有氧運動綜合干預對肥胖兒童認知功能的積極影響：1H-MRS及事件相關電位研究的探索

郭艷花，陳 平

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有氧運動綜合干預對肥胖兒童認知功能的積極影響：1H-MRS及事件相關電位研究的探索

郭艷花，陳 平

目的：采用全腦功能磁共振成像(1H-MRS)方法分析有氧運動綜合干預前、后肥胖兒童額葉、海馬感興趣區腦代謝的變化特點，以事件相關電位P300潛伏期反映肥胖兒童注意力的分布、執行功能和學習記憶等情況，探討有氧運動綜合干預對肥胖兒童額葉和海馬感興趣區腦代謝及認知功能的影響。方法：對象為2012-2013年北京市金色湖畔兒童夏令營的小學生。采用有氧運動綜合干預措施對11名肥胖兒童進行飲食、運動、教育聯合干預治療，應用多維度神經心理測試對比評估肥胖兒童干預前、后的認知功能，磁共振測定腦部海馬和額葉部位腦代謝的變化特點，時間相關電位測定P300潛伏期。結果：有氧運動綜合干預后，肥胖兒童神經心理學測驗各項指標學習記憶能力、注意能力、執行功能以及語言能力均顯著升高(P<0.01)；額葉部位的氮-乙酰天門冬氨酸(NAA)、額葉膽堿類復合物(Cho)濃度、顳葉氮-乙酰天門冬氨酸與肌酸比值(NAA/Cr)均較干預前顯著升高(P<0.05)；P300潛伏期顯著縮短。結論：肥胖可能影響兒童的腦代謝過程，并對認知功能產生負性影響；有氧運動綜合干預對于提高肥胖兒童的認知功能具有統計學上的顯著性意義，有氧運動綜合干預對肥胖兒童認知功能的改善主要是通過提高肥胖兒童額葉感興趣區腦代謝來實現的。

有氧運動；肥胖； 磁共振波譜 ；研究

氫質子磁共振波譜分析(1H-MRS)是利用磁共振顯像和化學位移作用，檢測活體腦組織能量代謝、生化改變以及化合物定量分析的一種無創性影像學檢測技術，是中樞神經系統疾病鑒別診斷的重要方法之一[7]。近年來，國際上已有大量的學者利用磁共振波譜分析技術來研究肥胖、抑郁癥、2型糖尿病、焦慮癥和強迫癥等患者與健康對照者的大腦結構、功能以及代謝物之間有無潛在的差異[17]。本研究通過1H-MRS成像技術對有氧運動綜合干預前、后肥胖兒童額葉、海馬組織N-乙酰天門冬氨酸(NAA)、膽堿(Cho)、肌酸(Cr)3種代謝物進行定量分析，以事件相關電位P300潛伏期反映肥胖兒童認知過程中大腦的神經電生理的變化，旨在探討有氧運動綜合干預對肥胖兒童額葉和海馬感興趣區腦代謝及認知的影響。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選取2013年北京巨人金色湖畔健康減肥夏令營的學員作為研究對象。對所有研究對象按照《中國學生超重、肥胖BMI篩查標準》篩查超重、肥胖。在向其介紹本次研究的目的和內容后，在所有學員知情同意原則的基礎上，嚴格按照納入標準選取愿意參加者11例兒童(男8例，女3例)。同時按1∶1配對的原則，選取體脂量正常、年齡 、身高 、性別、教育程度相匹配的健康對照組11例兒童(男8例，女3例)。研究對象的納入標準為：右利手，無腦外傷、腦手術病史，無精神、神經疾患家族史，無高血壓、糖尿病(表1)。

n年齡(歲)體重(kg)BMI(kg/m2)肥胖組1112．24±1．0863．12±10．62??30．26±8．52??對照組1111．67±1．2339．98±6．2617．47±7．48

注：與對照組相比,**P<0.01。

1.2 方法

1.2.1 認知功能評定

采用人機對話的方式，在計算機上應用兒童威斯康星卡片分類測驗(Wisconsin Card Sorting Test ，WCST)評估肥胖兒童干預前、后神經心理學特征[3]。測量指標共13個：總應答數(Response Administered，Ra)、完成分類數(Categories Completed，CC)、正確應答數(RC)及正確率(RCP)、錯誤應答數(PE)、持續性錯誤數(RPE)、完成第一個分類所需應答數(RF)、概念化水平(RFP)、持續性應答數(RP)、持續性錯誤百分數(PPEP)、非持續性錯誤(NRPE)、不能維持完整分類數(FM)、學習到學會(LL)。認知功能測試均由經過培訓的專門人員負責進行，所有測試均在安靜室內45～60 min內完成。

1.2.2 腦代謝活動測定

腦代謝活動測定在北京大學附屬第三醫院完成。采用1H-MRS法，使用高場強全身MR掃描儀(2.0 T，Prestige)和標準頭線圈，測定額葉、海馬NAA、Cho、Cr波譜。MRS檢測主要技術參數包括：單容積波譜定位序列，激勵回波探測法，掃描參數TR 2 000 ms；TE 144 ms，FOV 180 mm×180 mm，感興趣區取20 mm×20 mm×20 mm，激勵次數256，采集時間390 s。

1.2.3 磁共振波譜分析

應用Elscint/GE儀器公司提供的數據分析軟件對所得譜線進行相位、基線矯正，分別得到N-乙酰天門冬氨酸(NAA)、膽堿(Cho)、肌酸(Cr)的波譜峰值及波峰曲線下面積。最后按照通常的計算方法，以Cr為內標準計算NAA、Cho與Cr的比值。取樣部位為額葉、海馬，取樣容積為2 cm3。額葉、海馬的波譜定位圖如圖1、圖2所示。

1.2.4 P300測定

P300測定使用丹麥丹迪Keypoint腦誘發電位儀參照文獻[8]進行檢測。檢測前首先向被檢測者說明目的和要求。每位被檢測者均接受2次檢測，第1次為學習和適應，第2次為正式檢測。

1.2.5 有氧運動綜合干預措施

有氧運動綜合干預措施參考文獻[4]根據其年齡特征重新設計有氧運動(表2)。

在整個干預過程中，實驗員要隨時進行全面醫學觀察和監控，每周對他們的人體測量學指標、體成分和生理等指標進行檢測，并對每天訓練時間、訓練心率、訓練后的自我感覺等進行記錄，及時了解他們對運動負荷和飲食處方的反應，及時調整處方。在整個干預過程中，參與者也要做好自我監控。

表 2 本研究肥胖青少年有氧運動綜合干預措施一覽表Table 2 The Comprehensive Aerobic Exercise Intervention Measures on Obese Adolescents

1.2.6 統計學處理

2 結果

2.1 額葉、海馬興趣區波譜取樣部位(圖1、 圖2)

圖 1 額葉興趣區取樣部位Figure 1. Sampling Sites of Frontal Region of Interest

2.2 干預前、后肥胖兒童WCST測驗成績變化的比較

與對照組相比，WCST的13個指標中肥胖兒童成績都比對照組差，其中，RA、CC、RPE差異具有非常顯著性(P<0.01)，RCP、RE、RFP、RP差異具有顯著性(P<0.05)。有氧運動綜合干預后，肥胖兒童WCST的13個指標成績均較干預前升高，其中，RA、CC、RCP、RFP差異具有非常顯著性(P<0.01)，RE、RP、RPE差異具有顯著性(P<0.05；表3)。

圖 2 海馬興趣區取樣部位Figure 2. Sampling Sites in Hippocampal Region of Interest

2.3 干預前、后肥胖兒童額葉、海馬代謝的質子波譜變化比較

與對照組相比，肥胖組額葉部位NAA、Cho、Cr水平均顯著低于對照組，差異具有非常顯著性(P<0.01)；NAA /Cr高于對照組，但差異無統計學意義(P>0.05) ；海馬部位 NAA、Cr、NAA/Cr 、Cho均較對照組較高，但均無統計學差異(P>0.05)；有氧運動綜合干預后，肥胖組額葉部位NAA、Cho、Cr水平均較干預前顯著升高(P<0.01)；海馬部位NAA、Cr、NAA/Cr 、Cho變化較干預前無統計學意義(P>0.05；表4、表5，圖3、圖4、圖5)。

對照組干預前P干預后PRA118．48±29．14129．60±30．22??0．006119．08±17．16##0．001CC3．78±1．812．97±1．63??0．0043．87±1．16##0．006RC73．52±14．2770．02±17．340．28774．77±22．800．350RCP61．21±18．1855．73±15．21?0．03768．47±12．28##0．002RE48．53±16．4558．38±19．03??0．00251．74±11．15#0．039RF24．24±7．6325．37±8．970．42123．97±7．890．295RFP48．76±15．0239．58±13．20?0．02950．17±12．37##0．008RP27．71±9．2333．88±11．05?0．04028．01±6．43#0．025RPE22．32±7．7829．14±8．29??0．00923．68±7．98#0．043RPEP20．30±6．0521．67±7．160．31918．21±5．060．542

續表 3

注：與對照組相比，*P<0.05, **P<0.01；與干預前相比，#P<0.05,##P<0.01；下同。

對照組干預前tP干預后tPNAA162．30±30．54123．76±15．358．8920．000??159．89±11．6712．8240．000##Cr73．45±10．1672．83±5．581．8120．10071．53±9．440．1470．249Cho103．35±15．7582．57±12．549．5670．000??105．63±14．6110．1620．000##NAA/Cr2．21±0．361．70±0．477．7460．000??2．23±0．399．3180．000##Cho/Cr1．40±0．461．13±0．3010．8130．000??1．47±0．2310．2120．000##

圖 3 本研究正常組右側額葉皮質1H-MRSFigure 3. The Normal Group the Right Frontal Cortex 1H-MRS

圖 4 本研究肥胖組右側額葉皮質1H-MRSFigure 4. Obese Group Right Frontal Cortex 1H-MRS

圖 5 本研究干預后右側額葉皮質1H-MRSFigure 5. Intervention in the Right Frontal Cortex 1H-MRS

2.4 干預前、后肥胖兒童P300變化比較

與對照組相比，肥胖兒童P300潛伏期(391.30±31.30)顯著大于對照組兒童(316.24±16.29)，差異具有非常顯著性(P<0.01)；有氧運動綜合干預后，肥胖兒童P300潛伏期(309.43±29.34)較干預前(391.30±31.30)顯著降低，差異具有非常顯著性(P<0.01，表6)。

3 討論

威斯康星卡片分類測驗(Wisconsin Card Sorting Test，WCST)是一種單項神經心理測定方法，是目前廣泛使用的一種神經心理學測驗。反映測試者的認知功能狀況，即抽象概括、工作記憶、認知轉移、神經心理過程、注意力、信息提取、分類維持、分類轉換、刺激再識和加工、感覺輸入和運動輸出等。

表 5 本研究干預前、后肥胖兒童海馬代謝的質子波譜變化的比較一覽表Table 5 Comparison of Changes before and after the Intervention in Proton Magnetic Resonance Spectroscopy in Hippocampus Metabolism of Obese Children

表 6 本研究干預前、后肥胖兒童P300潛伏期變化的比較一覽表Table 6 Comparison of P300 Latency Change before and after the Intervention in Obese Children

事件相關電位(ERP)是一種特殊的腦誘發電位，由于其能夠客觀地反映大腦高級思維活動，因而在研究認知功能中得到了極為廣泛的應用。而作為其內源性成分的P300是ERP中最典型用來反映人體記憶、注意、辨別等認知過程的生物學指標，其潛伏期延長說明信息加工速度減慢，是腦發育狀況及腦認知功能的反映。

NAA是由天門冬氨酸和乙酰輔酶A在神經細胞內的線粒體產生[6]，是反映神經細胞、突觸數量及其生存能力的標志物。它的濃度的變化意味著神經細胞、軸突的受損程度或功能的變化(變性)[29]。

Cho信號反映了大腦內膽堿的總量。膽堿既是合成乙酰膽堿的重要前體，又是合成卵磷脂髓鞘磷脂的重要組成成分，廣泛存在于動植物組織中(特別是腦、膽汁、卵黃、種子)，是動物和人腦發育的必需營養素，參與細胞膜、髓鞘的生物合成[27]，是細胞膜受損和神經膠質細胞增生的標志物。

Cr反映了膠質細胞和神經細胞密集程度，它在大腦中的濃度相對穩定，是大腦細胞除ATP外能量代謝的主要儲能形式[11]。在腦代謝物中最為穩定，被用為參照值。

3.1 肥胖對兒童認知功能的影響及可能機制

大量研究發現，肥胖兒童注意集中能力明顯下降[12]；肥胖兒童注意集中能力、工作記憶負荷、手眼協調能力以及對問題的理解能力均降低[10]；肥胖兒童心理動作協調性較正常體重兒童較差，掌握要點的能力、反應速度、感知覺及接受能力明顯下降[30]。提示，肥胖對兒童的認知功能產生不利的影響。本研究結果發現，肥胖兒童WSCT的13個指標測試成績均較對照組差，特別是RA、CC、RPE、RCP、RE、RFP、RP 7個指標測試成績顯著低于對照組。表明肥胖兒童存在認知功能、認知轉移能力、抽象概括能力、概念形成能力、執行功能、注意功能下降，與已有的研究結果一致。

P300電位變化是腦認知功能的反映。潛伏期越長，說明大腦對信息加工這個認知過程的速度越慢[28]。研究發現，肥胖兒童的認知過程的速度與注意力、工作記憶的神經導電指數以及反應速度呈負相關；肥胖兒童P300潛伏期延長[2]。另據研究發現，智商與P300潛伏期呈負相關關系，智商越高P300潛伏期越短[21]。還有一些研究表明，注意缺陷多動障礙(ADHD)兒童的P300潛伏期延長，而超重/肥胖又可能是導致兒童注意多動障礙的一個因素[1]。本研究結果發現，肥胖兒童P300潛伏期顯著高于對照組。提示，肥胖兒童可能存在執行功能、記憶功能、注意功能的損害，從神經電生理方面進一步揭示肥胖兒童存在認知功能受損。

研究發現，與正常體重人相比，肥胖程度越大其大腦認知功能越差。研究認為，這可能與大腦神經纖維周圍白質惡化有關，會影響神經纖維傳遞信號[13]。另據研究發現，早期病態肥胖者MRS顯示大腦白質受到損傷，與認知功能的下降顯著相關[19]；超重和肥胖可能導致大腦顳葉萎縮[14]。本研究結果發現，肥胖兒童額葉部位NAA、Cho、NAA/ Cr、Cho/ Cr均較對照組顯著降低，肥胖兒童可能存在額葉神經元數量減少和(或)代謝受損害的現象。有無腦及是否額葉局灶性損害的WSCT測試指標持續性反映數(RP)和持續性錯誤數(RPE)肥胖兒童較對照組兒童顯著升高；肥胖兒童較對照組兒童P300顯著延長，進一步提示，肥胖兒童可能存在額葉功能損傷。

大腦額葉是一個重要的神經組織區域，其前區有著豐富的、復雜的雙向性神經聯系和結構圖式。過去很長時間里，額葉被認為是無功能的“沉默的腦區”，但現研究結果證實，額葉幾乎涉及所有諸如智力、記憶、語言、人格等廣泛復雜的心理功能。研究表明，額葉眶面和內側面后部的兩側受到損傷時，病人不僅喪失了有組織的邏輯思維能力、計劃能力，而且，不能形成牢固的動機和有目的的回憶。前額葉皮質的完整性對空間工作記憶的操作極為重要。大量臨床觀察表明，大腦前額葉損傷的主要癥狀是觀察和思考問題時注意力不能集中，周密的邏輯推理更是無法順利的進行，健忘，動作反應遲鈍，性格孤僻、偏執、情緒波動等。有關肥胖對兒童認知功能影響的腦機制目前還不清楚，可能與下列因素有關：肥胖兒童由于脂肪含量過多，血量大多分布周圍組織，導致腦血流速度及血流量顯著降低；腦供血不足，血氧飽和度下降，有效呼吸量相對減少和限制性通氣障礙，引起腦慢性輕度缺血缺氧，腦能源物質生成不足[26]。而3～6歲又是兒童額葉發展最迅速的時期，在上述這些不良因素的影響下，導致兒童額葉神經元數量減少和(或)代謝受損，最終引起信息傳導速度減慢，導致思維減慢，反應遲鈍，記憶力下降，認知功能發展受到不良影響。

3.2 運動對肥胖兒童認知功能的影響及可能機制

大量有關人和動物實驗表明，經過幾周有規律的運動鍛煉能夠明顯改善大腦的認知和行為功能；每周堅持4次，每次30～40 min的低強度有氧運動能夠顯著提高超重兒童的記憶能力、計劃能力、執行功能，并能保證他們在課堂上更好的控制自己的行為，保持良好的注意力，從而提高他們短時記憶的效率，提示，適量運動對促進肥胖者認知功能具有積極的意義[16]。研究發現，學生的學習成績與有氧代謝能力呈顯著的正相關，而與體重指數呈負相關[15]；學生的學習成績與學校的體育教育沒有顯著關系，而學生的學習成績與其是否經常參與運動有一定的關系[18]。這可能是有氧運動本身并不能提高學生學習成績，但對經常參與有氧運動的學生的注意力、記憶力、思維能力、反應能力以及課堂表現可能會產生積極的影響。但過度運動會適得其反，研究發現，過量或充滿爆發力的運動，會使骨骼肌對氧量的需求急速增加，致使流入大腦的血量驟減，進而使大腦處于相對缺血缺氧的狀態，影響其正常功能[23]。此外，大負荷過量運動時，特別是長時間的大負荷過量運動，會使機體能量消耗趨于耗竭，機體為防止能量進一步消耗而出現機能抑制，這時人就會感覺渾身極度乏力、極度疲勞、大腦反應變得遲鈍。如果長期進行長時間過量運動，機體的這種“保護性抑制”機能敏感度會下降，損傷大腦機能，出現失眠、健忘、注意力下降等癥狀[24]。本研究結果發現，有氧運動綜合干預后，肥胖兒童WSCT的13個指標測試成績均顯著升高，P300潛伏期顯著降低，提示，有氧運動綜合干預改善了肥胖兒童的認知功能。

大量研究結果表明，適量運動對神經系統神經細胞的形態和功能能夠產生積極的影響。動物實驗發現，適量運動負荷可對生長發育期小白鼠脊髓前角神經元產生積極的影響，使小白鼠脊髓前角神經元細胞核與核仁都增大；促使生長發育期小白鼠大腦皮脂神經元樹突棘增多；促使大鼠脊髓前角神經元的線粒體數量增多，體積增大，嵴多而致密；耐力訓練使大鼠椎體細胞層變厚，神經元密度增加[25]。長期適宜的運動可使肥胖大鼠載脂蛋白E4等位基因頻率降低，從而使淀粉樣多肽對神經元的胞體和突起生長的毒性作用降低；降低神經元鈣離子水平，增強神經元膜的流動性，提高神經元功能和可塑性[5]。長期有氧運動使肥胖青少年腦血氧飽和度提高、血液循環改善，神經元的營養和氧供給充分[9]。長期參與有氧運動，可使腦源性神經營養因子及其受體在腦內的表達與利用增加，中樞神經元形態結構發生改變[20]；運動還能夠提高肥胖者肌肉中代謝調節分子PGC-1α的活性，這種分子又刺激FNDC5表達量的增加，反過來促進與大腦健康相關的蛋白質——腦源性神經營養蛋白的升高，從而維持神經元以及突觸的健康生長[22]。本研究結果發現，有氧運動綜合干預后，肥胖兒童額葉部位的氮-乙酰天門冬氨酸(NAA)、額葉膽堿類復合物(Cho)濃度、額葉膽堿類復合物與肌酸的比值(Cho/Cr)、顳葉氮-乙酰天門冬氨酸與肌酸比值(NAA/ Cr)較干預前顯著升高。表明有氧運動綜合干預可能通過影響肥胖兒童腦部額葉代謝從而對肥胖兒童的認知功能起到積極的影響。

4 結論

1.肥胖可能引起兒童額葉神經元代謝異常，并對認知功能產生負性影響。

2.有氧運動綜合干預對于提高肥胖兒童的認知功能具有明顯的有益影響。

3.有氧運動綜合干預對肥胖兒童認知功能的改善主要是通過提高肥胖兒童額葉感興趣區腦代謝來實現的。

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The Positive Effect of the Comprehensive Intervention of Aerobic Exercise on the Cognitive Function of Obese Children:Exploration of 1H-MRS and Event-related Potential Studies

GUO Yan-hua,CHEN Ping

Objective:To study the change characteristics of aerobic exercise in obese children before and after comprehensive intervention of frontal lobe and hippocampus region of the brain in the sense of metabolism.Take the event-related potential P300latency to reflect distribution of obese children with attention,executive function and learning memory,this paper analyzes the effect of comprehensive intervention of aerobic exercise on the frontal lobe and hippocampus of sense in brain metabolism and cognitive function of obese children.Methods:the subject is the primary students from Beijng Golden Lake children’s summer camp in 2012—2013,with aerobic exercise comprehensive intervention measures on 11 obese children of diet,exercise,education combined intervention therapy,using multidimensional neuropsychological tests and comparative assessment of cognitive function before and after the intervention of childhood obesity,the determination of brain hippocampus and frontal lobe of brain metabolic changes of magnetic resonance,event-related potential determination of P300latency.Result:After aerobic exercise intervention,obese children neuropsychological test indicators of learning memory ability,attention and executive function and language ability were significantly higher(P<0.01);frontal lobe of N-acetyl aspartic acid (NAA),frontal lobe choline compound (CHO) concentration,temporal leaf N-acetyl aspartic acid and creatine ratio (NAA/Cr) were compared with those before intervention was significantly increased (P<0.05);P300latency significantly shortened.Conclusion:Obesity may affect children's brain metabolic processes,and have a negative impact on cognitive function,aerobic exercise intervention to improve cognitive function in obese children with statistical significance,aerobic exercise intervention on cognitive function in children with obesity improvement is mainly through the increase of the frontal lobe of obese children of cerebral metabolism.

aerobicexercise;obesity;magneticresonancespectroscopy;research

2014-11-15；

2015-05-06

山西省高等學校哲學社會科學研究項目資助 (2013274)。

郭艷花(1974-)，女，山西文水人，副教授，碩士，主要研究方向為運動與健康，E-mail：490182453@qq.com；陳 平(1983-),男，湖北人，講師，碩士，主要研究方向為體育保健與運動營養。

呂梁學院 體育系，山西 呂梁 033000 Luliang University，Lvliang 033000,China.

1002-9826(2015)04-0079-07

10.16470/j.csst.201504011

G804.8

A