耐力運動對腦纖維結構的特異性影響

嚴世振，王正光,2，張琪涵,2，白學軍,2，金 花,2

（1. 天津師范大學 心理學部，天津 300387；2. 天津師范大學 心理與行為研究院，天津 300387）

1 引 言

大量研究[1–8]表明，具有特定專業技能的專家（如專業運動員）的腦結構功能不同于非專業人員或新手，這些結果為腦損傷后康復方案的制定提供了有效的參考。在結構維度上，這些研究多集中于腦的形態結構（如灰質或白質體積）上，如：Park等[9]發現，優秀籃球運動員小腦蚓部的白質體積顯著大于非運動員；Paruk等[3]比較了12名訓練1年以上的耐力運動員和非運動員的T1結構像，全腦分析發現運動員全腦灰質和白質體積大于非運動員，但興趣區分析發現運動員在右側初級感覺運動皮層、右側額下回和額中回、左側丘腦的灰質體積小于非運動員。目前有關運動專家腦白質微結構特點的報道相對較少，有待進行更多的實證研究。

對于白質微觀結構的評估，各向異性分數（Fractional Anisotropy，FA）即組織內水分子的各向異性成分占全部擴散張量的比例（變化范圍是0～1），是目前應用最廣泛的反映白質微結構的指標，它與神經纖維軸突和髓鞘的完整性、纖維束的致密度及走行有關[10]。目前運動專家腦白質微結構特點的研究尚處于數據積累的初始階段，報道相對較少，專家類型較為分散，結果的無序性較高。如：Toh等[11]發現，年輕柔道運動員在內囊、胼胝體膝部、體部、壓部和上縱束FA均顯著高于對照組，提示專業訓練可能會增加腦白質FA和纖維完整性；而J?ncke等[12]的研究發現，高水平高爾夫球運動員在內囊、外囊、皮質脊髓束附近以及頂蓋處的FA和白質體積顯著小于初級運動員，提示專業運動訓練可能減少腦白質FA。Huang等[13]發現，優秀體操運動員上、下縱束和額枕下束等白質纖維束的FA低于非運動員。因此推測，專業運動訓練對腦白質的影響具有一定的項目和腦區特異性。不同類型的運動對體能、技能和認知能力的需要不同，專業訓練優先發展的競爭能力不同，對具體腦區結構的影響也不同，因此，不同腦區的白質結構或功能的變化出現專業依賴性也是合理的。此外，僅依靠FA的變化并不能準確反映白質纖維束的變化，進一步的研究需要引進更多的擴散指標如軸向擴散系數（Axial Diffusivity，AD）和徑向擴散系數（Radial Diffusivity，RD），以準確描述白質纖維束的變化。因此，腦白質的結構變化與專業運動訓練之間的關系尚需更多實驗數據。

耐力運動（如長跑、長距離競走）與體操等技能型項目有質的區別，前者是典型的體能型項目，也是當前社會參與度最高的體育項目。以長距離徑賽運動員為模型探討耐力運動對個體腦白質微結構的可塑性影響具有更好的社會意義。目前，Chang等[14]基于長跑運動員興趣腦區FA的特點探討了耐力訓練對腦白質微結構的影響，比較了11名長跑運動員（每天接受4.2 h訓練，至少持續2.8年）和11名正常大學生基底神經節的FA差異，發現長跑運動員蒼白球內段FA顯著低于非運動員，但雙側基底節的尾狀核、殼核、蒼白球外段等感興趣區的FA無顯著差異。這一研究率先為耐力訓練改變腦白質微結構的可能性提供了實驗依據，但它僅限于基底節特定興趣區的白質變化比較，未比較腦組織的其他區域，且僅依靠單一的FA指標也不能很好地揭示白質纖維改變的機制。FA只能反映水分子擴散運動各方向差異的程度，如FA減小可能是由于本征（或主要）方向的擴散降低，也可能是由于非本征（或次要）方向的擴散增加，因此，FA的變化不能確切揭示白質變化的具體原因。AD和RD分別描述水分子在平行和垂直于主要纖維束方向上的擴散能力，二者的變化能夠反映FA變化的具體原因和機制。例如：AD的變化能夠反映主要纖維束軸索的改變[15]，對大的軸突變化更敏感；而RD的變化更多反映次要或細小聯系纖維，乃至細胞膜結構的改變[16?17]。因此，需要通過AD和RD的變化探索長跑訓練引起FA變化的深層原因。

纖維束自動定量分析（Automating Fiber-Tract Quantification，AFQ）可自動提取出腦白質中20條主要纖維束不同節點上的擴散值進行統計分析。與興趣區分析方法相比，AFQ可以快速、可靠地識別和測量白質纖維束，并允許分析沿纖維束軌跡的擴散特性，提供更多關于白質微結構的信息。本文采用AFQ技術重建腦部主要神經纖維，比較優秀長距離徑賽運動員和普通大學生的腦白質主要纖維束擴散值，以揭示長距離徑賽運動員腦白質微結構特點，探討長期耐力訓練與腦主要白質纖維束微結構改變間的關系。鑒于目前對專業運動員的白質微結構特征尚處于初步探索階段，數據量較少且結果較離散，本文提出假設：專業耐力訓練可能改變個體腦內纖維束的微觀結構，運動員腦內特定纖維束的FA和RD、AD不同于非運動員。關于FA和RD、AD的深入研究能提示纖維束改變的位置和特點。

2 研究方法

2.1 被 試

實驗共招募被試59人。運動員組為28名曾參加全國及以上級別賽事（包括奧運會和世界錦標賽）的現役運動員（年齡18～28歲），其中，國際級運動健將5人，國家級運動健將6人，其余為國家一級運動員，項目包括3 000 m跑、5 000 m跑、馬拉松賽、20 km和50 km競走。對照組為31名天津某高校非體育學院、非學校運動隊學生（年齡18～25歲），沒有參加過任何全國及以上級別的體育比賽。所有被試經愛丁堡問卷測定均為右利手[18]，視力或矯正視力正常且不是色盲或色弱。所有被試身體健康，無腦外傷史、藥物依賴病史、精神病史、神經病史及家族病史，無核磁檢查禁忌證。被試在實驗前簽署了知情同意書并填寫自編運動經歷問卷（包括運動或鍛煉時間、項目、參與的比賽等）。本實驗已通過所在單位倫理委員會批準。

2.2 磁共振數據采集

采用天津師范大學腦成像中心西門子Prisma 3.0 T磁共振掃描儀和64通道頭線圈。T1全腦結構像采用3D快速磁化預備梯度回波序列（magnetization-prepared rapid acquisition gradient echo，MPRAGE），TR為2 530 ms，TE為2.98 ms，反轉角7°，層厚1 mm，無間隔掃描，視野256 mm×256 mm，矩陣256×256，體素大小為1 mm×1 mm×1 mm，192層，掃描時間363 s。擴散張量成像采用平面回波成像序列（Echo-Planar Imaging sequence，EPI），TR為8 500 ms，TE為63 ms，視野224 mm×224 mm，矩陣112×112，層數為75，層厚2 mm，無層間隔，體素大小為2 mm×2 mm×2 mm，擴散梯度編碼方向64個，擴散加權系數（b）為1 000 s/mm2，掃描時間10 min 56 s。

2.3 纖維束自動定量分析

采用FMRIB Software Library （FSL）對3D-T1加權圖像進行配準和分割，將預處理的擴散張量圖像和結構像采用AFQ軟件進行分析[19]。該軟件為MATLAB工具箱，可用于識別和量化每名被試腦中20條主要白質纖維束，包括雙側的丘腦放射束、扣帶束扣帶回、皮質脊髓束、扣帶束海馬回、額枕下束、下縱束、上縱束、弓形束、鉤束以及胼胝體大小鉗。纖維束識別和量化主要包括以下4個步驟：①重建每個被試全腦纖維束成像，所有纖維束使用確定性纖維束追蹤成像進行跟蹤；②使用自動興趣區（Regions of Interest， ROI）方法將整個腦纖維組分割成束，ROI是基于先前的研究定義的，隨后通過將束內的每根纖維與概率纖維束圖譜進行比較來細化纖維束；③離散纖維束的清除，通過離散排除算法過濾掉偏離纖維中心的離散纖維；④計算沿纖維軌跡的擴散指標，將每根纖維束重新采樣到100個等距的節點，獲得每個節點的擴散指標。擴散指標選取FA、AD和RD以描述全腦白質狀態。

2.4 統計分析

采用SPSS 22.0（IBM Corp.，Armonk，New York）軟件的卡方檢驗或獨立樣本t檢驗分析運動員和非運動員在性別、年齡、身體質量指數（Body Mass Index，BMI）、訓練（鍛煉）年限、周訓練（鍛煉）時長和受教育年限上的差異。在AFQ分析中，對于每條纖維束首先提取其100個節點的擴散指標FA、MD和RD。采用雙樣本t檢驗對每條纖維束各節點的擴散值進行組間分析，擴散指標分析時將年齡、性別和BMI作為協變量進行控制。每條纖維束多重比較的次數為100，基于MATLAB 2015R采用FDR方法進行多重比較校正，P值為0.05。將組間差異顯著的連續節點的擴散值進行平均，作為這一連續節點（節段）的平均擴散指標。

3 研究結果

3.1 人口統計學結果

運動員和非運動員在年齡、性別和受教育年限上均不存在顯著差異。在訓練（鍛煉）年限和周訓練（鍛煉）時長上，運動員顯著大于非運動員（表1）。此外，運動員的BMI顯著小于非運動員，提示后續分析需將BMI作為協變量進行控制。

表 1 人口學變量的組間比較（M±SD）Table 1 Comparison of demographic variables between the groups

3.2 AFQ結果

對運動員和非運動員20條主要纖維束各節點水平FA、AD和RD等擴散指標進行雙樣本t檢驗（FDR校正，P<0.05）。結果顯示：在FA上，胼胝體小鉗的節點3—9和節點23—41，以及右側鉤束的節點1—51均存在顯著差異；在RD上，胼胝體小鉗的節點5—8和23—41以及右側鉤束的節點1—38均存在節點水平的差異；在AD上，所有主要纖維束的等分節點均不存在顯著差異。將連續的差異顯著節點定義為顯著節段，計算節段內各節點的平均擴散值，并進行組間比較（表2）。

表 2 擴散指標組間差異顯著的節段（M±SD）Table 2 Locations along the white matter tracts showed significant group differences in FA, RD and AD profiles

雙樣本t檢驗發現，運動員胼胝體小鉗的前部節段（節點3—9）的FA值顯著小于非運動員[t（57）=?2.75，P=0.008，Cohen'sd=?0.44]，而在前中部節段（節點23—41）的FA顯著大于非運動員[t（57）=4.94，P<0.001，Cohen'sd=0.88]；運動員右側鉤束的前半部分節段（節點1—51）的FA顯著小于非運動員[t（57）=?3.14，P=0.003，Cohen'sd=?0.67]。上述結果呈現于圖1，其中（A）和（B）分別描述運動員和非運動員胼胝體小鉗和右側鉤束各節點的FA，黑色虛線所指示的區域為組間差異顯著的節點。圖2為通過AFQ重建的胼胝體小鉗（A）和右側鉤束（B）。

運動員胼胝體小鉗的前部節段（節點5—8）的RD顯著大于非運動員[t（57）=2.12，P=0.039，Cohen'sd=0.28]，而在胼胝體小鉗的前中部節段（節點23—41）的RD顯 著 小 于 非 運 動 員[t（57）=?3.50，P<0.001，Cohen'sd=?0.57]。運動員右側鉤束的前部節段（節點1—38）的RD顯著大于非運動員[t（57）=3.18，P=0.002，Cohen'sd=0.34]。上述結果呈現于圖3，其中（A）和（B）分別描述運動員和非運動員胼胝體小鉗和右側鉤束各節點的RD，黑色虛線所指示的區域為在RD上組間差異顯著的節點。

圖 1 運動員與非運動員在胼胝體小鉗（A）和右側鉤束（B）各節點FA的組間比較Figure 1 The pointwise comparison of FA profiles between athletes and control groups in callosum forceps minor (A) and right uncinate (B)

圖 2 AFQ重建的胼胝體小鉗（A）和右側鉤束（B）Figure 2 Callosum forceps minor (A) and uncinate (B)reconstructed using AFQ

圖 3 運動員與非運動員在胼胝體小鉗（A）和右側鉤束（B）各節點RD的組間比較Figure 3 The pointwise comparison of RD profiles between athletes and control groups in callosum forceps minor (A) and right uncinate (B)

4 討 論

本文發現運動員較非運動員在胼胝體小鉗前中部節段的FA增高，而RD降低。纖維束此節段內FA的變化主要源于徑向擴散率的改變，即在胼胝體小鉗前部各向異性的增加是由于非軸向擴散的減小所致，提示運動員胼胝體小鉗前部次要方向聯系纖維較非運動員減少。運動員胼胝體小鉗前部節段和右側鉤束部分節段的FA下降而RD升高，證明運動員這2條纖維束上述位置各向異性的下降是由于非軸向擴散增加所致，提示運動員纖維束這些節段次要方向聯系纖維較非運動員增加。綜上，耐力運動可能影響腦纖維束的微觀結構，且這種影響具有一定的位置特異性。

胼胝體是最大的連合纖維，對左右半球間的協調活動具有重要作用。經過胼胝體膝部的纖維彎向前，連接兩側額葉的前部，稱胼胝體小鉗或胼胝體額鉗。鉤束連接額葉下部和顳葉前部皮層，該纖維束相對于其他纖維束在發育中成熟更晚，有著更大的結構可塑性[20]。本文在胼胝體小鉗和右鉤束發現了FA和RD的組間差異，結果支持“運動可強化腦特定纖維束”的觀點。先前以其他類型運動員為對象的研究結果也提示了專業訓練和腦特定纖維束FA間的相關性，如：Yao等[21]比較了25名國家級足球運動員和25名非運動員之間的腦白質結構差異，發現足球訓練引起胼胝體FA增大；Toh等[11]采用確定性纖維追蹤技術對14名年輕柔道運動員和7名同齡對照組的運動纖維束、胼胝體和上縱束進行重建，并通過參數分析獲得擴散指標，發現柔道運動員內囊的FA增加18%，胼胝體膝部FA增加22%，胼胝體部FA增加13%，胼胝體壓部FA增加16%，上縱束FA增加16%。此外，在其他非運動員群體中，體力活動或有氧訓練和白質纖維FA值之間的正相關也間接提示運動強化纖維束完整性。如Yao等[22]發現，與同齡對照組相比，規律性太極拳鍛煉者（平均鍛煉年限8.45±5.1年，鍛煉時長為1～15年）在胼胝體壓部呈現更大的FA，且鍛煉的年限越久、太極拳水平越高，胼胝體壓部FA值越大。

訓練后發生的FA變化被認為是反復進行某項運動或運動學習的結果，與個體在該活動項目上的行為改善有關[23?24]。耐力運動員胼胝體小鉗前中部更高的FA可能與他們長期進行耐力訓練引起的雙側下肢協調活動能力增加有關。胼胝體在左右半球間的協調活動具有重要作用。長跑和長距離競走屬于雙側肢體對稱運動的周期性項目，運動過程要求左右半球持續、穩定地保持協同激活，促使雙側下肢肌肉保持長時間的協調運動，使個體能在保持平衡的前提下更快地完成向前的位移。雙側下肢肌肉運動的協調性是步態正常和個體保持平衡的重要保障。胼胝體FA也被證實與下肢平衡和步態控制功能有關[25–27]，如Kim等[28]發現步態障礙患者多條受損的白質纖維束中胼胝體FA值與步態障礙的相關性最為顯著。這一結果也得到了其他具有高協調要求項目研究結果的間接支持，如在柔道、足球和太極拳等高肢體協調的運動項目中也發現訓練引起了胼胝體FA的升高[21?22,29]。

本文結果進一步提示，RD減小可能是專業運動員特定纖維束FA升高的原因。RD的減少一般解釋為神經元軸突具有更高的髓鞘化程度[30]。受制于細胞和分子通路的測量技術，目前尚無直接證據證明運動可使人腦纖維束的髓鞘化程度更高，但動物實驗為這種可能性提供了間接的證據。Jensen等[31]讓脫髓鞘后的幼鼠立即進行14 d的跑輪活動發現，鼠髓磷脂堿性蛋白增加48%，髓鞘化的軸突密度增加了2.11倍，證明跑輪活動促進了幼鼠的髓鞘再生。Mandyam等[32]的動物實驗也證明了長期運動可增強形成髓鞘的神經膠質細胞的生成。Chen等[33]對運動相關神經可塑性變化分子機制的研究結果進一步強化了此類間接證據的支撐力，他們發現：與對照組相比，連續21 d進行每天1 h跑步活動的小鼠，細胞層面的變化是少突膠質祖細胞的增殖和分化能力增強，進而促進了大腦內側胼胝體軸突髓鞘化；分子層面的變化是腦源性神經營養因子（BDNF）表達的增強并激活了運動皮層雷帕霉素靶蛋白通路，而雷帕霉素靶蛋白通路的表達有效增長了運動組小鼠突觸后致密物的長度和厚度，以及運動皮層第五層錐體神經元的興奮性突觸后電位的幅度，表明跑步運動有效促進了突觸形成和皮層中突觸的傳遞功能。已有研究[34?36]發現，人類長期運動訓練增強BDNF、胰島素樣生長因子的表達和蛋白質水平。如Leckie等[34]發現，老年人進行為期1年有氧運動（步行）后血清中的BDNF濃度增加，推測運動強化了相關纖維束軸突的髓鞘化，其分子和細胞機制可能與神經營養因子調節的細胞水平的神經膠質生成、神經發生的增加有關。由于當前運動相關分子研究主要依賴動物模型，且分子間的作用機制尚不清晰，因此，對運動強化纖維束完整性潛在分子、細胞機制的解釋尚待更多人類研究證據進一步驗證。

本文發現胼胝體小鉗前部和右側鉤束的FA降低主要由RD升高所引起。不少研究也發現了優秀運動員在特定纖維束上FA的下降，如：高水平高爾夫運動員比低水平高爾夫運動員和非運動員的內囊后肢有更低的FA[12]；世界級體操運動員右側鉤束島葉皮層部分以及上、下縱束和額枕下束的FA均顯著低于非運動員[13,37]。相似地，體育運動對腦白質擴散性的這種影響也得到了部分運動干預研究的支持。雖然持續時間幾個月的干預訓練在運動總量和運動強度上難以匹配職業性訓練，在對腦結構的可塑性影響上也不能完全等同于職業訓練，但其結果也能在一定程度上說明運動的影響。Clark等[38]考察了有氧運動（騎自行車或跑步機訓練）對25名57～86歲老年人白質微觀結構的影響，發現經過6個月的訓練后被試左側鉤束的FA下降。Xiong等[39]對聽障兒童進行11周運動（跑步游戲、跳繩或武術）干預后，其胼胝體膝部FA降低，且腦白質完整性與抑制行為表現存在相關。

對于FA下降的生理意義，臨床或亞臨床研究[40?43]較為一致地認為是源于髓鞘化減少或軸向擴散率的增加，反映了纖維的損傷，多與生理或認知功能下降有關。如：原發性書寫震顫患者額中回和殼核FA顯著小于正常人[44]；主觀認知下降患者在包括雙側皮質脊髓束、上縱束、下縱束、額枕束、胼胝體大小鉗、海馬體、丘腦前輻射和小腦在內的廣泛區域表現出FA降低[45]。FA的下降也可能和腦組織的其他特性有關，如交叉纖維數量和少突膠質細胞的增加，或是軸突直徑和纖維密度的變化等，如研究發現直徑較大的纖維束的FA較低[17]。目前的DTI技術尚難以明確分離出引起RD或AD變化的細胞層面的微結構變化原因。專業運動員或普通人運動干預后特定腦區白質或纖維束FA下降的生理意義目前尚無肯定性解釋。結合本文研究結果推測，運動員FA的下降伴隨著RD的增加而軸向擴散率沒有變化是一種運動引起的適應性變化而非病理性損傷，更深層的原因可能和運動導致非軸向的髓鞘化完整性提高有關，也可能和運動引起樹突棘的增加有關。Huang等[13]把觀察到的優秀體操運動員雙側上、下縱束FA的降低解釋為運動促進軸突直徑增大引起的。Herting等[46]認為，運動性FA減少可能和長期有氧訓練引起更多的軸突分支生長或膠質細胞數量增加有關。上述解釋也得到動物模型研究的支持，如：Krityakiarana等[47]以nestin-GFP轉基因小鼠作為研究對象，發現經過7 d跑輪運動，小鼠脊髓胸段少突膠質細胞的標志物NG2水平增高，提示自主運動提升了小鼠少突膠質細胞的數量；Ghiani等[48]發現與無運動對照組相比，經過7 d和28 d跑輪運動后的大鼠脊髓髓磷脂相關糖蛋白水平分別降低52%和62%，而抑制髓磷脂相關糖蛋白的表達促使更多的軸突分支生長。

本文還發現，同樣的訓練可能對不同位置的纖維束或同一纖維束的不同位置的擴散性產生不同影響，這可能與不同腦區有不同功能特點及運動訓練對不同解剖亞區的影響不同有關[49]。先前也有研究發現了訓練對纖維束影響的多樣性，如：Yao等[22]發現，參與太極拳鍛煉的老年人胼胝體壓部的FA大于同齡對照組，而在胼胝體體部和膝部無顯著差異；Fissler等[50]以高癡呆癥風險老年人為對象發現，短期運動訓練或生活方式與胼胝體膝部的白質微結構并無相關；Schmithorst等[51]發現自童年早期就接受音樂訓練的成年人，胼胝體膝部的FA高于對照組，而放射冠和內囊的FA低于對照組。

本文也存在一定的局限性：①纖維追蹤標準相對嚴格，部分被試的雙側弓狀束和雙側皮質脊髓束因算法因素未能完成追蹤，可能對數據的完整性有一定影響。②本文并未獲得被試的認知表現結果，忽視了運動誘導的認知表現變化，今后可以進一步闡明訓練誘導的腦結構、腦功能變化和認知變化之間的潛在關系。③DTI指標并不是特定神經生物學特性的特異性指標。其他組織特性，如膠質細胞數量和交叉纖維數量的增加可能會引起FA的降低。目前DTI技術尚不能區分上述機制的各自貢獻，因此在解釋健康人群DTI參數變化上的個體差異時應謹慎。

5 結 論

本文基于AFQ考察運動員和非運動員腦部主要纖維束白質完整性差異，并探索耐力訓練引起的白質完整性變化的深層原因，發現長距離徑賽運動員因耐力訓練其胼胝體和右鉤束部分節段的FA不同于非運動員，且FA的變化主要源于徑向擴散率的改變。得出結論：耐力訓練可能改變了腦白質微觀結構，為體能型運動強化腦神經元間的纖維連接提供了依據。

作者貢獻聲明：

嚴世振：調研文獻，分析數據，撰寫論文；

王正光：采集數據，核實數據；

張琪涵：招募被試，采集、核實數據；

白學軍：招募被試，核實數據；

金 花：設計論文框架，指導修改論文。