有氧運動對肥胖青少兒認知能力的應用效率研究

摘要：肥胖在當今社會日趨普遍，已經被定義成一種公共健康疾病。肥胖不但會引起各種生理疾病，且會對大腦認知功能造成負面影響。青少兒時期是認知功能發展的關鍵時期，此階段的肥胖會嚴重損傷認知功能，以致影響學業成績甚至降低個體生活質量，為此積極研究如何對青少兒時期的肥胖進行干預，進一步改善和提高其認知健康水平刻不容緩。因此，本文通過綜述相關研究發現，有氧運動不僅能提升肥胖青少兒的體質健康，還能顯著改善其認知能力。其改善機制可能是由于體力活動改善中樞神經系統中BDNF、IGF-1和VEGF的表達及腦結構的適應性變化。未來的研究應加強對不同運動類型對認知能力影響及其影響機制的研究，以期促進青少兒生理與心理健康發展。

關鍵詞：有氧運動;肥胖;青少兒;認知功能

1 前言

目前，青少年兒童超重已成為健康問題，且青少兒時期是認知功能發展的黃金階段，此階段是大腦對外界環境刺激最敏感的時期，體重指數增加與腦容量減少密切相關，肥胖患者可能存在輕微的腦部萎縮，同時可能存在認知功能下降，而通過健身運動這樣的外在刺激能對認知功能帶來顯著影響。世界衛生組織指出，超重和肥胖是全球引起死亡的第五大風險，全球每年“胖死”的人至少達280萬人。越來越多的研究揭示，當前這種典型的久坐不動、身體活動不足的生活方式正是導致代謝失調、肥胖、II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”。因以，為了推動兒童健康教育的發展，提高兒童體質水平，本研究從兒童青少年肥胖導致的認知損傷、有氧鍛煉干預提高兒童認知能力與體力活動對兒童青少年認知功能影響的機制三方面對現有的文獻成果進行綜述。

2 青少兒肥胖與認知能力關系

最近一期The Lancet Neurology發表了一篇標題為《肥胖對神經的影響》的綜述，明確指出肥胖對中樞神經系統（包括腦和脊髓）的不良影響（如表1），尤其是對大腦認知功能影響顯著，并引用了130篇前瞻性研究成果證實肥胖增加輕度認知障礙風險，這一作用不受年齡限制。認知是人類心理活動的一種，是指個體認識和理解事物的心理過程，在處理日常生活中的事件起著至關重要的作用，其包含了知覺、注意、學習、記憶、問題解決等子功能。認知功能可以根據信息加工流程及其任務范式的復雜程度區分為基本認知功能與高階認知功能。

2.1 肥胖對青少兒基本認知功能的影響

基本認知功能是用以描述簡單反應作業層面的認知功能。Flanker任務是用以測試人類認知功能的心理學實驗范式，廣泛應用于心理學研究中。該任務含有一致刺激條件與不一致刺激條件。一致刺激條件為簡單任務，要求被試進行選擇反應判斷（對5個方向一致的箭頭進行左/右方向的選擇），反映基本認知功能;而不一致刺激條件為復雜任務，反映高階認知功能，要求被試在左右各有2個與目標刺激方向相反箭頭的干擾下，辨別出目標刺激箭頭的方向，該過程包括抑制優勢反應，抵抗令人分心的或擾亂性的競爭性刺激，選擇正確合適的反應。解淳等為了探究肥胖青少年的認知特點，從上海某減重訓練營招募了37名青少年作為肥胖組（BMI指數大于28 kg/ m2），從上海某中學隨機抽取26名正常體質青少年作為對照組（BMI指數介于18至24 kg/m2）進行改編版的Flanker任務測試。結果發現，在一致測試條件下，肥胖組的反應時顯著低于正常組，且BMI越高基本認知功能越差，BMI與認知功能呈中等程度的負相關。此研究反應出與正常兒童相比較，肥胖兒童的基本認知功能更差。

2.2 肥胖對青少兒執行功能的影響

執行功能功能是屬于認知能力的一項高階認知功能，它包括工作記憶、抑制、敏感度與注意力等。該系統可以塑造多重認知和整個壽命的行為結果，包括特定的學術技能、智商（IQ）分數和總體學校成就。中心EF技能包括工作記憶，問題解決，設定轉移，抑制控制，靈活思考和計劃。這些技能在幼兒時期迅速出現，在兒童后期和青少年時期繼續發展。執行功能除了會影響簡單的學術知識之外，對于培養兒童在取得其他方面的成功也至關重要。有學者對神經認知功能、兒童肥胖和肥胖相關行為進行文獻梳理回顧發現，肥胖兒童與健康體重的同齡人相比，肥胖兒童表現出執行功能缺陷，特別是在對自身行為的抑制能力方面，同時肥胖兒童的執行功能缺陷是健康同齡人的兩倍。此外，肥胖可能通過調節食欲的激素和脂肪組織的產物影響執行功能。有專家研究發現，為了調節飽腹感和食物攝入而分泌的多種激素在肥胖的情況下會發生改變，包括在兒童人群中，并且這種改變會影響認知。胃內產生的饑餓素通過向下丘腦發出信號以增加食物攝入量來誘發饑餓，而低血清胃饑餓素則與肥胖相關，肥胖人群的血漿饑餓素水平比消瘦人群低。實驗動物模型顯示胃饑餓素激活通過影響學習和記憶相關的海馬區域進而影響執行功能。

綜上所述，肥胖兒童青少年無論在基本認知功能還是在高階認知功能兩種認知層面都比正常體質的兒童青少年更加弱勢。同時，個體越肥胖對認知功能的傷害就越大。

3 有氧鍛煉對青少兒認知功能的影響

運動不僅可以改善身體素質，降低肥胖青少兒的體重，還有利于心理健康，提高認知水平?！读~刀》精神病學分刊最近刊發了一篇涉及120萬人的研究，分析不同的運動對精神健康的影響程度。研究結果顯示，一周3-5次，每次60分鐘的運動可以提升大腦轉移注意、集中注意力的能力、降低心血管疾病死亡風險;此外，Sardinha研究發現，健康和低脂的兒童青少年與不健康、高體脂的兒童青少年相比，健康和低脂的青少年在語言和數學上取得更高的學業成績的機率更高些，但心肺健康水平通常用有氧能力表征，即最大攝氧量VO2max或峰值攝氧量 VO2 peak）和肌肉力量的增強可以減弱甚至抵消肥胖對在兒童青少年的學術成就的不良影響。因此，本文僅從不同時長方面綜述有氧運動對兒童認知能力的影響。

3.1 急性有氧運動對青少兒執行功能的影響

急性有氧運動又稱短時運動、一次性運動，指持續時間在10～60分鐘左右的、以有氧代謝提供能量的一次運動。有研究發現，急性有氧運動對兒童青少年認知功能具有正向效應。如陳愛國，趙莉，李煥玉（2014）等以揚州市某小學四年級學生為研究對象。依據籃球運球強度分為小強度組、中等強度組、大強度組和對照組，使用Flanker任務、1-back任務、More—oddshifting任務全面評價1次30min籃球運球訓練干預試驗前后小學生執行功能的抑制、刷新和轉換3個子功能的變化，結果發現1次30min不同強度籃球運動訓練對小學生執行功能均具有積極影響，但效果存在差異，中等強度籃球運動訓練對小學生執行功能改善效果最好。陳愛國，殷恒嬋，王君（2011）等為探究短時中等強度有氧運動對兒童執行功能腦激活模式的影響，從腦系統的角度揭示短時中等強度有氧運動影響兒童執行功能的腦機制，其結果顯示，一次30min左右的短時中等強度有氧運動對兒童執行功能產生積極的改善效應且能使兒童執行功能腦激活模式發生變化，具體表現為兒童執行功能腦激活模式中的雙側額上回、雙側額中回、雙側項上小葉和左側頂下小葉激活程度增加，左側前扣帶回激活減弱。

3.2 長期有氧運動對青少兒學習記憶的影響

長期低強度、中等強度、高強度的有氧運動均能顯著提高兒童青少年學習記憶能力。如CHANG等將6-8歲兒童分為中強度運動組和低強度運動組，分別進行為期8周的足球訓練，結果發現，兩組的作業發現均有顯著進步（反應時減少，正確率提高）且不存在組別差異;同時研究結果還顯示，不論強度如何，為期8周、訓練頻率為2次/周、訓練時間為35min/次的足球訓練皆能有效提升兒童的反應抑制。DAVIS等將7～11歲超重、坐式生活兒童隨機分為高運動量有氧運動組、低運動量有氧運動組及控制組，進行為期3個月的隨機對照實驗發現，與不參加運動的控制組相比較，干預組的執行功能、數學成績顯著高于控制組。

此外，動物實驗研究也從生理學與行為學角度為長期有氧鍛煉可以提高兒童青少年認知能力的觀點提供了支持性證據。

4 體力活動對青少兒認知功能影響的機制

4.1 體力活動改善中樞神經系統中BDNF、IGF-1和VEGF的表達

腦源性神經營養因子廣泛分布于神經系統中，是對神經起重要調節作用的蛋白，它可以增加突觸可塑性（學習記憶活動細胞水平的生物學基礎）以及促進神經發生，尤其是海馬（人體記憶系統）的神經發生，在體育鍛煉促進認知能力的過程中起到促進作用（如圖1）。而BDNF介導神經元的形成過程中，受到胰島素生長因子和血管內皮生長因子的共同作用。BDNF人體試驗表明，運動具有改善BDNF、IGF-1和VEGF的作用。一次體育鍛煉，無論是有氧運動還是抗阻運動，都能即刻促進循環血液中BDNF、iGF-1或VEGF水平的增加，但運動后一段時間，這些因子恢復到原有水平。諸多研究發現，一次性運動后，BDNF、IGF-1、VEGF恢復到原有水平的時間和程度不同，這可能是由于運動強度、類型以及個體身體差異所造成的。長期運動可以不同程度提高BDNF、IGF-1和VEGF的水平，且三者內部之間也密切相連。Ding等通過在海馬區內部注射抗IGF-1，發現空間回憶的能力減弱，抗IGF-1阻斷了運動誘導激活鈣調蛋白激酶II以及促分裂原活化蛋白激酶，減弱了運動誘導突觸蛋白I的形成。此外，阻斷IGF-1信號也就阻止了運動誘導海馬區BDNF的應答，減弱了運動誘導突觸蛋白的表達，下調了TrkB信號，阻斷了運動對現存神經前體細胞的促進作用。BDNF通過激活LTP的信號重要轉導通路-MAPK通路，進而促進突觸可塑性，可能是增強學習和記憶的直接的內部機制。

4.2 大腦結構適應性變化

體力活動引發的細胞和突觸的變化將帶來大腦宏觀尺度的變化。影像學的研究表明，體育鍛煉能夠對人類運動相關腦區的結構產生影響。Ji等的研究發現，6周的有氧運動能夠提升老年人手部運動皮層、紋狀體和小腦的灰質體積。由于紋狀體可能和體育運動過程中的中央執行功能（如，注意和加工運動相關的信息）相關，且小腦和運動中的動作習得和精確化相關，因此可以推測體育鍛煉能夠通過改變大腦結構促進個體運動相關的認知能力。除了運動相關的腦區，體育鍛煉也能夠對海馬和新皮層等腦區的結構產生影響。一些研究利用彌散張量成像技術，對腦白質纖維束的體積進行估計，結果發現有氧訓練能夠使海馬體積提升2%～16%。此外，一些研究利用體素形態學分析法，在全腦水平對體素類型做判斷，結果發現6個月的有氧訓練和拉伸訓練均能提升老年人大腦灰質和白質的體積，降低背側前扣帶皮層、背外側前額葉皮層、左側顳葉和頂葉區域腦組織的流失速率。Chaddock-Heyman L等就有氧運動引起海馬體積增大進行了系統深入研究，發現兒童中有氧能力高均引起基底神經節體積 等白質微結構、額葉前皮層、上額皮質、顳上區和枕葉外側皮質的灰質厚度、血管增生和微循環等適應性變化。因此，基于多種形式的研究表明，體育鍛煉能夠通過改變大腦結構促進認知功能。

5 結論與啟示

5.1 結論

通過回顧基于有氧鍛煉對肥胖青少兒認知能力影響研究，可得到如下結論：肥胖青少兒在基本認知功能及高階認知功能方面都顯著低于正常體脂的青少兒，呈現出肥胖對認知功能的負面影響;而有氧鍛煉作為一種健康、有效的干預方式，可以降低肥胖青少兒的體脂水平，改善身體健康;同時，有氧鍛煉在改善青少兒體質健康的同時還能提高其認知水平，促進其健康成長。通過綜述發現，有氧鍛煉對兒童執行功能及記憶能力的改善相關研究最多，且結論都呈現積極效應。

5.2 啟示

但此類研究依然存在以下問題：①研究的運動類型過于單一相關研究多集中在有氧運動單一運動類型，僅有少量研究探究阻力運動、靈敏運動等其他類型運動對兒童認知功能的影響。②運動“劑量效應”尚不明確，多數研究在實驗過程中缺乏多種“劑量效應”的變量，未設置運動強度對比，無法全面了解何種強度的運動能使認知提高達到最大化。③研究所用的運動處方因人而異，差異較大，所聚焦的認知功能也不盡相同。因此，建議研究擴大運動類型，并進一步對運動類型進行細分，如體能性鍛煉與技能性學習對肥胖青少兒認知健康的影響;規范實驗變量，針對身體活動強度進行明確界定與分級;明確認知功能所屬子功能，加強研究的針對性;進一步探討身體活動對肥胖青少兒認知功能的影響機制。

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作者簡介：唐惠君（1997—），女，土家族，湖北恩施人，體育學碩士，研究方向：兒童青少年體質健康與運動干預。

（作者單位：武漢體育學院研究生院）