蔣長好 陳婷婷 石長地

(首都體育學(xué)院腦科學(xué)與運(yùn)動實(shí)驗(yàn)室 國家體育總局運(yùn)動能力評價與研究綜合實(shí)驗(yàn)室，北京 100191)

身體活動對老年人認(rèn)知和腦功能的影響

蔣長好 陳婷婷1石長地1

(首都體育學(xué)院腦科學(xué)與運(yùn)動實(shí)驗(yàn)室 國家體育總局運(yùn)動能力評價與研究綜合實(shí)驗(yàn)室，北京 100191)

身體活動；認(rèn)知功能；老化；腦成像

老化不僅是身體衰老過程，更是心理的衰退過程，其中認(rèn)知功能的老化表現(xiàn)最明顯且影響最大，它不僅會降低老年人的生活質(zhì)量，甚至?xí)蓴_其日常生活。自從上世紀(jì)七十年代之后，身體活動促進(jìn)老年人認(rèn)知功能研究日益受到重視。當(dāng)前，身體活動減緩認(rèn)知下降、提高執(zhí)行功能、促進(jìn)老年人腦的神經(jīng)生長和降低老年癡呆風(fēng)險等問題逐漸成為研究焦點(diǎn)。

1 身體活動促進(jìn)認(rèn)知功能

1.1 身體活動減緩認(rèn)知下降 關(guān)于身體活動降低執(zhí)行功能的老化問題始于Spirduso〔1〕的開創(chuàng)性研究，研究者以老年運(yùn)動員和普通的退休老年人為研究對象，以反應(yīng)速度作為認(rèn)知評定指標(biāo)，通過比較兩個群體的簡單反應(yīng)時來確定二者的認(rèn)知加工速度差異，研究發(fā)現(xiàn)老年運(yùn)動員比退休老年人有更快的反應(yīng)速度。Spirduso〔1〕的研究結(jié)果引發(fā)了研究的熱潮，一些橫斷研究發(fā)現(xiàn)，積極參與身體活動的老人比久坐少動的老人的認(rèn)知表現(xiàn)更好，而且與年輕人的認(rèn)知表現(xiàn)差異更小。Dustman等〔2〕采用事件相關(guān)電位(ERP)技術(shù)，對參與有氧鍛煉和久坐少動的老年人及年輕人ERP的P3成分做了比較。發(fā)現(xiàn)與年輕人相比，老年人的P3潛伏期更長，但是長期參與有氧鍛煉的老年人和年輕人的P3差異更小，而且參與有氧鍛煉的老年人比久坐少動的老年人P3潛伏期更短，P3潛伏期更短反映認(rèn)知加工更快，表明有氧鍛煉助于緩沖年齡相關(guān)的認(rèn)知下降。

不僅如此，一些干預(yù)研究證明了身體活動對老年人認(rèn)知功能下降的緩沖作用。Muscari等〔3〕將120名健康老年人隨機(jī)分配到鍛煉組與控制組中，鍛煉組參加為期12個月、每周3 h的有氧鍛煉的指導(dǎo)課程，鍛煉干預(yù)前后評估被試的認(rèn)知功能。研究發(fā)現(xiàn)，有氧鍛煉有效地降低了健康老年人認(rèn)知下降的速度。

還有研究發(fā)現(xiàn)身體活動水平降低對執(zhí)行控制的消極影響。Rogers等〔4〕對90名老人4年間的身體活動水平和認(rèn)知功能變化做了追蹤分析，發(fā)現(xiàn)那些身體活動水平降低的被試腦血流減少，并且認(rèn)知功能降低。這一研究從反面證實(shí)了身體活動水平對老年人認(rèn)知的作用。

1.2 身體活動預(yù)測認(rèn)知表現(xiàn) 一些研究者聚焦于身體活動者先前的身體活動水平對此后若干年的認(rèn)知狀態(tài)的預(yù)測作用。Barnes等〔5〕采用主觀報告和客觀的心肺體能測量相結(jié)合的方法，對349名年齡超過55歲的老人進(jìn)行了追蹤研究。6年后的認(rèn)知重測發(fā)現(xiàn)，基線檢測時體能水平更高的老人，其認(rèn)知測試成績也更高。由于體能與長期鍛煉有關(guān)，長期鍛煉能對老人的認(rèn)知功能有一定的預(yù)測作用。

一些研究者甚至將鍛煉的時間追溯到童年期，也發(fā)現(xiàn)早期身體活動對老年的認(rèn)知保護(hù)作用。Middleton等〔6〕讓9 344名老年女性報告自己在10歲、30歲、50歲左右以及老年階段的身體活動情況，并進(jìn)行了認(rèn)知檢測。那些自我報告在任何一個階段都參加身體活動，特別是在10 歲左右就參加身體鍛煉的老年女性，出現(xiàn)認(rèn)知損傷的風(fēng)險更小。

干預(yù)研究同樣發(fā)現(xiàn)早期身體活動對此后較長時間內(nèi)的認(rèn)知功能狀態(tài)的預(yù)測作用。Yaffe等〔7〕以5 925名每周作街區(qū)步行鍛煉的老年婦女為研究對象，考察了他們的鍛煉頻率與認(rèn)知表現(xiàn)的動態(tài)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)老人每周作街區(qū)步行的次數(shù)，可以預(yù)測6～8年后的認(rèn)知功能狀態(tài)，身體活動基線水平更高的老人6～8年后認(rèn)知水平下降更小。

1.3 身體活動對認(rèn)知功能的選擇性影響 身體活動對認(rèn)知表現(xiàn)的促進(jìn)有著選擇性影響，即對于需要更大量執(zhí)行功能的認(rèn)知任務(wù)，身體活動的促進(jìn)作用更大。執(zhí)行功能又稱執(zhí)行控制，一般是指高級或元認(rèn)知功能，它管理著其他認(rèn)知功能、情緒調(diào)節(jié)和注意，為意識行為和目標(biāo)行為服務(wù)〔8〕。Colcombe等〔9〕的一項(xiàng)元分析發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動對老年人的認(rèn)知功能有積極的影響，而且運(yùn)動對認(rèn)知功能的影響具有選擇性，其中對執(zhí)行控制功能的影響最大。有氧鍛煉的強(qiáng)度和控制認(rèn)知發(fā)展的大腦神經(jīng)電活動的改變相關(guān)聯(lián)，有氧鍛煉更多的個體在認(rèn)知任務(wù)引發(fā)的P3波幅更大、潛伏期更短。Hillman等〔10〕按有氧鍛煉的參與水平將老年人分為高、中、低有氧鍛煉組，比較了3組被試的一項(xiàng)執(zhí)行控制任務(wù)成績。P3潛伏期隨有氧鍛煉參與水平增加而降低，較之低有氧鍛煉組，高、中有氧鍛煉組在完成執(zhí)行控制任務(wù)過程中P3波幅增強(qiáng)。鑒于P3潛伏期降低反映認(rèn)知加工更快，P3波幅增強(qiáng)反映注意資源分配擴(kuò)大，上述結(jié)果提示，更多的有氧鍛煉參與，更有益于老人的某些執(zhí)行控制過程。

1.4 身體活動降低老年癡呆風(fēng)險 老年癡呆通常伴有認(rèn)知特別是執(zhí)行功能損害。身體活動更多的被試更少可能罹患老年癡呆。Larson等〔11〕對1 740名65歲以上的老人每周鍛煉(如步行、騎自行車和游泳)的參與次數(shù)進(jìn)行了追蹤研究，6.2年后的隨訪發(fā)現(xiàn)，其中158名被試已發(fā)展為癡呆。對老人的年齡、性別和用藥情況作了控制分析，發(fā)現(xiàn)在最初評估中，每周鍛煉超過3次的老人，比低于這一鍛煉頻率的老人更少可能罹患癡呆；Abbott等〔12〕具體分析了步行對癡呆的影響，對2 257名71～93歲被試每天步行的距離做了4.7年跟蹤記錄，采用一般認(rèn)知功能測驗(yàn)考察認(rèn)知下降，同時進(jìn)行癡呆評估，并對認(rèn)知能力、教育水平等變量作了控制，發(fā)現(xiàn)步行速度、距離與低癡呆風(fēng)險相關(guān)聯(lián)，身體活動多的老人中沒有發(fā)現(xiàn)癡呆者。

一些研究者還分析了中年時期的身體活動與老年時期的認(rèn)知功能、老年癡呆風(fēng)險之間的關(guān)系。如Chang等〔13〕的一項(xiàng)研究依據(jù)4 945名老人每周的身體活動時間，將他們分為不鍛煉組、每周鍛煉時間≤5 h組以及每周鍛煉時間>5 h組。與不參加鍛煉的老人相比，參加鍛煉的老人在26年后仍然有較快的加工速度、較好的記憶力以及執(zhí)行功能，其中每周鍛煉時間>5 h的老人認(rèn)知表現(xiàn)最好。中年時期適度的身體活動可能對保護(hù)老年期的認(rèn)知功能有益，并且可能降低罹患老年癡呆風(fēng)險。

2 身體活動促進(jìn)大腦可塑性

關(guān)于身體活動對老年人的認(rèn)知功能影響，研究者還結(jié)合腦成像技術(shù)如磁共振成像(MRI)和ERP做了考察。研究主要集中于身體活動對老年人腦結(jié)構(gòu)和功能的影響。

2.1 身體活動影響腦結(jié)構(gòu) 認(rèn)知特別是執(zhí)行功能和額葉活動密切相連。Colcombe等〔14〕將老人隨機(jī)指派到有氧干預(yù)組或無氧干預(yù)組，并以大學(xué)生作控制組。有氧干預(yù)組在6個月的有氧干預(yù)中，每周走3 d，每天1 h，無氧干預(yù)組做拉伸和力量訓(xùn)練等無氧運(yùn)動。結(jié)果顯示，有氧干預(yù)組額葉和顳葉的灰質(zhì)容量增加，大腦前部的白質(zhì)容量增加，而無氧組和控制組的容量沒有增加。Rovio等〔15〕調(diào)查了中年人的身體活動情況，21年后進(jìn)行重測，兩次均評估大腦體積、大腦灰質(zhì)密度以及腦白質(zhì)病變。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與中年時久坐少動的人相比，中年時參加身體鍛煉的人在晚年時的腦體積較大。積極參加身體活動人大腦灰質(zhì)體積也較大。大腦灰質(zhì)密度的區(qū)別主要存在于額葉。

盡管上述研究結(jié)果不盡相同，但都證實(shí)了身體活動特別是有氧運(yùn)動對大腦容量的影響。

2.2 身體活動影響腦功能 與年輕人相比，老年人在認(rèn)知任務(wù)中的腦激活更低〔16，17〕。對此有兩種不同的解釋，一是老年化導(dǎo)致神經(jīng)資源的不可逆轉(zhuǎn)損失，另一解釋是老年具有所需的資源但不能充分募集。已有研究結(jié)論支持第二種解釋。如Colcombe等〔18〕考察了6個月的體能干預(yù)項(xiàng)目對腦認(rèn)知功能的影響，發(fā)現(xiàn)有氧鍛煉不僅能促進(jìn)體能提高，也會對老年人腦的功能整合起著積極影響。也有ERP研究比較了不同身體活動參與水平和不同體能水平的老人與年輕控制組被試的認(rèn)知表現(xiàn)，并結(jié)合溯源分析結(jié)果，考察身體活動對腦功能的影響。Themanson等〔19〕分析了不同被試在錯誤行動情況下，認(rèn)知沖突評價引發(fā)的反應(yīng)監(jiān)控差異。參與身體活動更多的老年人及高體能的年輕人，認(rèn)知活動中錯誤反饋引發(fā)的ERP錯誤關(guān)聯(lián)負(fù)波(ERN)的波幅更小，ERN產(chǎn)生于前扣帶回尾部〔20〕。表明身體活動更多或體能更好有益于認(rèn)知過程，這些認(rèn)知促進(jìn)效應(yīng)與認(rèn)知過程中抑制與監(jiān)控能力更強(qiáng)相關(guān)聯(lián)。

綜上，身體活動特別是有氧運(yùn)動有助于引發(fā)腦容量、腦功能激活等的變化，老年人的認(rèn)知功能可以通過身體活動得以提高，甚至在一定程度上有所逆轉(zhuǎn)。

3 總結(jié)和展望

身體活動對老年人認(rèn)知和腦功能整合起著積極的作用，改善有氧體能的身體活動尤其是長期有氧鍛煉對執(zhí)行控制任務(wù)特別有益。盡管身體活動促進(jìn)認(rèn)知和腦功能的研究取得許多令人鼓舞的成果，但總體而言，這方面的研究尚處于初始階段，仍有諸多問題需要進(jìn)一步考察。

3.1 身體活動影響認(rèn)知的中介變量控制 元分析表明，身體活動影響認(rèn)知活動過程中，有一些其他中介變量發(fā)生作用。一是鍛煉強(qiáng)度。有研究比較不同的鍛煉強(qiáng)度對老年人認(rèn)知的影響，發(fā)現(xiàn)中等強(qiáng)度的有氧鍛煉更有益于促進(jìn)老人的執(zhí)行功能〔21〕，但也有研究發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度的有氧鍛煉更利于提高老人的執(zhí)行功能〔22〕；二是鍛煉方式。太極拳鍛煉較之于西方的有氧、阻力和柔韌性等鍛煉方式，更有益于某些方面的執(zhí)行功能〔23〕，但也有研究發(fā)現(xiàn)，太極拳鍛煉對老年人認(rèn)知的促進(jìn)作用不明顯〔24〕；三是認(rèn)知評估的時間。有研究比較急性鍛煉前后13個時間點(diǎn)的認(rèn)知任務(wù)成績。鍛煉后即刻的測量發(fā)現(xiàn)，鍛煉對某類認(rèn)知的促進(jìn)效應(yīng)，然而其他時間點(diǎn)上并沒有這一效應(yīng)〔25〕。上述中介變量的不同，易于導(dǎo)致研究結(jié)果的差異和不同研究比較的困難。因此，未來研究需在多因素的框架下操縱和測量不同的中介變量，以利于得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果。

3.2 老年癡呆和腦皮層變化與基因及身體活動的關(guān)聯(lián) 當(dāng)前一些研究者開始關(guān)注身體活動和某些基因特征的關(guān)聯(lián)，有研究發(fā)現(xiàn)，具有某種等位基因的人罹患老年癡呆和腦功能失調(diào)的風(fēng)險更大，基因變異如腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子基因，其蛋白質(zhì)和信使RNA濃度受身體活動影響，這是決定身體活動干預(yù)的認(rèn)知功效和腦皮層變化的關(guān)鍵因素〔26～28〕。但是，與基因特征相關(guān)的有氧鍛煉的認(rèn)知促進(jìn)效果仍是一個未知的問題。那些最易于從有氧鍛煉中獲益的人與很難從有氧鍛煉中獲益的人相比，其基因特征有哪些不同，有待于進(jìn)一步研究。

1 Spirduso WW.Reaction and movement time as a function of age and physical activity level〔J〕.J Gerontol，1975；30(4)：435-40.

2 Dustman RE，Shearer DE，Emmerson RY.EEG and event-related potentials in normal aging〔J〕.Prog Neurobiol，1993；41(3)：369-401.

3 Muscari A，Giannoni C，Pierpaoli L，etal.Chronic endurance exercise training prevents aging-related cognitive decline in healthy older adults：a randomized controlled trial〔J〕.Int J Geriatr Psych，2010；25(10)：1055-64.

4 Rogers RL，Meyer JS，Mortel KF.After reaching retirement age physical activity sustains cerebral perfusion and cognition〔J〕.J Am Geriatr Soc，1990；38(2)：123-8.

5 Barnes DE，Yaffe K，Satariano WA，etal.A longitudinal study of cardiorespiratory fitness and cognitive function in healthy older adults〔J〕.J Am Geriatr Soc，2003；51(4)：459-65.

6 Middleton LE，Barnes DE，Lui LY，etal.Physical activity over the life course and its association with cognitive performance and impairment in old age〔J〕.J Am Geriatr Soc，2010；58(7)：1322-6.

7 Yaffe K，Barnes D，Nevitt M，etal.A prospective study of physical activity and cognitive decline in elderly women〔J〕.Arch Intern Med，2001；161(14)：1703-8.

8 Alvarez JA，Emory E.Executive function and the frontal lobes：a meta-analytic review〔J〕.Neuropsychol Rev，2006；16(1)：17-42.

9 Colcombe SJ，Kramer AF.Fitness effects on the cognitive function of older adults：a meta-analytic study〔J〕.Psychol Sci，2003；14(2)：125-30.

10 Hillman CH，Belopolsky AV，Snook EM，etal.Physical activity and executive control：implications for increased cognitive health during older adulthood〔J〕.Res Q Exerc Sport，2004；75(2)：176-85.

11 Larson EB，Wang L，Bowen JD，etal.Exercise is associated with reduced risk for incident dementia among persons 65 years of age and older〔J〕.Ann Intern Med，2006；144(2)：73-81.

12 Abbott RD，White LR，Ross GW，etal.Walking and dementia in physically capable elderly men〔J〕.JAMA，2004；292(12)：1447-53.

13 Chang M，Jonsson PV，Snaedal J，etal.The effect of midlife physical activity on cognitive function among older adults：AGES--Reykjavik Study〔J〕.J Gerontol A Biol Sci Med Sci，2010；65(12)：1369-74.

14 Colcombe SJ，Erickson KI，Scalf PE，etal.Aerobic exercise training increases brain volume in aging humans〔J〕.J Gerontol A Biol Sci Med Sci，2006；61：1166-70.

15 Rovio S，Spulber G，Nieminen LJ，etal.The effect of midlife physical activity on structural brain changes in the elderly〔J〕.Neurobiol Aging，2008；31(11)：1927-36.

16 Logan JM，Sanders AL，Snyder AZ，etal.Under-recruitment and nonselective recruitment：dissociable neural mechanisms associated with aging〔J〕.Neuron，2002；33：827-40.

17 Madden L，Turkington TG，Coleman RE，etal.Adult age differences in regional cerebral blood flow during visual word identification：evidence from H215O PET〔J〕.Neuroimage，1996；3：127-42.

18 Colcombe SJ，Kramer AF，Erickson KI，etal.Cardiovascular fitness，cortical plasticity，and aging〔J〕.P Natl Acad Sci USA，2004；101(9)：3316-21.

19 Themanson JR，Hillman CH，Curtin JJ.Age and physical activity influences on neuroelectric indices of action monitoring during task switching〔J〕.Neurobiol Aging，2006；7(9)：1335-45.

20 Veen VV，Carte CS.The timing of action-monitoring processes in the anterior cingulated cortex〔J〕.J Cognitive Neurosci，2002；14(4)：593-602.

21 Córdova C，Silva VC，Moraes CF，etal.Acute exercise performed close to the anaerobic threshold improves cognitive performance in elderly females〔J〕.Braz J Med Biol Res，2009；42：458-64.

22 Baker LD，F(xiàn)rank LL，F(xiàn)oster-Schubert K，etal.Effects of aerobic exercise on mild cognitive impairment：a controlled trial〔J〕.Arch Neurol，2010；67(1)：71-9.

23 Taylor-Piliae RE，Newell KA，Cherin R，etal.Effects of Tai Chi and western exercise on physical and cognitive functioning in healthy community-dwelling older adults〔J〕.J Aging Phys Act，2010；18(3)：261-79.

24 孫 皎，王 黎，張秀英，等.太極拳運(yùn)動對老年人腦功能及體力的改善作用〔J〕.中國老年學(xué)雜志，2011；12(31)：4688-9.

25 Barella LA，Etnier JL，Chang YK.Immediate and delayed cognitive responses to moderate intensity exercise in older adults〔J〕.J Aging Phys Activ，2010；18：87-98.

26 Rovio S，Kǎreholt I，Helkala EL，etal.Leisure time physical activity at midlife and the risk of dementia and Alzheimer’s disease〔J〕.Lancet Neurol，2005；4：705-11.

27 Etnier JL，Caselli RJ，Reiman EM，etal.Cognitive performance in older women relative to ApoE-epsilon4 genotype and aerobic fitness〔J〕.Med Sci Sports Exerc，2007;39：199-207.

28 Podewils LJ，Guallar E，Kuller LH，etal.Physical activity，apoe genotype，and dementia risk：findings from the cardiovascular health cognition study〔J〕.Am J Epidemiol，2005；161：639-51.

〔2013-09-14修回〕

(編輯 安冉冉/張 慧)

國家特殊需求博士人才培養(yǎng)項(xiàng)目(2013、2014)；教育部人文社科項(xiàng)目(11YJA190008)；北京市科技平臺項(xiàng)目(PXM2013_014206_000058；PXM2015_014206_000048);北京市社會科學(xué)項(xiàng)目(13ZHB008)

石長地(1966-)，男，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事運(yùn)動腦成像研究。

蔣長好(1966-)，男，博士，副研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事運(yùn)動腦成像研究。

B489；B842

A

1005-9202(2015)12-3445-03；

10.3969/j.issn.1005-9202.2015.12.128

1 首都師范大學(xué)心理系