿者(11 名女性,9 名男性)中枢神经系统对学习杂技(协调性运动)的适应性行为,结果发现在运动中双侧额叶、颞叶和扣带回皮层灰质呈现瞬时增加;一周运动后枕骨部灰质也出现这种瞬时增加的现象,而运动停止后上述脑区灰质增加趋势消退[13].同时,另外一项老年人研究也表现出了这一规律,在运动训练前、训练中和结束后对被试者进行扫描,左侧额叶皮质、扣带皮层、左侧海马以及右侧中央前回的灰质体积在运动时呈现瞬时增加,右侧中颞叶区视觉皮层灰质体积明显扩张,运动训练组左侧海马和双侧伏隔核灰质明显增加,练习结束后,灰质增加的趋势消退[9].
1. 2 体力活动量、强度对大脑灰质体质和密度的影响
1. 2. 1 体力活动总量的增加与灰质体积增加一致 运动总量越大,灰质体积越大.在健康老年人中,具有较高心肺适能的人前顶叶灰质体积较大[14].一项体力活动干预研究表明,通过 6 个月越野行走和体操训练,干预后前额叶皮层和扣带回皮层的灰质体积增加,且与体力活动量呈正相关[15].另有研究表明,体力活动与成年晚期的灰质体积有关,评估基线步行距离可以预测 9 年后灰质体积的变化,体力活动越多往往伴随着灰质体积增大,包括额叶、颞叶和枕叶区域;同时,内嗅皮质和海马体积与步行距离有关[16].FL?EL等[17]采用基于体素的形态测量学和功能性磁共振成像(fMRI)技术,研究发现较高水平的体力活动与前额叶皮质及扣带回皮质容积的增加呈正相关.
1. 2. 2 运动强度与灰质体积增加之间的关联性一项调查高尔夫球训练诱发灰质变化的研究发现,在训练过程中,中央沟腹侧灰质增加,腹侧运动前区皮质(premotor cortex,PMC)附近和额下回灰质增加;另外,下顶叶左右侧也表现出灰质的增加.研究还表明,训练强度与顶叶和枕叶交界处(parieto-occipital junction,POJ)的结构变化有关,运动强度与右侧 POJ 百分比增加有关.另外,训练强度与腹侧 PMC 百分比增加趋势有关[18].
1. 2. 3 体力活动与灰质密度 灰质密度与人类的运动行为相关.个体心肺功能差异影响大脑区域皮质密度,尤其是额叶和顶叶皮质;老年人额叶、顶叶及颞叶皮质密度急剧下降受到自身体能水平的影响[19].在另一项研究中,调整年龄、性别和总颅内体积的影响,右前脑岛皮层灰质密度与有氧运动密切相关[20].
1. 3 体力活动对脑白质的影响
与灰质容积相比,体力活动与白质之间相关性的研究相对较少.大多数研究表明体力活动与白质体积之间不存在关联性,如 ROVIO 等[21]发现,调整人口统计学特征、收缩压、血清总胆固醇、BMI、吸烟等因素之后,中年时期体力活动与老年时期白质体积变大无关联.此外,利用全脑分析的方法发现,有氧运动与内侧颞叶及前顶叶灰质体积呈正相关,而与内侧颞叶及前顶叶白质体积无统计学关联[22].然而,也有一些研究表明白质改变与体力活动呈正相关,如 HO 等[23]研究显示,体力活动对放射冠至顶枕交界处的白质变化具有明显影响,体力活动的增加与脑组织平均容积的增加呈正相关,平均能够增加 2% ~2. 5% 大脑容积.心血管功能训练对顶叶上部灰质的影响最大,而对额叶和顶叶后部之间前束和横束的白质影响最大[24].MARKS 等[25]在 13 名年轻人和15 名老年人中发现,排除年龄和性别的影响,有氧运动增加可能与大脑钩束和扣带的白质整合性增大有关,但有氧运动与大脑特定前额叶区域白质整合性呈显着相关的假设并不成立.
1. 4 体力活动在维持大脑结构体积完整性中的作用
研究表明,体力活动可以缓解与年龄相关的脑结构体积下降趋势,对年龄相关的内侧颞叶萎缩具有选择性调节作用.体力活动较少的老年人内侧颞叶容积呈现明显的年龄相关脑结构体积下降现象,而体力活动较多的老年人则未出现这种现象,这一发现表明体力活动对老年人内侧颞叶完整性具有潜在维护功能[26].心肺适能与海马体积呈显着相关[27],更年轻的和心肺适能更好的人群大脑海马体积往往更大,心肺适能水平较高的老年人对海马体积具有更强的保持作用,并与更准确、更快的空间记忆和更少的遗忘片段有关[28].一项随机对照试验显示[29],运动训练增加了 2%的海马体积,有效防止了 1 ~2 年内年龄相关的体积减少;研究也证实了海马体积增加与较高血清脑源性神经营养因子 ( brain derivedneurotrophic factors,BDNF) -齿状回神经形成的中介物呈正相关;对照组海马体积下降,但干预前有氧运动水平高能够减弱海马体积下降,表明运动干预能够防止大脑海马结构的体积损失.
2 体力活动改变儿童大脑结构的可塑性
2. 1 体力活动对儿童脑发育可塑性影响的意义
大脑的可塑性是指环境因素能够改变脑功能,该概念是基于个体大脑发育受生理和心理体验影响假说的基础之上提出的.体力活动可能远远超过一般引领"积极生活(active life)"的健康辅助方式,从进化意义上更是"行动(activity)"的基本体现,这需要为其提供具有适当调节和反馈的可适应性的大脑和系统.青春期是一个以欠佳的决策和行动能力为特点的发育阶段,伴随着一些易于发生的危险行为,如非故意性伤害、暴力、物质滥用、意外妊娠和性传播疾病[30].青春期大脑结构和功能呈现显着的改变[31].研究显示,6岁时大脑的容积已经接近成人的 90%,但大脑发育一直持续至整个青春期[32].大脑执行功能和基底神经回路在童年晚期甚至青春期仍未成熟,因此,某些早期经历也许能够促进大脑发育或是暂时性增强其功能.DONNELLY 等发现,通过课堂教学进行体力活动不仅能够降低学生 BMI,还能提高学业成绩[32].有氧运动作为一种体验过程,必将对执行功能及相关的脑结构具有积极影响,并作为神经回路的生物学基础.
2. 2 体力活动与儿童额叶皮质发育
额叶(frontal lobe)包括前额叶皮质(prefrontalcortex,PFC)、额叶脑回(frontal gyri,FG)、眶回(orbital gyrus,OG)、中央前回(precentral gyrus,preCG)、前/后 扣 带 回 皮 质 ( anterior/posteriorcingulated cortex,APCC/PCC),主要功能包括执行控制功能、注意、抑制(ACC)、记忆、语言加工、情绪加工[33].前额叶皮质神经回路是执行功能的关键.不同于大脑其他区域,前额叶皮质在青少年时期成熟,在不成熟阶段中,进化和退化(如髓鞘形成和突触修剪)同时发生,并且受到童年期经历的推动.随着年龄增长,儿童青少年表现出更强的能力来处理评估各子功能的任务和协调多个子功能的任务,如在抑制功能干扰信息时操控工作记忆信息[35].运动能够明显改善大脑皮质的均衡性和灵活性,当感觉运动区域信号增强时,大量的前额皮质神经元细胞能够迅速增加活动.长期的体力活动可以影响额叶结构及相关的功能,如 DAVIS 等[34]通过一项在肥胖儿童中开展的随机对照试验发现,体育锻炼与执行功能和数学成绩之间存在特殊的剂量-反应关系,fMRI初步影像显示,体育锻炼能够增强双侧前额叶皮质活动,并减弱双侧后顶叶皮质活动.
2. 3 体力活动与儿童海马体积变化
海马在学习和记忆形成中起着重要的作用.一项关于 9 ~10 岁儿童的研究表明,与低有氧运动组相比,高有氧运动组儿童树突棘和齿状回外锥体细胞分枝增加,双侧海马体积增大,相关记忆任务表现更佳;双侧海马体积能够调节有氧运动与相关记忆之间的关联性[35].在一项34 名15 ~18 岁青少年研究中,也出现了类似的结果,双侧海马体积增大,但研究结果并未发现海马具有调节有氧运动与学习记忆之间的相关性[36].因此,需要更多的研究来进一步证实这一观点.
2. 4 体力活动对儿童基底神经节的影响
一项关于青春期前儿童的研究表明,有氧运动水平更高的儿童背侧纹状体体积更大,并与行为干扰呈负相关.背侧纹状体与认知控制和应答分辨率有关,且认知过程变化可以作为有氧运动的一种功能;较高有氧运动组双侧尾状核、壳核、苍白球和伏隔核的体积明显大于较低有氧运动组,儿童有氧运动能增加与背侧纹状体体积增加及认知控制增强有关[37].个体发育的体能对执行控制功能和记忆功能具有较大的益处,而这种较好的执行功能表现与基底神经节及海马体积较大有关,进一步提示体力活动通过改变儿童青少年某些特定脑区体积来提高执行功能.
3 结语
尽管大部分研究证明体力活动对健康成人某些脑区的体积增大具有促进作用,或是对与年龄相关的脑区体积下降具有延缓作用,但由于体力活动类型及评价方法、脑结构测量方法不一致,来自不同研究者的研究结论出现不一致的情况[29,38].一项随机对照试验研究显示,运动训练与尾状核及丘脑体积变化无关[29];然而,也有研究利用基于体素的形态测量学技术,结果发现运动训练后对照组左脑岛灰质体积明显下降,而训练组却没有变化[38].由于调查体力活动与认知功能的研究设计不尽相同,增加了结果推论的困难.横断面研究不能揭示体力活动诱发大脑结构改变之间的因果联系,但干预研究的结果为因果关联提供了证据,今后需要更多的前瞻性队列研究来证实这一点.多中心、重复性研究较为稀少,文献综述的结果往往显示体力活动、大脑结构与认知功能之间的复杂关系的单向性.但越来越多的研究显示,增加体力活动、提高身体素质,不仅能够改善人群的身心健康,甚至能够促进大脑结构的改变和认知功能的提高,这有利于促进体育活动的顺利开展,更好地推动健康教育工作.
参考文献
[1 ] CASPERSEN C J,POWELL K E,CHRISTENSON GM. Physical activity,exercise,and physical fitness:definitions and distinctions for health-related research[J]. Public Health Rep,1985,100(2) :126-131.
[2 ] HAMER M,SABIA S,BATTY G D,et al. Physicalactivity and inflammatory markers over 10 years:follow-up in men and women from the Whitehall IIcohort study [J]. Circulation, 2012, 126 ( 8 ):928-933.
[3 ] VAN DER HEIJDEN G J,WANG Z J,CHU Z D,etal. A 12-week aerobic exercise program reduceshepatic fat accumulation and insulin resistance inobese,Hispanic adolescents[J]. Obesity ( SilverSpring),2010,18(2):384-390.
[4] ELLIOT C A,KENNEDY C,MORGAN G,et al.Undergraduate physical activity and depressivesymptoms: a national study[J]. Am J Health Behav,2012,36(2):230-241.
[5] HONG Xin,LI Jiequan,XU Fei,et al. Physicalactivity inversely associated with the presence ofdepression among urban adolescents in regional China[J]. BMC Public Health,2009,20: 9:148.
[6]BUDDE H,VOELCKER-REHAGE C,PIETRABYK-KENDZIORRA S,et al. Acute coordinative exerciseimproves attentional performance in adolescents[J].Neurosci Lett,2008,441:219-223.
[7] PESCE C,CROVA C,CEREATTI L,et al. Physicalactivity and mental performance in preadolescents:Effects of acute exercise on free-recall memory[J].Ment Health Phys Act,2009,2:16-22.
[8 ] ROVIO S,SPULBER G,NIEMINEN L J,et al. Theeffect of midlife physical activity on structural brainchanges in the elderly[J]. Neurobiol Aging,2010,31(11) :1927-1936.
[9 ] BOYKE J, DRIEMEYER J, GASER C, et al.Training-induced brain structure changes in theelderly[J]. J Neurosci,2008,28(28):7031-7035.
[10] WEINSTEIN A M,VOSS M W,PRAKASH R S,etal. The association between aerobic fitness andexecutive function is mediated by prefrontal cortexvolume[J]. Brain Behav Immun,2012,26 ( 5 ):811-819.
[11] GIEDD J N,BLUMENTHAL J,JEFFRIES N O,etal. Brain development during childhood andadolescence: a longitudinal MRI study [J]. NatNeurosci,1999,2(10):861-863.
[12] SAMBATARO F,SAFRIN M,LEMAITRE H S,etal. Normal aging modulates prefrontoparietal networksunderlying multiple memory processes [J]. Eur JNeurosci,2012,36(11):3559-3567.
[13] DRIEMEYER J, BOYKE J, GASER C, et al.Changes in gray matter induced by learning-revisited[J]. PLoS One,2008,3(7):e2669.
[14] WEINSTEIN A M,VOSS M W,PRAKASH R S,etal. The association between aerobic ?tness andexecutive function is mediated by prefrontal cortexvolume[J]. Brain Behav Immun,2012,26 ( 5 ):811-819.
[15] RUSCHEWEYH R,WILLEMER C,KRüGER K,etal. Physical activity and memory functions: aninterventional study[J]. Neurobiol Aging,2011,32(7):1304-1319.
[16] ERICKSON K I,RAJI C A,LOPEZ O L,et al.Physical activity predicts gray matter volume in lateadulthood: the Cardiovascular Health Study [J].Neurology,2010,75(16):1415-1422.
[17] FL?EL A,RUSCHEWEYH R,KR?GER K,et al.Physical activity and memory functions: areneurotrophins and cerebral gray matter volume themissing link [J]. Neuroimage, 2010, 49 ( 3 ):2756-2763.
[18] BEZZOLA L, M?RILLAT S, GASER C, et al.Training-induced neural plasticity in golf novices[J].J Neurosci,2011,31(35):12444-12448.
[19]COLCOMBE S J,ERICKSON K I,RAZ N,et al.Aerobic fitness reduces brain tissue loss in aginghumans[J]. J Gerontol A Biol Sci Med Sci,2003,58(2):176-180.
[20] PETERS J,DAUVERMANN M,METTE C,et al.Voxel-based morphometry reveals an associationbetween aerobic capacity and grey matter density inthe right anterior insula[J]. Neuroscience,2009,163(4):1102-1108.
[21] ROVIO S,SPULBER G,NIEMINEN L J,et al. Theeffect of midlife physical activity on structural brainchanges in the elderly[J]. Neurobiol Aging,2010,31(11):1927-1936.
[22] GORDON B A,RYKHLEVSKAIA E I,BRUMBACKC R,et al. Neuroanatomical correlates of aging,cardiopulmonary fitness level,and education [J].Psychophysiology,2008,45(5):825-838.
[23] HO A J,RAJI C A,BECKER J T,et al. The effectsof physical activity,education,and body mass indexon the aging brain[J]. Hum Brain Mapp,2011,32(9):1371-1382.
[24] COLCOMBE S J,ERICKSON K I,RAZ N,et al.Aerobic fitness reduces brain tissue loss in aginghumans[J]. J Gerontol A Biol Sci Med Sci,2003,58(2):176-180.
[25] MARKS B L,MADDEN D J,BUCUR B,et al. Roleof aerobic fitness and aging on cerebral white matterintegrity [J]. Ann NY Acad Sci, 2007, 1097:171-174.
[26] BUGG J M, HEAD D. Exercise moderates age-related atrophy of the medial temporal lobe[J].Neurobiol Aging,2011,32(3):506-514.
[27] MCAULEY E,SZABO A N,MAILEY E L,et al.Non-exercise estimated cardiorespiratory fitness:associations with brain structure, cognition, andmemory complaints in older adults[J]. Ment HealthPhys Act,2011,4(1):5-11.
[28] SZABO A N,MCAULEY E,ERICKSON K I,et al.Cardiorespiratory fitness,hippocampal volume,andfrequency of forgetting in older adults[J].Neuropsychology,2011,25(5):545-553.
[29] ERICKSON K I,VOSS M W,PRAKASH R S,etal. Exercise training increases size of hippocampusand improves memory[J]. Proc Natl Acad Sci U SA,2011,108(7):3017-3022.
[30] ROMEO R D, MCEWEN B S. Stress and theadolescent brain[J]. Ann NY Acad Sci,2007,1094(1): 202-214.
[31] GIEDD J N. Structural magnetic resonance imaging ofthe adolescent brain[J]. Ann N Y Acad Sci,2004,1021(1) :77-85.
[32] DONNELLY J E,LAMBOURNE K. Classroom-basedphysical activity, cognition, and academicachievement[J]. Prev Med,2011 ( Suppl 1 ):S36-S42.
[33] VOELCKER-REHAGE C,NIEMANN C. Structuraland functional brain changes related to different typesof physical activity across the life span[J]. NeurosciBiobehav Rev, 2013, pii: S0149-7634 ( 13 )00035-3.
[34] DAVIS C L,TOMPOROWSKI P D,MCDOWELL JE,et al. Exercise improves executive function andachievement and alters brain activation in overweightchildren: a randomized,controlled trial[J]. HealthPsychol,2011,30(1):91-98.
[35] CHADDOCK L,ERICKSON K I,PRAKASH R S,etal. A neuroimaging investigation of the associationbetween aerobic fitness,hippocampal volume,andmemory performance in preadolescent children[J].Brain Res,2010,1358:172-183.
[36] HERTING M M,NAGEL B J. Aerobic fitness relatesto learning on a virtual Morris Water Task andhippocampal volume in adolescents[J]. Behav BrainRes,2012,233(2):517-525.
[37] CHADDOCK L,ERICKSON K I,PRAKASH R S,etal. Basal ganglia volume is associated with aerobicfitness in preadolescent children[J]. Dev Neurosci,2010,32(3):249-256.
[38] GONDOH Y,SENSUI H,KINOMURA S,et al.Effects of aerobic exercise training on brain structureand psychological well-being in young adults[J]. JSports Med Phys Fitness,2009,49(2):129-135.
