不同運動方式對甲基苯丙胺依賴者食物獎賞功能的改善作用：一項近紅外功能成像研究

劉佳寧，王瑩瑩，周 宇，陳一凡，周成林

藥物依賴是一種慢性復發性腦疾病。長期使用成癮性藥物會導致個體的大腦結構和功能發生永久性衰變（Wang et al.，2019），致使成癮個體無法作出合理的行為計劃和決策，并常常伴隨強迫性的覓藥行為（陳一凡等，2019）。截至2018年底，全國共有藥物依賴人員240.4萬名，其中，甲基苯丙胺（methamphetamine，MA）依賴者135萬名，占56.1%，成為“頭號毒品”（中國戒毒網，2019）。MA作為一種中樞神經系統興奮劑，可以使個體產生欣快感，長期使用可誘發神經精神并發癥，如偏執狂、昏迷、中風，甚至死亡（Freese et al.，2002；Maglione et al.，2000）。研究發現，MA濫用能夠損傷人類的大腦神經元（Barrett et al.，2001）和認知功能（Kamei et al.，2006），即使在藥物戒斷期，認知損傷仍然存在（Zhou et al.，2019）。因此，如何改善MA依賴者的大腦功能和認知損傷是該領域的研究重點之一。

研究表明，藥物濫用主要會損害大腦的獎賞回路功能（Gradin et al.，2014；Zhou et al.，2019）。大腦的獎賞系統是誘發欲望行為的一組神經結構（Schultz，2015），正常情況下，誘發的刺激包括可以促進自身和后代生存的初級獎勵（包括食物和性）、由于快樂激發的內部獎勵，以及金錢、比賽等帶來的外部獎勵（Duarte et al.，2017；Schultz，2015）。功能性腦成像技術發現，由這些自然誘發刺激直接引起的獎賞感受主要源于大腦前額葉皮層、杏仁核復合體、海馬以及伏隔核等腦區，構成了獎賞系統，其主要功能是讓人們體驗幸福愉快的感覺，這有利于人類的生存和繁衍（Van Hell et al.，2010）。Kalivas等（2005）認為，中腦多巴胺能神經系統在急性獎賞和成癮的早期階段起主要作用，而成癮的后期主要是由于內側前額葉與眶額皮層投射到伏隔核的谷氨酸能神經通路發生了適應性改變，進而導致自然獎賞價值的降低，削減渴求狀態下中樞的認知控制，加強機體對藥物相關刺激反應時谷氨酸能神經元的驅動，最終引發強迫性覓藥行為（郝悅等，2007）。Huhn等（2019）采用功能性近紅外光譜技術（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS），考察了阿片類藥物依賴者決策過程中前額皮層的活動與90天內毒品使用情況的關系，結果發現，右側背外側前額葉皮層的活動與持續使用毒品有關。因此，本研究認為，獎賞系統內腦區功能的損傷會直接導致藥物依賴者對藥物相關信息的反應更加敏感，對自然誘發刺激的反應減弱（Volkow et al.，2011；Zhou et al.，2019）。楊玲等（2017）提出，藥物依賴者的這種獎賞失調是個體對成癮藥物產生依賴的重要原因之一。也有研究發現，藥物依賴者在停止使用成癮性藥物數月后，其獎賞環路紋狀體內多巴胺的釋放量減少，進一步導致對自然誘發刺激的敏感性降低（Zhou et al.，2019）。因此，提高藥物依賴者對自然-非藥物獎賞的敏感性是干預治療的重要靶點之一。食物，作為人類的必需品，可作為重要的自然獎賞物用于評估藥物依賴者獎賞系統的功能（Czoty et al.，2016；Negus et al.，2013；Zhou et al.，2019）。

研究者在探尋改善MA依賴者食欲和腦功能損傷的過程中發現，有氧運動是行之有效的干預手段之一（Klingberg，2010），科學的有氧運動能夠有效抑制藥物渴求（陳一凡等，2019），改善MA依賴者的認知功能（王艷秋 等，2015；Zhou et al.，2019）。在該研究領域，學者們主要針對運動強度對藥物依賴者的康復效果展開了大量研究，均一致證明了具有合理運動強度的有氧運動能夠有效改善藥物依賴者的不良癥狀（Wang et al.，2015，2016；Zhou et al.，2019）。如陳一凡等（2019）探究了不同強度急性有氧運動對MA依賴人員前額皮層活性及其執行控制能力的影響，發現相比中等強度，35 min的高等強度有氧運動能夠有效降低MA戒斷者的藥物渴求度。還有研究發現，中等強度的急性有氧運動能夠降低MA依賴者的藥物渴求度，并提高對毒品的抑制控制能力（Wang et al.，2015，2016）。以上研究結果表明，中高強度的急性有氧運動能夠降低MA依賴者對藥物相關刺激的獎賞感受，那么，是否會同時伴隨對非藥物-自然獎賞，尤其是食物獎賞的敏感性提高呢？研究發現，中等或高強度的有氧運動能夠影響個體對食物的獎賞感受（Crabtree et al.，2013；Evero et al.，2012）。根據脂肪含量，高脂和低脂食物對人們獎賞系統的誘發程度是不同的，相比低脂食物，高脂甜食往往具有更佳的口感和風味，能夠顯著誘發正常個體獎賞系統的反應（鄭明靜等，2015）。基于此，本研究重點關注MA依賴者對高、低脂食物刺激敏感性的差異是否會受到運動干預的調節，進而更加全面地揭示有氧運動對MA依賴者食欲的影響，以及探究獎賞系統的恢復情況。

隨著運動戒毒研究的不斷展開，除了運動強度以外，運動方式也開始受到研究者們的關注。一些身心活動，如太極拳、瑜伽等對藥物依賴者的戒斷癥狀、情緒狀態有著顯著的改善作用（Li et al.，2013；Zhuang et al.，2013）。也有研究發現，與舞蹈相似的健身操可以改善藥物依賴者的軀體功能、柔韌性、心肺功能（耿敬敬等，2016），甚至對毒品刺激的注意抑制功能也得到了顯著提升（呂園欣等，2019）。然而，不同類型的運動方式對女性MA依賴者食欲和獎賞系統的康復效應仍有待深入。

綜上所述，本研究在已有文獻基礎上，探究不同有氧運動方式對MA依賴者食欲和獎賞系統功能的改善作用。采用中等強度的有氧功率自行車與舞蹈運動作為干預手段，比較運動前后MA依賴者食欲和腦功能的變化，并假設中等強度的功率自行車運動效果明顯，具體表現為自行車運動后MA依賴者對食物圖片的敏感性提高，獎賞系統腦區的功能增強。

1 實驗對象與方法

1.1 實驗對象

從浙江莫干山女子強制隔離戒毒所篩選39名處于教育矯治期的女性MA依賴者參與本次實驗。篩選標準為：1）年齡在18～35歲；2）當前處于監禁狀態，并經歷了3個月以上的強制戒斷康復；3）根據DSM-IV診斷標準為MA依賴者，排除其他物質（如大麻、海洛因和可卡因等）共用依賴；4）無精神病史、腦部創傷及酒精依賴等影響大腦結構或功能的疾病，近期未服用精神類藥物；5）文化程度在小學及以上；6）右利手；7）戒斷次數小于2次。所有被試均知曉實驗任務，并簽署知情同意書。本實驗通過上海體育學院倫理委員會批準。

將被試隨機分為舞蹈運動組（20人）和功率自行車運動組（19人），采用獨立樣本t檢驗對兩組被試的基本信息進行對比。結果顯示，年齡、復吸次數、吸毒年限、體質量、身高、體質量指數（BMI）及受教育年限均無顯著性差異（P＞0.05）。

1.2 實驗任務

本研究包含2個實驗任務：利茲食物偏好問卷和食物圖片線索范式，分別從行為層面和大腦血氧激活層面反映對食物刺激的敏感性和獎賞系統的功能。

1.2.1 利茲食物偏好問卷

利茲食物偏好問卷（Leeds food preference questionnaire，LFPQ）是一個經過驗證的、且基于計算機的行為程序，使用實驗軟件（E-prime v.2.0，心理學軟件工具，ND）編寫（Zhou et al.，2019）。50幅食物圖片選自付費圖片庫網站（https：//www.58pic.com/tupian/shiwutupian.html）（Zhou et al.，2019）。要求被試對食物的甜味強度（從不甜到甜）和感知脂肪含量（從低脂到高脂）進行7級評分。并采用單樣本t檢驗，將被試的平均反應均值與參考均值進行比較，高糖高脂組參考值為6，低糖低脂組參考值為2。

LFPQ提供了對一系列食物圖片的內隱渴望、外顯喜歡和相對偏好的測量。這些食物圖片根據食物脂肪含量和口味被分為四類：高脂咸（HFSA）、低脂咸（LFSA）、高脂甜（HFSW）和低脂甜（LFSW），共有16種不同的食物（表1）。

表1 任務中使用的圖片食物刺激Table 1 Food Images Used in the LFPQ

1）內隱渴望和相對偏好。在迫選范式中，在一系列成對食物試驗中，每一幅食物圖片都與其他圖片隨機呈現在一起。要求被試每次選擇“現在更想吃的食物”。一共96組隨機食物對試驗，每個刺激出現12次。直到一個有效的反應被檢測到，反應時在500～4 000 ms，才會進入下一組食物選擇。每組之間有短暫的十字加號間隔。每個食物類別的標準化內隱渴望得分被計算為選擇食物類別時的平均反應時，并根據對每個食物類別的選擇頻率進行校正（Dalton et al.，2014）。在內隱渴望測試中，得分為正數的人，相對于任務中的其他選項，對給定食物類別的選擇更為迅速；得分為負數的人，則表示相反的情況。此外，還測量了在每個類別中進行選擇的頻率（可能的范圍為0～48），這顯示了食物類別之間的相對偏好。

2）外顯喜歡。同迫選任務中的16種食物圖片相同，每次呈現一種食物刺激，并通過100 mm的VAS評分來評定（100 mm為VAS評分標尺呈現在電腦屏幕上的總長度），VAS的兩端分別以“一點也不”和“非常”為基準。研究對象被提示回答：“現在品嘗一口這種食物會有多愉快？”每個食物刺激下都有VAS顯示在屏幕上，被試用鼠標沿移動光標在量尺不同位置進行選擇，以表示其喜愛程度。評分完成后，自動按照隨機順序循環到下一個圖片刺激。

1.2.2 食物圖片線索任務

采用fNIRS技術，記錄被試觀看一系列圖片過程中的大腦激活情況。圖片包括食物圖片和非食物圖片（控制圖片）。非食物圖片由具有相似視覺形狀、紋理和顏色（如樹木、灌木、花朵等）的圖片組成。食物圖片包括低脂食物圖片和高脂食物圖片。低脂食物圖片包括新鮮水果和蔬菜、全麥谷物、沙拉等。高脂食物圖片包括漢堡、炸薯條、冰淇淋、巧克力等。每組包括10張圖片刺激，每張圖片呈現3 s，每組刺激之間以由10 s十字注視點分隔，整個任務持續240 s，如圖1所示。

圖1 食物圖片線索任務流程圖Figure 1.Schematic Representation of the Visual Food Cue Task

在完成食物圖片線索任務過程中，采用NIRScout近紅外腦功能成像系統，記錄被試任務期間局部腦區的血氧動力學信號。根據10-20系統法和人腦生理解剖結構佩戴fNIRS光極帽。使用8×7布局，包括8個發射器和7個探測器，對稱分布在前額葉。一個發射器和一個探測器之間的連線代表一個通道，共計形成20個通道。采樣頻率為7.81 Hz。

1.3 運動干預和實驗流程

對所有被試進行為期10周、每周2次的運動干預。具體運動干預方案如下，舞蹈組：進行舞蹈康復操運動30 min，保持峰值心率在65%～75%最大心率（監測峰值心率）；功率自行車組：首先熱身5 min，之后完成中等強度運動30 min，期間心率持續控制在65%～75%最大心率，最后拉伸整理運動5 min。

在10周運動干預前后分別進行問卷和圖片線索任務測試，這兩項任務順序在被試間進行了平衡。要求被試在測試前24 h內不進行劇烈運動或飲酒。在測試前2 h，禁止飲用含熱量或咖啡因的飲料。

1.4 數據分析與統計

1.4.1 近紅外數據分析

使用基于 Matlab（Mathworks Natick，MA，USA）的Homer 2軟件（MGHMartinos Center for Biomedical Imaging，Boston，MA，USA）對fNIRS數據進行處理。0.5 s內檢測到信號變化超過10%標準差被記為運動偽影，并采用小波濾波來檢測和去除這些偽影。之后，使用頻率為0.01 Hz的高通濾波器去除基線飄移，使用頻率為0.1 Hz的低通濾波器減少心跳、呼吸、血壓和皮膚血流信號的影響。利用改進的比爾-伯朗定律計算氧合血紅蛋白濃度（oxyhemoglobin，HbO）的變化。隨后對各條件下所有試次的HbO數值進行平均，得到20個通道在單位時間內每個采樣點的HbO均值。各通道在前額葉皮層對應位置如下（表2）：左側腹外側前額葉皮層（ventrolateral prefrontal cortex，VLPFC）包括通道 1、3、4，右側 VLPFC包括通道18、19、20，左側背外側前額葉皮層（dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC）包括通道2、5、7、8，右側DLPFC包括通道9、10、14、15、17、前額極皮層（frontopolar，FPA）包括通道6、12、16，以及眶額皮層（orbitofrontal cortex，OFC）包括通道11、13。

表2 各通道在前額葉皮層對應位置Table 2 Each Channel Corresponds to the Prefrontal Cortex

1.4.2 統計分析

使用IBM SPSS for Windows（芝加哥，伊利諾斯州，第20版）進行統計分析。對于利茲食物偏好問卷結果，采用雙因素重復測量方差分析，以組別（舞蹈、功率自行車）為組間變量，以前后測為組內變量，分別對4類食物圖片的反應進行2組別×2前后測的重復測量方差分析。

對于fNIRS結果，分別對高、低脂食物圖片誘發的HbO進行2組別×2前后測的重復測量方差分析。事后檢驗主要通過Bonferroni校正以確定是否存在顯著差異。除另有說明外，數值以平均值±標準差表示。P＜0.05為差異有統計學意義。

2 實驗結果

2.1 運動干預對MA依賴者食物偏好的影響

以被試對4類食物的相對偏好、內隱渴望和外顯喜歡為因變量，分別進行2×2的方差分析。結果發現，無論是舞蹈組還是功率自行車運動組，對于相對偏好，組別、前后測主效應以及二者的交互作用均不顯著（P≥0.236）；對于內隱渴望，組別、前后測主效應以及二者的交互作用均不顯著（P≥0.312）；對于外顯喜歡，組別、前后測主效應以及二者的交互作用均不顯著（P≥0.165）。這一結果表明，不同有氧運動方式對MA依賴者食物的喜好影響較小。

2.2 運動干預對MA依賴者大腦獎賞系統功能的影響

以被試對不同種類食物誘發的各腦區HbO值為因變量，分別進行2×2的方差分析。結果發現，在觀看高脂食物圖片時，DLPFC的HbO前后測主效應顯著（F（1，37）=8.844，P=0.005），即干預后的HbO相比于干預前顯著增加（圖2）。另外，組別和前后測交互作用顯著（F（1，37）=6.338，P=0.016），經簡單效應檢驗發現，功率自行車組后測誘發的HbO顯著高于前測（P＜0.001），而舞蹈組干預前后HbO無顯著差異（P=0.746）。在觀看低脂食物圖片時，組別、前后測以及二者的交互作用均不顯著。

圖2 運動干預前后兩組右側DLPFC血氧變化值Figure 2.HbO Changes of Right DLPFC in pre-test and post-test Groups

3 討論

本研究采用fNIRS技術，通過比較功率自行車運動和舞蹈運動對MA依賴者食欲和大腦獎賞系統功能的影響，探究不同有氧運動方式對MA依賴者食物獎賞功能的改善作用。結果發現，相比于舞蹈運動，功率自行車運動干預能夠有效提升MA依賴者前額葉皮層的激活水平，從而有利于恢復其對食物等自然獎賞物的敏感性。

本研究發現功率自行車運動可有效提高MA依賴者對高脂食物刺激誘發的右側背外側前額葉皮層的激活水平。藥物依賴對大腦額葉腦區功能和結構的損害已經得到廣泛證實（Jones，2013；Lyoo et al.，2006），而合理的有氧運動能夠改善大腦損傷（周躍輝等，2016），并且對各個年齡段的健康群體以及腦中風、抑郁癥等慢性腦疾病患者均具有顯著的康復和預防效果（Smith et al.，2010）。陳愛國等（2011）發現，單次30 min、中等強度的有氧運動干預后，兒童的雙側額上回、額中回等腦區的激活水平增加。Monroe等（2020）發現，20 min中等強度的有氧自行車運動能夠改善吸煙群體背外側前額葉皮層的功能。本研究結果與上述研究結果基本一致，中等強度的功率自行車運動可以提高額葉腦區的功能，因此，對于藥物依賴人群受損的獎賞系統內前額葉腦區功能同樣能夠產生積極的影響。從生理機能角度，運動與成癮性藥物帶來的欣快感具有相似性，二者共享同一個獎賞系統（Kanarek et al.，2009）。運動時大腦和身體都會產生內源性大麻素和內啡肽，這些物質能夠降低外源性成癮藥物對機體的不良刺激（Arida et al.，2015），改變神經遞質的釋放（尤其是多巴胺），影響它們在中樞和外周血液中的水平，起到欣快和獎賞感受，從而改善大腦神經環路的功能（Anderson et al.，2013；Brené et al.，2007；Landolfi，2013；Tantimonaco et al.，2014）。運動的這種效果可能是抵抗外源性成癮藥物對機體損害的關鍵手段之一。

目前已有研究關注運動對藥物依賴者的康復效果。研究發現，中等強度的急性有氧運動可以降低MA依賴者的藥物渴求度，提升對藥物的抑制控制能力（Wang et al.，2015，2016）。結合本研究發現的功率自行車運動康復效益，表明該運動方式能夠有效改善大腦食物獎賞腦區的功能。然而，本研究未發現舞蹈運動對MA依賴者的康復效益。基于多數文獻發現，中等以上強度的有氧運動效果最佳，因此，中等強度的功率自行車運動能夠有效提升MA依賴者獎賞系統腦區的激活，而由于舞蹈運動特性，在干預過程中無法嚴格控制其運動強度始終持續保持在中等強度范圍內，致使沒有達到同等時間內中等強度積累所產生的運動效益。由此，我們建議，雖然舞蹈運動的趣味性和節律性高于功率自行車等單一的有氧運動方式，但要想達到同樣的運動效益，仍需要保證至少持續30 min中等強度的運動負荷。

目前一致認為，背外側前額葉皮層在多種涉及注意資源參與的認知功能中均占有重要作用，如工作記憶、執行功能、注意、決策、推理和問題解決等（Barbey et al.，2009；Curtis et al.，2003；Fan et al.，2005；Goel et al.，2004；Heekeren et al.，2006）。因此我們認為，研究結果顯示的背外側前額葉皮層激活增強反映了MA依賴者對高脂食物圖片投入的注意資源增多，經過10周的功率自行車運動干預后，MA依賴者傾向于對非藥物-高脂食物刺激投入更多的注意資源，從一定程度上可以說明對高脂食物圖片的敏感性增強了。本團隊前期研究也證實，前額葉皮層功能與藥物依賴情況和食物獎賞功能顯著相關，該腦區能夠反映藥物依賴者對藥物和食物刺激的反應，以及對藥物的執行控制功能，是衡量藥物依賴者認知功能康復的重要腦區（Wang et al.，2019）。

另外，本研究未能發現兩種運動方式對MA依賴者食物內隱偏好和外顯喜歡的顯著影響。雖然在大腦食物獎賞功能上發生了干預前后的顯著改善，但從行為上并未表現出明顯的變化。也就是說，即使MA依賴者經過功率自行車運動干預后，對高脂食物刺激的注意資源投入增多，但并沒有對其產生喜好的情緒。可能解釋是，功率自行車運動恢復了MA依賴者針對高脂食物帶來的生理需要層面的滿足，表現為更注意高脂食物，但更高層次的喜好情緒還未得到完全恢復，無法表現出干預前后的顯著變化。另一種解釋可能是，行為測試受被試當下狀態的影響更大，社會評價、情緒狀態等因素會影響被試的主觀判斷，而大腦激活水平屬于相對客觀的指標，能夠更加真實的反映運動干預效果。今后的研究可對此做進一步探究，深入揭示運動改善藥物依賴者食物獎賞功能的具體認知加工過程。

4 結論

本研究揭示了不同類型有氧運動對MA依賴者食物獎賞功能的改善作用，功率自行車運動能夠有效提高MA依賴者背外側前額葉皮層的激活水平，從而有利于恢復其對食物等自然獎賞物的敏感性，對加快由藥物依賴造成的大腦損傷的康復起著積極的促進作用。