身體活動與大腦關聯的研究

王亞卓

身體活動與個人身體健康水平息息相關，不同的生活方式可能與某些慢性疾病的發生有關。身體活動作為一個重要媒介，科學家們可以從許多角度來研究不同身體活躍程度與大腦健康之間的關聯。本文綜述了身體活動與大腦結構和功能的研究，從腦成像技術的視角，對近5年來不同身體活躍度對腦的可塑性研究進行歸納與總結，探索不同群體的不同體力活動水平對腦的可塑性變化。低體力活動水平會對大腦結構產生不利影響，中、高體力活動水平有利于大腦健康，改善大腦認知功能，減少阿爾茨海默氏癥等與腦結構相關的疾病的發生。人們有必要保持一定的身體活躍度來保持大腦的健康水平。

1 引言

1.1 身體活動（PA）

根據世衛組織的定義，身體活動是指由骨骼肌肉產生的需要消耗能量的任何身體動作，它的定義與“體育活動”“運動”和“身體適應性”的概念有內涵和外延相互交融的部分，因此難以嚴格區分。對于身體活躍度的評估，以往的研究采取了各種各樣的評估方式，常見的量表有國際體育活動問卷（IPAQ），塔爾圖體育活動問卷（TPAQ）以及來自特定領域沖動（DSI）量表的非活動量表，常見的方式是計步器測量身體活動。研究表明上述三種量表對于身體活躍度的評估皆有局限性，同時也有研究表示，IPAQ-SF和計步器均可測量身體活動程度，但在超重和肥胖的婦女中，兩種方法的一致性存在差別?？紤]到上述研究群體的局限性，具體使用哪種身體活動水平評估方式還有待思考。以往大量研究證明，身體活動對個人身體健康水平具有重要影響。在老年人身體活動強度對患慢性疾病的影響研究表明，達到英國的身體活動準則對老年人的要求（在一周時間內高等強度身體活動至少150min）老年人患有慢性疾病的幾率更小。另一項研究表示，對于男性，缺乏運動會與心臟病、癌癥和慢性阻塞性肺疾?。–OPD）相關。

1.2 大腦（Brain）

大量科學家采用多種方式，針對身體活動對腦的影響展開了研究。Catherine Foster等對有氧健身對健康大腦中腦血管功能的影響展開了橫斷面研究。Tobias Engeroff等證實老年人保持一定的身體活動可以保持良好的認知功能和大腦神經元結構的完整性。Hiroyuki Shimada等研究發現運動可以增加大腦特定區域的活動，如對照組的丘腦前皮質和內嗅皮質會相對增加，為進一步研究運動和大腦代謝活動關系提供基礎。此外，低身體活躍度的生活狀態會對大腦產生可塑性影響，如久坐行為可以導致小腦灰質體積較低，進而影響智力。由此，我們可以得出結論，大腦結構和功能可根據身體活動的影響而具有可塑性。

1.3 磁共振成像（MRI）

從人類開始探索腦以來，腦科學技術不斷發展，較為常見的有近紅外光譜技術（NIRS）、事件相關電位技術（ERP）、腦電圖（EEG）、磁共振成像技術（MRI）等。MRI成像技術能提供更大的信息量，無電離輻射，對人體無不良影響，因此對疾病的診斷和人體結構的影響觀察具有很大的明顯優越性。腦成像技術的發展具有悠久的歷史，無創成像技術通過提供正常和病理的腦功能成像，其發展極大地促進了人類對腦功能的研究。當前這些成像技術主要包括功能磁共振成像（fMRI）、彌散張量成像（DTI）和動脈自旋標記（ASL），腦成像技術增加了我們對人體運動和對應腦區域專業化的理解。

總而言之，類似于根據有氧運動、不同運動方式、運動強度等來探討身體活動對腦功能和結構的影響很多，但迄今為止尚未有研究根據IPAQ量表定量分析身體活躍度對腦機制的影響。針對當前的問題，本綜述對國內、外關于身體活躍度與腦機制的研究文獻進行分類和分析，嘗試著綜合不同文獻對身體活躍度不同的評估方法，以解決以下問題：①不同身體活動強度“高”“中”“低”，與腦的可塑性之間的關系;②身體活動對腦不同功能區和結構的影響;③不同身體活動類型與腦結構的關系。

2 身體活動度對腦結構的影響

2.1 低體力活動水平對腦的影響

劉超在2018年采用ERP技術比較分析了不同體力活動水平大學生的ERP成分P300潛伏期和波幅的差異性，其研究顯示高、中、低三種體力活動水平的大學生區、中央區、枕區和頂區潛伏期無明顯差異，但是低體力活動水平組頂區電極點P3、P4、PZ潛伏期明顯低于中、高兩組。Tan，ZaldyS在研究一個社區的老年人長達十年的體力活動與腦部MRI標記之間的關系發現，低體力活動與大腦海馬總體積降低相關，同時將會使老年個體患癡呆癥的風險增加。以上研究由于其受樣本量制約，其研究結論并非具有代表性，在探究低體力活動水平對腦的影響問題時還應了解采用不同樣本時的研究結果。

George Lazaros在使用IPAQ探究PA與頸動脈粥樣硬化的關系時，同樣地按體力活動水平進行分組。在其分組中低體力活動水平組有較長時間的久坐行為（SB），我們可以推測久坐行為對于低體力活動水平具有一定的代表性，因此我們將探究久坐行為對腦的影響。

以下結論針對不同群體SB對大腦的影響。不同于以往采用主觀測量標準評估SB對認知功能的損害，Engeroff T等采用客觀的大腦健康相關生物標記物評估標準，發現認知健康的老年人的腦源性神經營養因子（BDNF）與久坐時間呈負相關，從而損害認知健康。Zavala-Crichton JP在2020年發表的一文章顯示了肥胖兒童久坐行為與大腦結構和智力的關聯，其結果表明長時間的SB可能導致小腦灰質體積較低，并對大腦結構產生負面影響。Arnardottir NY開展了一項5年時間的研究，要求受試者連續七天佩戴髖部磨損加速計計算體力活動的時間，在5年期間結束時測得活動和SB的灰質（GM）和白質（WM）的增生或萎縮體積，用MRI記錄5年內GM和WM的變化。隨訪時發現WM的5年變化與SB呈負相關，體現了腦萎縮和SB之間的聯系。Klaren RE探討了患有多發性硬化癥人群的久坐行為模式與全腦灰質（GM），白質（WM）和皮層下GM結構，其主要結果是每天久坐的次數與GM和WM以及深部GM結構呈負相關。對于健康成人群體，Shan Luo的研究發現了SB的水平與大腦對食物線索的反應之間的關系，較高的SB與葡萄糖攝入后大腦感興趣區域（ROI）的反應性增加相關，即較高的SB會使大腦對高熱量食物線索興奮性增加。總之，不論哪種群體，SB往往會對大腦產生不利影響，影響方式包括腦結構萎縮、大腦健康相關生物標記物變化、大腦興奮性變化等。

2.2 中高體力活動水平對腦的影響

中、高體力活動水平的身體活動其概念與各種形式的運動、有氧運動、運動鍛煉等多個概念相互交叉，難以嚴格區分，所以在探究中高活動水平對腦的影響時，我們還將探究以上名詞相關內容對腦的影響。

（1）MRI成像MRI成像技術由于其強大的提供信息功能、無電離輻射性和無害性被科學家們廣泛用于正常和病理的腦功能成像，極大地促進了人類對腦功能的研究。結構磁共振分析包括海馬體積的檢查，以及使用基于體素的形態計量學對灰質體積的體素評估，并采用擴散張量成像分析分數各向異性，軸向擴散率和徑向擴散率進行了基于域的空間統計。Claire E.Sexton的研究比較了12周有氧訓練計劃對MRI結果的影響。陳愛國采用MRI對比分析，發現11周運動干預使聾啞兒童右側小腦前部、左側枕下回、右側內側眶額葉、左側內側和旁扣帶腦回、左側頂下緣角回、右側楔前葉、右側中央后回等腦區灰質體積減小。Julie M.Bugg和Denise Head基于MRI和區域容積測量，包括前額葉、頂葉、顳葉、枕葉、新紋狀體和內側顳葉區域的容積，發現高水平的身體活躍度將會使額葉上部有更大的容積。針對青少年的一項研究根據高強度間歇訓練進行多峰MRI檢查大腦的結構和功能。

（2）灰質分布于大腦和小腦表面的灰質即為皮質，大腦皮質有大量的神經元胞體聚集，它們之間存在大量的電突觸或化學突觸作為通信途徑，形成極其復雜的神經回路，實現對運動、感覺、語言、情感等多種信息的處理，控制機體做出相應的反應。與此同時，機體的各個因素和指標也會對大腦灰質產生可塑性影響，與灰質體積相關的變量包括年齡、性別、吸煙、酒精和體重指數等等，在此我們將探討身體活動對大腦灰質的影響。由于中、高體力活動水平有各種各樣的指標，包括維持時間、運動形式、活動強度等等，歸納和分析以往身體活動對腦的影響的研究，我們把它歸為兩類，包括長時間和短時間的中、高等身體活動。

短時間中、高體力活動水平：陳愛國的研究表明一次30min的短時中等強度有氧運動通過增加兒童靜息狀態下腦功能局部一致性，改善腦的可塑性。Mark Hamer的研究通過讓受試者連續七天佩戴腕帶三軸加速度計以評估習慣性體力活動。由于該研究擴大了樣本容量，使得研究的統計結果更具有廣泛性和說服力，并對其他影響因素如年齡和性別對影響的修正，發現體力活動和更高的灰質體積之間的明顯聯系，且這一聯系只在老年人（>60歲）中才明顯。Ilona Ruotsalainen讓受試者右髖部連續7天佩戴加速計，提供了13-16歲青少年有氧健身與體力活動和灰質體積之間關系的新信息。其研究結果表明，有氧健身水平的提高與左側蒼白球體積呈正相關，與左側額葉上皮質體積呈負相關。對于青少年來說，客觀測量的體力活動與額葉、運動和皮質下區域的灰質體積無關，這與老年人的研究結果相反。David A.Raichlen采取7天內在手腕上佩戴AX3三軸加速度計的方法，對包括中高等強度身體活動在內的協變量進行調整后，發現心肺健康（CRF）與總灰質量呈正相關。Catherine Foster探究了有氧健身對青年人的腦灰質腦血流（CBF）和腦血管反應性（CVR）的影響，結果表明有氧健身是青年人的基線CBF較低和CVR較高。

長時間中、高體力活動水平：陳愛國表明長達11周的運動干預可以使聾啞兒童灰質體積減小。一項綜述曾表明中年時期，運動可以增加腦灰質體積和增強心血管功能，從而阻止誘發老年期認知功能下降的神經生物學事件的發生。Tarkka IM發現與較少活躍的雙胞胎相比，活躍的雙胞胎在紋狀體，前額葉和海馬區顯示出更大的灰質體積，而在前扣帶區域的灰質體積較小。

身體活動強度對大腦的影響主要體現在灰質體積變化上。通過結果分析發現，盡管控制身體活動的時間和強度，但是影響大腦灰質體積的因素很多，影響的區域和模式也不盡相同，且對于不同群體身體活動對腦灰質的影響也不盡相同。因此在未來研究過程中，應當控制好其他影響因素包括年齡、性別、健康狀況等等，全方位多層次地探討身體活動和腦的關系。

（3）白質（WM）是中樞神經系統中主要的三個組成元素之一，與灰質、黑質并列。WM控制著神經元共享的訊號，協調腦區之間的正常運作。WM生長的機制與成熟程度，會影響到學習、自我控制與精神疾病等?？紤]到WM對于腦結構和腦功能的重要性，我們也研究了PA對于WM的影響的相關文獻。Mark Hamer等讓受試者連續7天佩戴腕帶三軸加速度計，然而結果沒有觀察到體力活動和總WM之間的任何聯系。與Mark Hamer的研究結果類似，Claire E.Sexton的研究發現有氧訓練組和對照組在認知和白質測量方面沒有顯著差異，其研究結果表明沒有相關證據可以證明12周的PA干預可以改善老年人的認知功能，也沒有白質微結構標志物的產生。盡管沒有發現有氧訓練和WM之間的關聯性，但仍可大膽推測長時間、多因素或針對特定人群的干預措施可能會有不一樣的結果。Tobias Bracht等研究探討了PA與海馬兩條主要通路的白質微結構的關系。受試者左腕戴活動手表連續72小時，通過連續三天的平均體力活動水平來計算平均體力活動水平。研究無法確定PA是否影響WM微觀結構，或WM微觀結構是否影響運動行為。與以上研究結果不同，David A.Raichlen的研究發現CRF和中、高強度體力活動與白質高強度病變負荷呈負相關。

綜合以上研究結果發現，我們很難界定身體活動對WM的影響，即便是相類似的研究結果也不盡相同。因此關于中、高強度體力活動與WM的關系還需要做進一步多層次、多方向、多群體的研究和調查，才能夠真正了解身體活動與WM的關聯。

（4）海馬運動訓練使海馬體積增加2%，有氧運動訓練可以有效地逆轉成年晚期海馬體積的減少。一年的中等強度的運動通過增加海馬體積和增加血清BDNF在神經保護中的作用，有助于增強認知或補充腦容量。在對包括CRF在內的其他變量進行調整后，David A.Raichlen發現MVPA與左右海馬體積呈正相關。即無論CRF如何變化，參與更多MVPA的個體可能通過增強海馬體積從而使大腦獲得益處。另一項研究結果表示運動訓練增加了前額葉皮層的灰質和白質體積，但運動能改變海馬區大小的范圍仍不清楚。Mark Hamer表明身體活動通過與左右海馬體積的關聯，從而影響阿爾茨海默氏癥等神經退行性疾病的發生。在他的運動試驗中發現，運動顯示會對左海馬體積產生積極影響，但對總體積沒有影響。除此之外，Belinda M. Brown等還考慮了遺傳因素，以腦源神經營養因子（BDNF）為媒介，評估體力活動與BDNF Val66Met多態性之間的相互作用對大腦結構體積的影響。在Val/Val純合子組中，較高水平的體力活動與較大的海馬和顳葉體積相關，而在Met攜帶者中，較高水平的體力活動與較小的顳葉體積相關。他還發現對于老年人較高的體力活動水平與較大的海馬體積有關。盡管有以上研究成果，但考慮到相關性并不大，他們仍表示體力活動對海馬體積的影響很小。Simone Bolijn和Paul J.Lucassen發現PA還通過增加谷氨酸水平，從而增加海馬星形膠質細胞中的FGF-2，但目前尚不清楚PA是否也能直接刺激人腦的增殖。

總之，以上結果都支持中、高的體力活動水平，可以減輕年齡與疾病相關的海馬體積損失，從而給大腦帶來有益的影響。盡管過去5-6年的研究結果相對于之前的研究有所進展，關于中、高強度的體力活動是否能影響海馬、如何影響海馬的體積、影響何處海馬的體積等問題尚未解決，且對于體力活動的界定沒有統一的標準，故未來探究體力活動與海馬的關聯還有很長的道路。

2.3 不同運動方式對腦結構的影響

除了考慮身體活躍強度對大腦的影響外，由于身體活動包括許多不同的運動方式，我們還次要地探討不同的運動方式對腦結構的影響。

一項綜述表示不同類型的長期運動技能學習與訓練過程表現出不同的腦可塑性變化特點，可塑性腦區有共性也有差異。對于接受長期高強度運動訓練的運動員來說，其腦灰質可塑性變化體現在視覺系統，但是鋼琴演奏家的腦灰質變化則體現在聽覺系統。此外，粗大運動和精細運動在感覺系統、運動系統、注意系統和皮質下系統表現出不同的結構差異。Li D等將樣本分類為經常參加開放式或封閉式技能訓練的人和只進行不規則運動的人，其研究結果表明，規則運動者相對于不規則運動者在Stroop任務中表現出更快的反應時間。開放式運動者在Stroop任務中表現出較小的N200和較大的P300a振幅，并且在任務轉換測試中表現出較短的錯誤相關負性潛伏期。吳殷等研究發現，羽毛球運動員相比于籃球運動員在左側額下回、左側頂上小葉、左側楔前葉灰質體積有顯著增大;籃球運動員相對于羽毛球運動員在顳下回、左側額中回、左側額下回、扣帶回中部、腦島灰質體積差異顯著，顯示長期的運動訓練會對不同運動項目的運動員大腦產生相似的可塑性變化。

綜上分析，除了身體活動強度和時間外，運動類型也會對大腦結構產生各種各樣的影響，主要體現在灰質的變化上。為了維持大腦的各項機能平衡發展，對于普通人來說可以保持運動方式的多樣性，采取不同的運動方式全方位地保持大腦的健康。

3 結論

不同身體活動度會對大腦結構和功能產生可塑性影響。身體活動對于腦的影響是多種多樣的，不同的體力活動水平對大腦產生可塑性變化的區域不同，且對于不同的群體來說相同的運動或者體力活動水平也會表現出不同的可塑性變化模式。

總的來說，身體活動度對大腦的影響主要體現在灰質、白質和海馬上。低體力活動水平或者長時間久坐行為會對大腦結構產生不利影響，中、高體力活動水平或者有氧運動等會對大腦結構產生有利影響，其主要體現在灰質體積增加，以及減緩因年齡的萎縮的海馬體積，從而進一步改善大腦認知功能、減少阿爾茨海默氏癥等與腦結構相關的疾病的發生。值得注意的是，身體活動與蛋白質的關聯仍有許多待研究的疑問。

未來，需要進一步結合IPAQ和MRI成像技術，多層次、全方面地研究解釋身體活躍度對腦可塑性變化機制。為了提高大腦的健康水平，減緩因年齡增長帶來的不利的大腦結構變化，人們需要更多的中、高等強度的身體活動，減少久坐時間。

課題：大學生創新創業訓練計劃項目（X202012121252）。

（作者單位：南方醫科大學）