曾歷經(jīng)數(shù)萬年，人類為應對饑餓生存壓力下的不時之需，依賴頻繁的體力活動(Physical Activity，PA)來獲取不固定的食物而謀生。由此，環(huán)境選擇性形成了人體基因組 (Booth 和 Lees, 2006)[1]。PA也成為人類面臨生存環(huán)境壓力下的一個功能構(gòu)成，人體PA基因組選擇性地適應了滿足常規(guī)體力活動所需的代謝需求。至今，人類習性中依然繼承著這種適應了的長期活躍體力活動生活方式的基因組。不幸的是，PA不足已經(jīng)成為現(xiàn)代生活方式的主要特征。越來越多的研究揭示，當前這種典型的PA不足生活方式正是導致代謝失調(diào)、肥胖、2型糖尿病、代謝紊亂等靜坐少動綜合征的 “元兇”。不僅如此，它還將影響認知健康。所謂認知健康是指“清晰思考，學習和記憶的能力，涉及揭示大腦如何隨著年齡的增長而變化，以及如何保持大腦的認知功能處于最佳狀態(tài)”。為推進PA與認知健康的相關研究，美國運動醫(yī)學學會(ACSM)于2017年5月29日至6月3日在美國丹佛舉辦了第一屆PA/鍛煉(exercise)與大腦基礎科學國際會議，對該領域的最新研究進展進行了全面交流。本文將主要圍繞兒童PA/鍛煉(PA指任何由骨骼肌收縮導致的能量消耗的身體運動。鍛煉隸屬于PA，涉及有最終和階段目標的、有計劃的、有組織的、重復的、以保持和/或提高體適能為目的的PA[2-3])、心肺健康(Cardiorespiratory Fitness,CRF,通常用有氧能力表征，即最大攝氧量VO2max或峰值攝氧量VO2peak)與認知功能研究的代表學者Charles H Hillman，與老年PA/鍛煉、CRF與認知健康研究代表學者Kirk I Erickson等 2個大會主題發(fā)言的核心問題為主線，綜述PA/鍛煉與大腦最新研究成果。

1 兒童PA/鍛煉和CRF與認知功能

1.1 PA/鍛煉和CRF提高兒童認知能力和學習成績

Castelli，Hillman等(2007)發(fā)現(xiàn)ISAT(兒童伊利諾州標準學業(yè)成就測試)得分與PA/鍛煉水平(即20 m往返跑的PACER測試)存在正相關(R2=0.22)、與體重指數(shù)(BMI)負相關(R2=0.06)[4]；此外，美國實施的一項小學生PAAC計劃(持續(xù)3年課間PA/鍛煉的集群隨機對照實驗干預旨在促進鍛煉、減少肥胖)，發(fā)現(xiàn)每周75 min以上的中到大強度的鍛煉，不僅明顯降低BMI(R2=0.4159)，而且實驗組在寫作、拼寫、數(shù)學和綜合能力表現(xiàn)上均優(yōu)于對照組[5]，而影響學習成績表現(xiàn)或與PA/鍛煉引起的注意、信息加工、執(zhí)行功能、記憶等認知能力改善有關；值得注意的是，最近一項采用分層回歸分析的研究發(fā)現(xiàn)，與女性兒童相比，僅僅CRF水平高的男性兒童表現(xiàn)出更佳的工作記憶，存在性別的選擇性差異[6]。更為重要的一點，用學習成績度量認知能力不盡確切，學習成績并非注意、記憶和執(zhí)行功能等認知能力的準確反映，且受到測試者測試時間限制的影響。如果說信息處理速度提高可以提升特定時間內(nèi)的考試表現(xiàn)，卻不能斷言提升了獲取新知識的能力，因此關注PA/鍛煉或CRF改變兒童獲取新信息的速度似乎更有必要[7]。

1.2 PA/鍛煉和CRF提高兒童認知能力的機制

一是腦功能適應性變化。美國FITKids(課后鍛煉計劃)的一項長期隨機對照研究揭示，持續(xù)9個月的每天放學后進行70 min以上的鍛煉，實驗組的有氧能力VO2peak百分位變化顯著高于對照組、BMI均增加但實驗組增幅較小，表明實驗組健康水平更高，同時，實驗組flank任務和轉(zhuǎn)換任務中的反應準確性顯著提高、腦電圖中P3幅度較大。該研究大致揭示了在需要較高執(zhí)行控制的任務中，運動干預組通過提高兒童有氧能力和降低BMI改善了認知表現(xiàn)和腦功能[8];另一項隨機對照研究采用BOLD-fMRI技術(血氧水平依賴功能磁共振成像)檢驗了8～9歲兒童，每周5次，每次76.8 min中到大強度運動，持續(xù)9個月后，在注意與干擾控制任務中額葉前皮層BOLD響應降低；二是大腦結(jié)構(gòu)適應性變化。 Chaddock L等發(fā)現(xiàn)兒童有氧能力較高與其大腦海馬回體積更大有關，且關系記憶任務表現(xiàn)更佳[9]；Chaddock-Heyman L等也就此進行了系統(tǒng)深入研究，發(fā)現(xiàn)兒童中有氧能力高均引起基底神經(jīng)節(jié)體積[10]等白質(zhì)微結(jié)構(gòu)[11]、額葉前皮層[12]、上額皮質(zhì)、顳上區(qū)和枕葉外側(cè)皮質(zhì)的灰質(zhì)厚度[13]、血管增生和微循環(huán)[14]等適應性變化。由此，指出有氧能力高的兒童涉及注意控制的基底神經(jīng)節(jié)中的背側(cè)紋狀體體積增加，而白質(zhì)結(jié)構(gòu)完整性可能是有氧能力改善灰質(zhì)區(qū)域及區(qū)域整合到網(wǎng)絡中的有效連接的神經(jīng)機制。有氧能力在大腦成長過程中的皮層灰質(zhì)變薄具有積極作用，可能是提高工作記憶的機制。有氧能力與海馬區(qū)血流變化有關，并且，可能會影響大腦通過血液流動調(diào)節(jié)學習和記憶區(qū)域的代謝需求。這些結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出有氧能力改善認知控制能力的腦結(jié)構(gòu)基礎。概言之，通過PA/鍛煉或CRF水平的改善來促進大腦結(jié)構(gòu)和功能的適應性改變，進而提高因子釋放水平,包括神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)、血清胰島素生長因子(IGF-1)、血管內(nèi)皮生長因子(VGEF)，以及通過提高心血管健康來達到營養(yǎng)運輸和廢物清除能力的提升。

1.3 改善兒童認知健康的運動劑量效應

Davis等進行3個月的隨機對照實驗發(fā)現(xiàn)，每天20 min(低劑量)和40 min(高劑量)的平均心率(166±8)次/min的有氧運動干預，與不參加運動的對照組比較，干預組的執(zhí)行功能、數(shù)學成績顯著較高，且觀察到伴隨雙側(cè)前額葉皮層活動增加和雙側(cè)后葉皮層活動減少，兩種劑量之間無差異[15];Hillman等設計的一次性20 min的60% HRmax中等強度有氧運動改善反應準確性、增加P3振幅和小學生WRAT 3學習成績[16]，同樣Pontifex 等發(fā)現(xiàn)20 min的65%～75%HRmax一次性有氧運動顯著提高多動癥和健康小學生的神經(jīng)認知功能(P3振幅增加和潛伏期縮短)和抑制控制(反應準確性和相關刺激處理水平)，閱讀和算術成績也優(yōu)于對照組[17];此外，Kao 比較了20 min平均(66%±3%)HRmax的ACE(中等強度有氧運動)、20 min平均40%HRmax休息、9min平均(85%±5%)HRmax的HIIT(低運動量大強度間歇運動)后認知能力的變化，ACE和HIIT組完成flanker任務時反應速度比休息組更快，HIIT組在完成需要高抑制控制的任務時反應準確性均高于ACE組和休息組，ACE組P3振幅最大，HIIT組的P3振幅和潛伏期均小于休息組。ACE和HIIT都能以不同神經(jīng)激活方式改善抑制控制功能。[18]由此，長期鍛煉方案中的運動劑量從低到高、一次性鍛煉方案中的中等劑量和HIIT都可能帶來認知功能的改善，尤其是HIIT被認為是一次性短期鍛煉的有效方法，它對成年人、青少年、兒童等群體中認知和學業(yè)獲得都有改善效應，但是數(shù)據(jù)有限。

1.4 小結(jié)與展望

關于兒童鍛煉與大腦/認知的研究相對于其它年齡段所取得的研究成果和進展是相對系統(tǒng)和成熟的。(1)可以基本明確的一些結(jié)論：雖然發(fā)現(xiàn)多種認知能力受益于PA/鍛煉或CRF水平，最有力的證據(jù)是對執(zhí)行功能和海馬區(qū)記憶力的改善。執(zhí)行功能包括認知操作的子集如抑制、工作記憶、思維靈活性，由此對應環(huán)境交互中的選擇、安排、協(xié)調(diào)等能力；涉及海馬基礎關系或聯(lián)想記憶，有賴于海馬區(qū)的功能整合。執(zhí)行功能是學業(yè)成績的一個潛在變量，海馬區(qū)對學習和記憶非常重要。進而提出了兒童積極參與PA/鍛煉與提高學業(yè)成績有關，有氧能力與大腦結(jié)構(gòu)和功能有關，有益于提高需要認知控制任務的執(zhí)行能力，并且有一些證據(jù)表明存在線性與非線性劑量關系；許多證據(jù)表明，一次性PA/鍛煉對大腦或認知能力有瞬時效應，但仍然存在許多挑戰(zhàn)。(2)存在一些不足和后續(xù)改進之處：一是缺乏基于理論指導性的研究；二是認知效益評估方法手段不一致，難以鑒別出提高兒童認知功能的最佳方式；三是需要選擇信效度更好，且準確性、靈敏性高的PA/鍛煉和學習成績測量方法；四是需要更多的擴大樣本規(guī)模、RCTs(隨機對照組研究設計)以及干預組、非干預組與無聯(lián)系組的研究來繼續(xù)推進，其中的大規(guī)模研究可以借助現(xiàn)代流行智能手機技術來展開；五是應用非線性統(tǒng)計學方法提高識別劑量關系的準確性；六是實驗室研究和真實環(huán)境中的研究需要更加密切聯(lián)系在一起，進而將實驗室的成果轉(zhuǎn)化到現(xiàn)實生活中，最終如何將這些研究成果轉(zhuǎn)化為日常生活的公共政策是未來研究的需求。

2 老年人PA/鍛煉和CRF與認知健康

2.1 PA/鍛煉激活老年人認知健康

Sofi F等對15篇隊列研究進行Meta分析[19]，PA/鍛煉參與年限為1～12年的共有33 816名老年人，發(fā)現(xiàn)與靜坐少動的對照組比較，高強度運動可有效抑制38%的認知能力下降風險，即便是低到中等強度運動也能顯著降低35%的認知能力退化風險；Hamer M等基于16篇前瞻性研究的Meta分析發(fā)現(xiàn)，基線水平PA較高可降低癡呆患病風險的28%，患阿爾茲海默癥風險的45%[20]；Colcombe S等同樣基于18篇針對老年人運動干預實證研究的Meta分析也顯示，PA/鍛煉可顯著且選擇性改善認知表現(xiàn)，其中受益最大的是執(zhí)行控制過程。同時，PA/鍛煉或CRF水平對認知影響的幅度受到其它變量的影響，如PA/鍛煉的時長、類型、參與頻率、參與對象的性別比等。從近期神經(jīng)科學和心理學數(shù)據(jù)可知，不止于嬰幼兒期的大腦，認知和神經(jīng)可塑性畢生都有發(fā)生。[21]Halloway S等對近年來耐力性運動引起中老年人大腦健康的RCTs研究進行系統(tǒng)綜述，在6篇結(jié)合MRI和神經(jīng)認知方法的研究中，一致發(fā)現(xiàn)PA/鍛煉可顯著改善中老年人的執(zhí)行功能[22]。綜合而言，PA/鍛煉和CRF對年齡有關的認知障礙和功能衰退風險具有一定保護效應,能夠提高大腦功能的可塑性。

2.2 PA/鍛煉引起老年人大腦結(jié)構(gòu)與功能適應性變化

一是PA/鍛煉和高CRF水平可增加海馬區(qū)和前額葉皮層體積。在控制年齡、性別、受教育年限條件下，老年人CRF水平(VO2peak)高與左、右側(cè)海馬區(qū)體積正相關，并且它們也與空間記憶表現(xiàn)相關。海馬區(qū)體積是健康水平與提高空間記憶的一個中間變量[23]；59名健康靜坐少動的60～79歲志愿者，參加了6個月隨機試驗，一半老年人參與有氧運動和另一半?yún)⑴c牽拉或塑形運動的干預組，20名年輕成年人作為不參加運動干預的對照組。發(fā)現(xiàn)僅有氧運動組老年人的大腦白質(zhì)和灰質(zhì)體積顯著增加，青年組大腦灰質(zhì)和白質(zhì)體積沒有顯著變化。表明CRF水平與老年人腦組織的保護有關，白質(zhì)和灰質(zhì)體積的適應性改變或是老年人中樞神經(jīng)系統(tǒng)健康和認知功能的重要生物學基礎[24]；為驗證高水平的有氧能力和執(zhí)行功能提高是否受到前額葉皮層灰質(zhì)體積增加的調(diào)節(jié)，一項142名健康老年人的橫斷面研究發(fā)現(xiàn)，CRF水平(VO2max)高者與認知測試成績正相關，且與包括前額葉背外側(cè)在內(nèi)的幾個區(qū)域中較大的灰質(zhì)體積有關。其中，右下額回的體積和中央回起到了CRF與stroop測試之間的調(diào)節(jié)作用，前額葉背外側(cè)雙邊不重疊區(qū)域起到了CRF水平與空間工作記憶準確性的調(diào)節(jié)作用。表明CRF水平可能通過減少健康老年人目標區(qū)域的腦萎縮來提高大腦認知功能[25];最近一項薈萃分析研究了14篇共737名受試，沒有發(fā)現(xiàn)有氧運動對整個海馬區(qū)體積的顯著影響。但是，與控制組相比，有氧運動可以顯著增加人類左側(cè)海馬區(qū)的大小。因果分析揭示運動可阻止海馬區(qū)萎縮[26]。二是PA/鍛煉或CRF水平與大腦白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的聯(lián)系。最新的一項老年人實驗研究發(fā)現(xiàn)(一組113人，一組154人)，高的VO2max與白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)改變有關，即便控制年齡、性別和教育程度也表現(xiàn)出一致的結(jié)果，并且發(fā)現(xiàn)白質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)是調(diào)節(jié)VO2max和空間工作記憶表現(xiàn)的重要的中間變量[27]。三是PA/鍛煉增強大腦額-顳-頂連接。一項采用最新的網(wǎng)絡科學方法來揭示PA/鍛煉引起老年人海馬區(qū)神經(jīng)電生理變化，將健康老年分為教育干預對照組與運動干預實驗組，測試4個月干預前后的靜息大腦血流變化。發(fā)現(xiàn)運動干預組海馬區(qū)腦血流量顯著高于教育干預對照組。并且，實驗組海馬區(qū)始終顯示前扣帶皮層這一相同網(wǎng)絡模塊的血流量變化?？梢?，運動干預增加了海馬回與前扣帶皮層的網(wǎng)絡連接。該研究驗證了網(wǎng)絡神經(jīng)特征和大腦血流量之間的聯(lián)系，功能性腦網(wǎng)絡的改變可能是導致老年人鍛煉后認知功能改善的原因[28]；另一項為期一年的有氧運動干預和無干預對照實驗研究發(fā)現(xiàn)，有氧訓練可提高老年大腦休息時在更高層次的認知網(wǎng)絡中的功能效率。一年的步行顯著提高了前額葉和海馬區(qū)功能連通性。此外，還發(fā)現(xiàn)PA/鍛煉持續(xù)時間也是一個重要因素，與6個月步行比較，步行12個月之后才觀察到效果。同樣，拉伸運動干預組在6個月后出現(xiàn)默認模式網(wǎng)絡(DMN)連通性增加，12個月后出現(xiàn)額葉執(zhí)行網(wǎng)絡(FPN)連通性增加，它們均可能是PA/鍛煉誘發(fā)大腦可塑性的特異反映。功能連通性增強影響認知行為，這為PA/鍛煉誘發(fā)老年大腦系統(tǒng)功能可塑性提供了證據(jù)，而運用功能連通性技術為揭示PA/鍛煉緩解年齡衰老相關的腦功能障礙的提出了新見解。[29]PA/鍛煉引起老年人腦結(jié)構(gòu)和功能適應性變化雖有不同，但基于此改善老年認知健康的主要機制，與兒童群體基本一致。

2.3 改善老年人認知健康的PA/鍛煉方案與劑量效應

一項基于310名輕度認知障礙老年人的數(shù)據(jù)證實，控制年齡后，中等強度運動(3.0～5.9 METs)與海馬體積有正相關，低強度運動(1.5～2.9 METs)和總體運動量與海馬體積沒有關聯(lián)。通過結(jié)構(gòu)方程分析，中等強度運動不是直接作用于記憶功能，而是通過海馬體積的中間變量產(chǎn)生效益。海馬體積下降顯著且直接導致記憶表現(xiàn)低下。[30]另一項120位健康老年人隨機分成有氧運動實驗組和拉伸運動對照組，分別運動干預6個月和12個月，發(fā)現(xiàn)有氧運動組CRF水平提高更多，海馬區(qū)和內(nèi)側(cè)顳葉體積增加。由此對比，認為僅有氧運動訓練增加了前海馬區(qū)體積，進而改善空間記憶，同時，伴隨血清BDNF(腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子)濃度變化。而拉伸組出現(xiàn)海馬區(qū)體積萎縮[31]。有研究將輕度認知障礙(MCI)女性老年人隨機分成有氧運動實驗組、抗阻訓練實驗組、平衡和形體訓練對照組，每周干預2次共6個月。與對照組比較，有氧運動組顯著提高了左(5.6%)、右(2.5%)及整個海馬區(qū)(4%)體積，考慮到基線認知功能，發(fā)現(xiàn)實驗組左側(cè)海馬體積增加與干預后損失指數(shù)下降的語言記憶和學習表現(xiàn)獨立相關。有氧運動訓練顯著增加海馬區(qū)體積，海馬與其他腦區(qū)之間的連通性受到白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響。 因此，在這些群體中單獨增加海馬體積可能不會導致記憶改善。需要更多研究來確定PA/鍛煉誘發(fā)的海馬體積變化與MCI老年人記憶表現(xiàn)的相關性。相比較而言，抗阻訓練沒有增加海馬區(qū)體積。[32]然而，也有研究指出抗阻運動同樣對老年大腦健康有積極效益，Nagamatsu L S等發(fā)現(xiàn)抗阻訓練可顯著改變與記憶表現(xiàn)有關的腦功能區(qū)域的腦血流量，增強大腦功能可塑性，而有氧運動無此作用[33]。有氧運動和抗阻運動是運動干預最常見的方案，現(xiàn)有文獻發(fā)現(xiàn)一次急性和長期持續(xù)的方案都有效，長期持續(xù)時間從3個月至24個月，每周2～5次不等[26]。但有氧運動和抗阻運動通過不同的方式作用于大腦和認知功能?！坝醒踹\動和抗阻運動均可提高成年大鼠依賴海馬區(qū)的空間學習和記憶力，但有氧運動傾向于提高海馬區(qū)的BDNF水平，而抗阻運動傾向于提高IGF-1水平。[34]”不過，PA/鍛煉的具體效益又同時受到性別、基因多態(tài)性的交互影響。具體而言，運動類型可能與性別共同調(diào)節(jié)大腦健康；PA/鍛煉對不同性別的認知健康效益可能不同，女性大于男性；APOE4和BDNF Val66Met等基因多態(tài)性可能與性別共同調(diào)節(jié)PA/鍛煉改造大腦的效益。[35]

2.4 小結(jié)與展望

當前關于PA/鍛煉或CRF改善老年人認知健康的研究，可以明確的一些結(jié)論：①有氧運動對老年大腦有廣泛效益；②老年人即便每周3次中等強度有氧運動就足夠改善大腦健康水平；③老年人任何時候開始參與PA/鍛煉都不是徒勞的，尤其是那些不愛活動的老年人群，將受益更大。但依然存在如下問題和后續(xù)研究建議，①大多數(shù)RCT受試樣本規(guī)模過小(N<100),可能導致假陽性結(jié)果和影響研究結(jié)論的穩(wěn)健性；②監(jiān)測運動干預的不一致性：有專業(yè)設備進行監(jiān)測的，也基于日常家居生活自評的；很多研究沒有報告心率監(jiān)測、RPE數(shù)據(jù)等；許多實驗沒有報告堅持實驗的人數(shù)比率或堅持人數(shù)太低(<40%)；③很多實驗設計沒有標明是否與研究受試簽訂參與實驗的意愿協(xié)議，或未報告評估中的單盲或雙盲與否等；④很多研究沒有報告基線PA/鍛煉水平，未按國際公認標準來度量運動負荷的具體細節(jié)；⑤運動干預的持續(xù)時間也存在不一致，跨度從4周到18個月不等，而多數(shù)實驗數(shù)據(jù)表明PA/持續(xù)時間越長對認知水平的改善越顯著；⑥運動干預強度的多樣性，從低等負荷強度、到中等負荷強度都有涉及；⑦很多研究中沒有報告運動負荷監(jiān)測、CRF水平評估、PA/鍛煉客觀監(jiān)測的數(shù)據(jù)，導致無法量化評比；⑧對照組的運動類型多不一致，包括日常活動、靜息不動、教育活動，拉伸和塑形等；⑨缺乏個體差異性測評或控制其它變量的統(tǒng)計處理(如性別、年齡、心理健康狀態(tài)等)；⑩認知能力質(zhì)量評估手段的可能偏差 ，如僅10 min內(nèi)評估了一般認知功能，而其它認知測試花數(shù)小時；元分析則往往融合了不同運動干預的類型(如太極拳、瑜伽、步行、舞蹈等)等。因此，建議后續(xù)研究擴大樣本規(guī)模(N>100)；規(guī)范測量PA/鍛煉、CRF和認知效益評估的方法和手段；引入多變量控制和非線性等更合理的統(tǒng)計學方法；國內(nèi)多進行傳統(tǒng)體育項目的長期深入研究等。最為重要的一步是將PA/鍛煉的發(fā)現(xiàn)作為促進健康老齡化的策略。但依然面臨著如下挑戰(zhàn)：①缺乏不同年齡階段PA/鍛煉與生理變化關系的縱向數(shù)據(jù)；②僅僅開始研究了PA/鍛煉對兒童的影響，PA/鍛煉對后期成年影響的潛在機制研究需跟進；③在這些運動干預研究中，后續(xù)跟蹤研究推斷潛在的長期健康益處尚不足；④PA/鍛煉暴露的年齡段與并發(fā)或三聯(lián)多重慢性病的關系尚缺乏數(shù)據(jù)。

3 其它問題的研究動態(tài)

3.1 青年人群PA/鍛煉改造大腦研究不多且尚存爭議

關于青年人群的研究無論在本次大會還是現(xiàn)有文獻中都相對較少，其原因或是一般認為青年人群的海馬體既不會再發(fā)育，也不會萎縮，PA/鍛煉的效益不會明顯；另一方面或是研究經(jīng)費資助上更偏向兒童和老年等弱勢群體。閱讀了7篇關于PA/鍛煉與青年大腦關系的大會墻報，其中，有3篇報告了有積極效益，3篇報告了沒有效益，另1篇不僅未發(fā)現(xiàn)有氧能力與認知功能的關系，且與BDNF及其Irisin等生物標記有負相關。然而，最新的一項研究(Schwarb H，2017)提出，以海馬體積(組織成分的總代謝)來評估海馬結(jié)構(gòu)中的個體差異無法揭示微觀結(jié)構(gòu)組織特征，尤其對于健康青年人海馬區(qū)完整性的微觀結(jié)構(gòu)可能有不同變化，這種細小的體積差異更加難以反映青年人腦組織結(jié)構(gòu)和認知功能。由此，采用新型核磁共振彈性成像技術對鍛煉與健康青年人大腦影響進行了研究，發(fā)現(xiàn)了海馬體粘彈性與關系記憶任務的表現(xiàn)有關，有氧能力(VO2max)越高也與海馬體粘連性相關，海馬體粘彈性作為調(diào)節(jié)CRF改善記憶功能效益的中間變量?？芍ｑR粘彈性可能為微觀組織及其對健康年輕人認知的影響提供了更為敏感的測量尺度。[36]

3.2 PA/鍛煉帶來腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)表達增加的分子機制

哈佛大學醫(yī)學院的Wrann C D博士研究發(fā)現(xiàn)了蛋白水解酶剪切Ⅲ型纖連蛋白組件包含蛋白5(FNDC5，基因)后形成的可分泌多肽片段及其分泌形式“Irisin”通道，一種新發(fā)現(xiàn)的骨骼肌合成、分泌的細胞因子和活性多肽被稱作肌肉因子，以及它們在神經(jīng)系統(tǒng)中的作用及其治療神經(jīng)退行性疾病潛力，在此基礎上提出FNDC5/Irisin作為一種新的PA/鍛煉改造大腦的分子作用機制。[37]為該領域研究的分子水平打開了一個新視野。

4 結(jié)束語

自1970s第一次較系統(tǒng)驗證鍛煉與腦的關系至今，一年一度的ACSM年會于2017年首次將鍛煉與大腦基礎科學列入大會主題，彰顯該主題的重要價值和廣闊前景，且需構(gòu)建全球?qū)W術共同體來共同推進。大會傳達的學術信息可謂承上啟下，針對不同年齡人群綜述了PA/鍛煉對大腦有積極效益。其中的兒童與老年人是本次大會的主要共識之一，而兒童較老年人的研究更為全面和系統(tǒng)，但各自仍然存在許多研究設計和方法運用上的改進空間。此外，關于PA/鍛煉與大腦的作用機制問題主要聚焦于大腦血流變化、腦神經(jīng)再生，初現(xiàn)分子或基因水平的機制，但有待結(jié)合新技術新方法進一步探究。PA/鍛煉與青年人大腦的研究，尤其特殊人群，如在自動化或半自動化背景下的復雜人機交互系統(tǒng)中降低中青年操作者的人為差錯、中青年認知缺陷人群理療等相關研究或許同樣具有重要意義，而如何逐步將PA/鍛煉與大腦的研究成果轉(zhuǎn)化為學校教育、老齡化問題等公共服務政策更是面臨的主要挑戰(zhàn)。

參 考 文 獻

[1] BOOTH F W, LEES S J. Fundamental questions about genes, inactivity, and chronic diseases.[J]. Physiological Genomics, 2007, 28(2):146-57.

[2] 張育愷,周成林,陳愛國,等.慢性鍛煉與認知功能關系的回顧與展望——國際歷史發(fā)展的視角[J].體育科學,2017,37(5):68-79

[3] 胡海旭, 萬發(fā)達, 杜長亮,等. 中西方運動訓練哲學萌芽的特征比較[J]. 北京體育大學學報, 2014, 37(12):120-126.

[4] CASTELLI D M, HILLMAN C H, BUCK S M, et al. Physical fitness and academic achievement in third- and fifthgrade students[J]. Journal of Sport & Exercise Psychology, 2007, 29(2):239-252.

[5] DONNELLY J E, GREENE J L, GIBSON C A, et al. Physical Activity Across the Curriculum (PAAC): A randomized controlled trial to promote physical activity and diminish overweight and obesity in elementary school children[J]. Preventive Medicine, 2009, 49(4):336-41.

[6] DROLLETTE E S, SCUDDER M R, RAINE L B, et al. The sexual dimorphic association of cardiorespiratory fitness to working memory in children[J]. Dev Sci, 2015, 19(1):90.

[7] HILLMAN C H, BIGGAN J R. A review of childhood physical activity, brain, and cognition: perspectives on the future[J].Pediatric Exercise Science, 2017, 29(2): 170-176

[8] HILLMAN C H, PONTIFEX M B, CASTELLI D M, et al. Effects of the FITKids randomized controlled trial on executive control and brain function.[J]. Pediatrics, 2014, 134(4):1063-71.

[9] CHADDOCK L, ERICKSON K I, PRAKASH R S, et al. A neuroimaging investigation of the association between aerobic fitness, hippocampal volume, and memory performance in preadolescent children[J]. Brain Research, 2010, 1358(4):172.

[10] CHADDOCK L, ERICKSON K I, PRAKASH R S, et al. Basal ganglia volume is associated with aerobic fitness in preadolescent children[J]. Developmental Neuroscience, 2010, 32(3):249-256.

[11] CHADDOCK-HEYMAN L, ERICKSON K I, VOSS M W, et al. White matter microstructure is associated with cognitive control in children[J]. Biological Psychology, 2013, 94(1):109.

[12] LAURA C H, ERICKSON K I, VOSS M W, et al. The effects of physical activity on functional MRI activation associated with cognitive control in children: a randomized controlled intervention[J]. Frontiers in Human Neuroscience, 2013, 7(11):72-72.

[13] CHADDOCKHEYMAN L, ERICKSON K I, KIENZLER C, et al. The role of aerobic fitness in cortical thickness and mathematics achievement in preadolescent children.[J]. Plos One, 2015, 10(8):e0134115.

[14] CHADDOCK-HEYMAN L, ERICKSON K I, CHAPPELL M A, et al. Aerobic fitness is associated with greater hippocampal cerebral blood flow in children[J]. Developmental Cognitive Neuroscience, 2016, 20(C):52.

[15] DAVIS C L, TOMPOROWSKI P D, MCDOWELL J E, et al. Exercise improves executive function and achievement and alters brain activation in overweight children: a randomized controlled trial[J]. Health Psychology Official Journal of the Division of Health Psychology American Psychological Association, 2011, 30(1):91-8.

[16] HILLMAN C H, PONTIFEX M B, RAINE L B, et al. The effect of acute treadmill walking on cognitive control and academic achievement in preadolescent children[J]. Neuroscience, 2009, 159(3): 1044-1054.

[17] PONTIFEX M B, SALIBA B J, RAINE L B, et al. Exercise improves behavioral, neurocognitive, and scholastic performance in children with attention-deficit/hyperactivity disorder[J]. The Journal of pediatrics, 2013, 162(3): 543-551.

[18] KAO S C, WESTFALL D R, SONESON J, et al. Comparison of the acute effects of high‐intensity interval training and continuous aerobic walking on inhibitory control[J]. Psychophysiology,

2017.

[19] SOFI F, VALECCHI D, BACCI D, et al. Physical activity and risk of cognitive decline: a meta-analysis of prospective studies.[J]. Journal of Internal Medicine, 2011, 269(1):107-117.

[20] HAMER M, CHIDA Y. Physical activity and risk of neurodegenerative disease: a systematic review of prospective evidence[J]. Psychological Medicine,2009,39(1):3.

[21] COLCOMBE S, KRAMER A F. Fitness effects on the cognitive function of older adults: a meta-analytic study.[J]. Psychological Science, 2003, 14(2):125-130.

[22] HALLOWAY S, WILBUR J, SCHOENY M E, et al. Effects of endurance-focused physical activity interventions on brain health: a systematic review[J]. Biological Research for Nursing, 2017,19(1):53-64.

[23] ERICKSON K I, PRAKASH R S, VOSS M W, et al. Aerobic Fitness is Associated With Hippocampal Volume in Elderly Humans[J]. Histopathology, 2009, 19(10):1030.

[24] COLCOMBE S J, ERICKSON K I, SCALF P E, et al. Aerobic exercise training increases brain volume in aging humans[J]. The Journals of Gerontology Series A: Biological Sciences and Medical Sciences, 2006, 61(11): 1166-1170.

[25] WEINSTEIN A M, VOSS M W, PRAKASH R S, et al. The association between aerobic fitness and executive function is mediated by prefrontal cortex volume[J]. Brain, behavior, and immunity, 2012,26(5): 811-819.

[26] FIRTH J, STUBBS B, VANCAMPFORT D, et al.Effect of aerobic exercise on hippocampal volume in humans: A systematic review and meta-analysis[J]. NeuroImage,2017,(11):1-36.

[27] OBERLIN L E, VERSTYNEN T D, BURZYNSKA A Z, et al. White matter microstructure mediates the relationship between cardiorespiratory fitness and spatial working memory in older adults[J]. Neuroimage, 2016, 131: 91-101.

[28] BURDETTE J H, LAURIENTI P J, ESPELAND M A, et al. Using network science to evaluate exercise-associated brain changes in older adults[J]. Frontiers in Aging Neuroscience, 2010, 2(23):23.

[29] VOSS M W, PRAKASH R S, ERICKSON K I, et al. Plasticity of brain networks in a randomized intervention trial of exercise training in older adults[J]. Frontiers in Aging Neuroscience, 2010, 2(1): 32.

[30] MAKIZAKO H, LIU-AMBROSE T, SHIMADA H, et al. Moderate-intensity physical activity, hippocampal volume, and memory in older adults with mild cognitive impairment[J]. Journals of Gerontology Series A: Biomedical Sciences and Medical Sciences, 2014, 70(4): 480-486.

[31] ERICKSON K I, VOSS M W, PRAKASH R S, et al. Exercise training increases size of hippocampus and improves memory[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2011, 108(7): 3017-3022.

[32] BRINKE L F T, BOLANDZADEH N, NAGAMATSU L S, et al. Aerobic exercise increases hippocampal volume in older women with probable mild cognitive impairment: a 6-month randomised controlled trial[J]. British Journal of Sports Medicine, 2015, 49(4):248-54.

[33] NAGAMATSU L S, HANDY T C, HSU C L, et al. Resistance training promotes cognitive and functional brain plasticity in seniors with probable mild cognitive impairment[J]. Archives of Internal Medicine, 2012, 172(8):666-8.

[34] NOKIA M S, LENSU S, AHTIAINEN J P, et al. Physical exercise increases adult hippocampal neurogenesis in male rats provided it is aerobic and sustained[J]. Journal of Physiology, 2016, 594(7):1855.

[35] BARHA C K, GALEA L A, NAGAMATSU L S, et al. Personalising exercise recommendations for brain health: considerations and future directions[J]. British Journal of Sports Medicine, 2016.

[36] SCHWARB H, JOHNSON C L, DAUGHERTY A M, et al. Aerobic fitness, hippocampal viscoelasticity, and relational memory performance[J]. Neuroimage, 2017.

[37] WRANN C D. FNDC5/irisin - their role in the nervous system and as a mediator for beneficial effects of exercise on the brain.[J]. Polish Journal of Pharmacology, 2015, 54(6):615-23.

Abstract

Objective：To clarify the important theoretical and practical significance of physical activities/exercise and brain-related research in the global "brain plan" context and aim at academic frontiers. Methods：Based on the opportunity of the 64th Annual Meeting of American College of Sports Medicine and the First International Conference on Basic Science of Exercise and the Brain, this paper makes a systematic review of 40 years of research on the relationship between physical activities/exercise and brain. Results: An increasing number of studies have consistently demonstrated that cardiorespiratory fitness or aerobic capacity as well as physical activities that help improve the capacity have positive effects on the cognitive health of the brain, which, in addition to modifying the structure and function of brain, increase the levels of brain-derived neurotrophic factor (BDNF), insulin-like growth factor 1, (IGF-1), and vascular endothelial growth factor (VGEF) through a highly-accepted mechanism based on animal models, and enhance nutrient transport and waste clearance by increasing cardiorespiratory fitness. Among them, the current research on children population is relatively systematic and comprehensive, and is followed by that on the elderly population. Conclusion:Although there are many reproducible results about the brain function and structure, including the explanation for the molecular level, the establishment of the specific association mode between exercise, brain and cognition still faces harsh challenges and needs continuous improvement and research . This article also gives some suggestions for future research.

Keywords:physicalactivities/exercise;brain;cardiorespiratoryfitness;aerobicexercise;cognitivehealth

CLCnumber：G804.5Documentcode：AArticleID：1001-9154(2018)02-0097-07