健身運動對老年人認知功能的影響及其作用機制

雷雪梅

1 引言

中國是較早進入老齡社會的發展國家之一。根據調查顯示，自1982年第三次人口普查以來，中國老年人口平均每年增加302萬，年平均增長速度為2.85%。國家統計局發布最新的老人口數據，2018年末，60周歲及以上人口24949萬人，占總人口的17.9%，其中65周歲及以上人口16658萬人，占總人口的11.9%［1］。認知功能衰退是老年人生活的常見現象，還常常伴隨記憶和理解能力的下降，嚴重時會引發多種慢性疾病，包括與增齡有關的神經退化性疾?。?，3］。因此，提高老年人認知功能水平，有效延緩衰老，對防止認知功能障礙的發生和發展具有重要意義。運動作為預防和控制各種慢性疾病的重要手段，它不僅可以直接改善認知功能，同時可以間接透過降低高血壓、心血管疾病與糖尿病等風險，以及強化睡眠、能量消耗、飲食及疼痛等身體層面的資源，壓力、憂郁及自我效能等心理層面的資源，進而協助認知功能的改善［4，5］。綜合而言，本文的目的在探討健身運動對老年人認知功能的影響機制，并從神經營養因子（BDNF）、生長激素（GH）、第一類型胰島素生長因子（IGF－1）、大腦氧合功能和炎癥反應等機制來說明其效益。希望對于不同運動類型促進腦健康以及改善認知的相關研究提供參考，并有助于相關人員規劃設計更合適老年族群運動的訓練計劃。

2 研究方法

本研究使用的文獻數據庫主要包括Elsevier、Springer、Web of science、CNKI中文資料總庫、萬方數據以及臺灣學術文獻數據庫，搜尋2021年3月以前出版的所有研究，搜尋關鍵詞包括“認知功能、健身運動、老年人”及對應的英語表述“cognition function、exercise、elderly”。

3 認知功能對老年人的重要性

認知功能是高級的腦功能，是指人在對客觀事物的認知過程中對感覺輸入信息的獲取、編碼、操作、提取和使用的過程，它包括了大腦精神或智力活動的各個方面，如感知覺、記憶力、語言、抽象思維等，可理解為接受、記憶和學習、思維、表達等功能，反映了大腦的功能狀況［6，7］。隨著年齡的增長，老年人的身體神經、肌肉骨骼及心肺等各系統的構造發生改變，相關機能也產生一定程度的影響［8］。其中，對于中樞神經系統的影響是最為明顯的，會使大腦重量減少10至20%、血流量減少30至40%和腦神經微纖維纏繞及老化斑的形成，這些構造的改變造成老年人記憶力減少、學習能力降低以及認知功能退化等相關疾病的盛行，進一步影響老年人日常生活獨立自主的能力，更造成家庭及社會長期照顧和醫療資源負擔的問題［9，10］。

4 健身運動促進老年人認知功能的可能機制

健身運動改善老年人認知功能的可能機制主要是通過大腦神經系統來實現的。健身運動可誘導神經營養因子（BDNF）增加，并刺激生長激素（GH）、第一類型胰島素生長因子（IGF－1）分泌，從而增強大腦氧合功能，減緩老年人認知功能下降；健身運動還能調節促發炎細胞激素或抗發炎細胞激素等相關機制，進而改善老年人認知功能。

4.1 健身運動可誘導神經營養因子（BDNF）增加

BDNF是一種主要由腦組織合成、能夠維持中樞神經系統多種神經元存活及促進神經纖維生長的堿性蛋白［11］。BDNF可促進突觸可塑性與神經存活，并在中樞神經系統扮演重要角色。

動物實驗中發現運動強度對神經增生BDNF是有關鍵性的影響，老鼠在學習復雜運動技能或執行中等強度運動時會調節小腦和運動皮層，并增加了BDNF因子和它的受體，以及TrkB的蛋白質［12］。研究還發現14天的阻力運動可活化比目魚肌里的蛋白質合成信息路徑（protein synthesis signaling pathway），并且與在海馬體的BDNF表現呈正相關。此外，結果亦顯示阻力運動提升學習與記憶的表現。因此，阻力運動可能肌肉的蛋白質路徑的活化與增進海馬體的BDNF，進而對認知功能產生效益［13］。建立在動物研究的基礎上，許多健身運動對BDNF的影響已經在人體研究層面有了很大的進步。Aguia等［14］指出，健身運動訓練可能是透過海馬體的絲胺酸／蘇胺酸蛋白激酶（serine／threonine protein kinase，AKT）、cAMP反應單位結合蛋白（cAMP response eement binding protein，CREB）信息傳遞，以及海馬體內的BDNF蛋白質，進而改善老化引起的認知衰退。

4.2 健身運動可刺激生長激素（GH）、第一類型胰島素生長因（IGF－1）分泌

運動能刺激血管內皮生長因子與腦下垂體分泌生長激素（GH），并促進肝臟分泌生長激素介質，即第一類型胰島素生長因子（IGF－1），可在生長發育期促進骨骺軟骨的形成，并使海馬體內的神經增生，進而提高神經突觸的可塑性與記憶功能［15］。

GH是一種由垂體細胞產生和分泌的蛋白激素，IGF－1是一類介導合成代謝的重要細胞因子［16］。GH對中樞神經系統中學習和記憶、心智機敏度、動機和工作記憶容量等功能有益，具有很強的促進IGF－1的分泌作用［17］。IGF－1是一類促進細胞生長、具有胰島素樣代謝效應的因子［18］。GF－1可以促進學習記憶能力，運動刺激能夠改善大腦學習和記憶能力，其可能機制是：在突觸前膜，IGF－1通過先后激活p－CAPK II（絲裂原活化蛋白激酶）和p－MAPK II（鈣調蛋白激酶Ⅱ）信號聯級，使突觸素－1（Synapsin－1）mRNA和蛋白增加，突觸素－1又可以促進Glutamate釋放，增強突觸間信息傳遞，以形成長時程記憶（LTB）；在突觸后膜，IGF－1通過其受體（TRKB－R）激活p－CAMK II和p－MAPK II信號級聯，進而在p－CREB調控下合成新的IGF－1［19］（圖一）。研究證實，從事肌力訓練似乎可以透過提升IGF－1或降低同半胱胺酸等生化機制，間接地影響大腦認知功能［20］。研究還發現，有氧運動或抗阻運動之GH值在運動后20－30分鐘之間會達到最高點，而在IGF－1方面，運動后20分鐘抗阻運動顯著高于有氧運動，在此說明了抗阻運動比有氧運動對GH、IGF－1的刺激、分泌有較大的效益［21］。

圖一 運動刺激GF－1的可能機制

4.3 健身運動增強大腦氧合能力

研究證實長期的健身運動訓練可以提升心肺功能，增加腦血流量及神經傳導物質分泌，提升大腦氧合狀態，改善大腦認知處理能力［22］。

研究表明，年齡與腦血流量呈反比，年齡越大，大腦海馬體的腦血流量越少，腦血管中的氧化血紅素（HbO2）和總血紅素（total HbO2）漸減，減低血紅素的氧化能力，影響腦部的氧合功能而腦血流量與大腦認知反應的時間也呈反比，腦血流量越少，大腦認知反應的時間越長［23］。研究發現，有氧運動訓練有助于老年人改善腦血流及氧合狀態，對于有從事規律有氧訓練的人，在非常激烈運動情境下，有較高的腦皮質攝氧量，總血紅素與脫氧血紅素皆顯著高于無訓練者。沒有訓練者其激烈運動時，其攝氧量會明顯下降，脫氧血紅素上升，而總血紅素下降，腦血流量呈下降趨勢［24］。

4.4 健身運動可調節炎癥反應

炎癥反應增加是認知功能下降的危險因子之一。病理學的研究指出，健身運動能調節促發炎細胞激素或抗發炎細胞激素等相關機制，進而改善MCI老年人認知功能［25］。根據Misiak等研究發現，低度系統性發炎與MCI認知功能下降間有極高的相關性。系統性發炎會誘發小膠質細胞進而堆積會產生大量促發炎因子，如腫瘤壞死因子－α（tumor necrosis factor alpha，TNF－α）、C反應蛋白（C－reactive protein，CRP）、介白質素－6（interleukin－6，IL－6）等，使中樞神經系統發生神經退化，進而降低MCI老年人的認知功能［26］。在降低發炎細胞激素反應部分，Colbert等［27］指出，高強度健身運動與降低TNFα、CRP，及IL－6有其正相關，說明健身運動介入可能使發炎反應趨于平穩，進而改善認知功能的可能。另在抗發炎反應方面，Geffken等［28］研究發現，健身運動會抑制TNF－α堆積等，意味著健身運動介入可降低發炎反應的發生。

5 結論與展望

5.1 結論

健身運動改善老年人認知功能的可能機制主要是通過大腦神經系統來實現的，包括健身運動可誘導神經營養因子（BDNF）增加，并刺激生長激素（GH）、第一類型胰島素生長因子（IGF－1）分泌，從而增強大腦氧合功能，減緩老年人認知功能下降；健身運動還能調節促發炎細胞激素或抗發炎細胞激素等相關機制，進而改善老年人認知功能。

5.2 展望

1.有氧運動，如步行、慢跑、游泳、打太極拳、跳健身舞等是大多數老年人健身的首要選擇；阻力訓練對于行動不便和患有疾病的老年人難度較大。有氧和抗阻綜合性訓練能夠更好地提升老年人的鍛煉效果。因此，在未來研究中，應盡可能對老年人進行分層研究，區分運動對健康老年人和非健康老年人的影響，并且保證運動的安全性和有效性。

2.不同的健身運動類型可能對大腦的影響機制有差異，但是也會有交互作用。未來研究可進一步進行差異分析和聯系分析，以更好地揭示健身運動對老年人認知功能的可能機制。