BDNF是運動促進認知的生物學機制嗎？證據、挑戰與展望

摘" 要" 運動可以提升機體腦源性神經營養因子（Brain derived neurotrophic factor， BDNF）水平， 而BDNF又與認知表現密切相關。由此引出一個問題， BDNF是運動促進認知的生物學機制嗎？根據來自動物模型和人體的生物學機理及部分實驗研究證據推論， 運動確可通過增加機體BDNF水平提高認知功能。然而， 也有人體研究得出不一致結論， 如運動未能引起BDNF的相應增加， 或者運動后認知表現與BDNF的變化步調不一致等。值得注意的是， 前人研究結論均為間接推導， 尚未深入探討BDNF與認知表現隨運動變化的時間進程， 且BDNF的諸多影響因素削弱了眾研究結果的準確性和可比性， 阻礙了理論的發展和BDNF的實踐應用。因此， 通過整理和分析相關證據與挑戰， 未來研究需進一步明確研究主題， 設計嚴謹的中介實驗、開展中介效應的元分析， 嚴格控制運動方案、被試人群、測量手段等額外變量的影響， 細化潛在調節效應測試， 進而檢驗BDNF在運動促進認知過程中的介導作用， 揭示運動通過BDNF促進認知的量效關系， 探究BDNF與不同認知功能增益的背后作用機制。這將為運動認知效益的生物學機制研究提供理論指導和有效補充， 為運動實踐帶來新視角， 助力健康中國建設。

關鍵詞" BDNF， 運動， 認知

分類號" B845

1" 引言

運動對國民健康的益處已受到大量關注， 研究發現， 運動不僅有益身體健康， 還對心理健康、認知功能等大有助益（Liu et al.， 2019）。認知功能是人腦將接收到的外界信息經過加工處理轉換成內在心理活動， 從而獲取或應用知識的過程， 關系著日常生活的方方面面。探究運動改善認知的具體機制有助于實現運動效益的最大化， 在過去幾十年已取得了一些進展。證據表明， 神經營養因子及其受體相關的細胞分子機制在運動對腦功能的改善中發揮著關鍵作用（Campos et al.， 2016; 夏海碩 等， 2018）。其中， 神經生長因子（Nerve growth factor， NGF）、膠質細胞系源性神經營養因子（Glial cell line-derived neurotrophic factor， GDNF）、胰島素樣生長因子（Insulin-like growth factor， IGF）和血管內皮生長因子（Vascular endothelial growth factor， VEGF）等被證明是運動促進血管生成、神經發生和突觸發生進而改善腦功能的可能介質， 但主要在動物研究中發現， 在人體研究中的結果較少且相當不一致（Campos et al.， 2016）。腦源性神經營養因子（Brain derived neurotrophic factor， BDNF）是中樞神經系統中含量最豐富、分布最廣的神經營養因子家族成員。自20世紀80年代首次被發現以來（Barde et al.， 1982）， 由于其獨特的分子特性， BDNF逐漸得到了科學界的深入研究和廣泛認可， 是迄今為止被最為廣泛研究和證實的與運動誘導的神經生物學效應相關的神經營養因子（Hamilton amp; Rhodes， 2015）。

BDNF在運動促進認知中的作用機理已有大量研究探討。運動一方面直接引起中樞和外周BDNF表達的增加， 如刺激腦內神經元、外周血單核細胞、血管內皮組織等產生和釋放BDNF， 引起腦血流和循環血液中BDNF的增加（Wang et al.， 2022; Jaberi amp; Fahnestock， 2023）。另一方面， 運動以血液為介質間接上調腦內BDNF。如骨骼肌收縮產生的骨骼肌因子鳶尾素（Irisin）、組織蛋白酶B （Cathepsin B， CTSB）可入血進入腦內刺激BDNF產生; 無氧代謝產生的乳酸可入血穿過血腦屏障， 通過增強腦內神經元NMDA谷氨酸受體活性、結合不同g蛋白偶聯受體（GPCR）啟動的信號級聯以及沉默信息調節劑1（SIRT1）， 進而激活PGC1α/ FNDC5/BDNF通路， 上調腦內BDNF表達（El Hayek et al.， 2019; Müller et al.， 2020）; 脂肪酸代謝產物β-羥丁酸通過抑制HDAC2/3引起組蛋白H3乙酰化水平升高， 促進腦內BDNF mRNA轉錄（Sleiman et al.， 2016）。此外， 運動引發的高溫可提高血?腦屏障通透性和血液流速， 促進生物因子在腦內及全身的運輸， 進而加快腦內BDNF含量的提高效率（Fernández-Rodríguez et al.， 2022）。運動上調的BDNF， 一方面可與高親和力的TrkB受體結合， 激活細胞內磷脂酰肌醇-3激酶/蛋白激酶B （Phosphatid ylinositide-3 kinases/ Protein kinase B， PI3K/Akt）、絲裂原活化蛋白激酶（Mitogen- activated protein kinase， MAPK）以及磷脂酶Cγ （Phospholipase C-γ， PLC-γ）等重要信號通路， 進而促進中樞和外周神經系統中新生神經元和突觸的增殖分化。另一方面， BDNF/TrkB信號誘導谷氨酸能突觸連接的長時程增強作用（Long-term potentiation， LTP）和新突觸棘的生長， 在現有突觸中形成新的記憶痕跡（Edelmann et al.， 2015）; 并助益LTP和記憶形成依賴的蛋白質的合成; 將新生神經元納入神經回路， 形成記憶體（Müller et al.， 2020）， 對驅動記憶的形成、鞏固和恢復至關重要（Miranda et al.， 2019; 于濤， 2020）。綜上， 理論上運動可增加機體BDNF水平， 進而調節神經可塑性， 促進學習與記憶等多種高級認知功能（Vecchio et al.， 2018; Miranda et al.， 2019; Wheeler et al.， 2020; 滿曉霞， 魏高峽， 2021）。但是科學理論還需要實證研究去檢驗， 且上述機理由運動上調BDNF、BDNF促進認知兩兩間接推導， 還需要有嚴謹的中介效用的調查或實驗來補充證明。

可喜的是， 這一理論已在大量動物實驗以及部分人體實驗中得以驗證。隨著年齡增長， 機體

海馬體積減小， 伴隨著腦神經元、突觸連接減少、學習和記憶能力下降， 這些被發現在一定程度上可以通過補充BDNF得到緩解， 且腦內BDNF的高表達與認知能力下降更慢相關， 進一步說明了BDNF與認知功能的密切關聯（Buchman et al.， 2016）。此外， Zhou等（2022）通過元分析研究發現， 與不運動對照組相比， 有氧訓練、高強度間歇訓練、多模式訓練、抗阻訓練和有氧聯合抗阻訓練都能顯著提高健康或非健康人群的血清BDNF水平， 證實了不同類型運動上調人體BDNF水平的有效性?？梢?， BDNF與認知表現密切相關， 運動又可以提高機體BDNF水平， 因而可以合理假設BDNF是運動促進認知的生物學機制之一。但是， 也有一些研究結果顯示， BDNF并不能介導運動的認知效益。例如， Rond?o等（2022）研究發現， 運動后老年人BDNF水平下降， 說明運動不能穩定地增加機體BDNF; Etnier等（2016）發現， 單次運動后不同運動強度組BDNF水平均立即顯著增加， 隨運動強度增加， BDNF的變化在組間沒有顯著差異， 而長時記憶卻在最大強度運動后被觀察到最大益處， 這表明BDNF和記憶之間沒有顯著關聯， 運動后認知表現和BDNF水平的變化可能不完全同步。諸如此類的不一致結果使得BDNF作為運動促進認知的生物學機制這一理論假設受到了挑戰， 為運動促進認知領域的理論機制研究帶來了考驗， 也為BDNF在實證研究中的應用制造了阻礙， 因此， 需要進行梳理、呈現和思考。

綜上， 本文將探討BDNF作為運動促進認知的生物學機制的證據與挑戰， 試圖厘清影響BDNF標志運動認知效益的準確性的因素， 以期回應BDNF能否及如何介導運動促進認知的生物學過程。進而， 在理論上， 為運動認知效益的生物學機制研究提供有效補充， 為BDNF作為運動效果的生物標志物提供科學依據; 在實踐中， 促進BDNF作為運動的認知效益的客觀指標在研究中的應用， 為科學運動處方的制定提供理論指導。同時， BDNF改善認知的機制還為神經退行性疾病的藥物研發提供新思路（Banerjee amp; Shenoy， 2023）。期望本文為運動促進認知效益的機理和實踐提供新的視角， 進而助力體育強國、健康中國建設。

2" BDNF作為運動促進認知生物學機制的證據

BDNF在運動促進認知中的作用已在很多前人以動物或人為被試的實驗研究中得到驗證， 為該理論假設的成立提供了一些證據支撐。

2.1" 以動物為被試的實證證據

來自動物實驗的證據主要是對單次及長期運動后， 動物腦內BDNF水平和認知能力變化的測量情況， 以及運動后阻斷BDNF信號或直接給予BDNF對動物認知能力的影響。

首先， 無論單次還是長期運動后， 動物體內BDNF均會增加， 認知表現也相應提升。例如， 研究發現單次低強度有氧跑步運動已經可以大幅增加小鼠大腦皮層和海馬的BDNF mRNA及蛋白質水平， 并提升其Morris水迷宮任務表現， 其中學習速度最快、記憶力最好的小鼠BDNF mRNA表達水平也最高。Müller等（2020）研究表明， 休息時乳酸輸注可以增加小鼠外周和中樞的BDNF水平， 模擬了人類無氧運動中骨骼肌乳酸分泌的情況。可見， 單次低強度的有氧或無氧運動均可改善小鼠腦內BDNF水平及其學習與記憶能力， 這為BDNF作為單次運動促進認知的生物學機制提供了證據。Seifert等（2010）在長期研究中發現， 持續5周的跑步機訓練能使小鼠靜息狀態下的海馬BDNF mRNA水平比未訓練組高出38%， 而大腦皮層BDNF mRNA水平與未訓練組相當。可見， 長期運動可顯著提高動物的靜息BDNF水平， 其中在海馬效益更佳， 這似乎可以解釋與之伴隨的記憶能力改善。

其次， 運動后阻斷BDNF信號， 會削弱認知功能的提升。運動干預期間， 用Cre重組酶靶向敲除BDNF基因， 或用特異性免疫粘附素嵌合體（TrkB-IgG）阻斷運動組小鼠海馬中BDNF信號后， 均發現原本隨運動提高的學習和記憶能力又降回到久坐水平， 甚至長期記憶（Long-term Memory， LTM）也出現損傷。這表明， 抑制BDNF作用可以阻斷運動對認知功能的益處。此外， 有研究發現直接給予動物BDNF可以有效改善其認知表現。例如， Buchman等（2016）和Damirchi等（2018）分別在老年嚙齒動物和靈長類動物中給予BDNF， 發現可以逆轉神經元的萎縮， 增加突觸數量， 導致神經發生， 衰老伴隨的認知和記憶水平下降得到了緩解。這也為運動通過上調BDNF進而改善認知的理論假設補充了有力證據。

綜上， 動物研究中的數據表明， 單次和長期運動均可顯著提高小鼠BDNF水平， 同時提高其學習與記憶表現， 阻斷BDNF信號會削弱運動的認知效益， 給予BDNF又可改善其認知表現， 運動對認知的促進與BDNF息息相關。這似乎可以證明， BDNF是運動促進認知的生物學機制。然而， 在以人為被試的實驗中， 結果卻存在矛盾， 一些研究驗證并支持這一假設， 一些研究則得出不一致的結論， 下文我們將具體討論。

2.2" 以人為被試的實證證據

對人類參與者進行的實驗中， BDNF在運動促進認知中的作用也已在不同類型的運動、不同年齡的被試人群中得到驗證， 諸多研究中還發現了運動劑量對BDNF水平及認知變化的相似影響。

首先， 不同類型的運動對BDNF和認知表現的效益已在不同年齡人群中得到檢驗。例如， Zhou等（2022）通過元分析發現， 與不運動相比， 有氧訓練、高強度間歇訓練、多模式訓練、抗阻訓練和有氧聯合抗阻訓練都能顯著提高健康和非健康人群的血清BDNF水平。Dinoff等（2017）通過元分析也得出， 有氧訓練和抗阻訓練在單次運動后都能顯著增加外周血液中BDNF含量。Inoue等（2020）發現單次中等強度連續訓練和高強度間歇訓練均能顯著增加BDNF水平和執行功能表現。Casta?o （2022）等則得出， 相比傳統抗阻訓練， 抗阻結合認知訓練更能顯著改善老年人認知功能和BDNF水平。此外， 疊杯子（Yang et al.， 2022）等精細運動， 易筋經（劉瑾彥 等， 2018）、太極拳（Park et al.， 2023）、八段錦（張曉羽， 趙海濱， 2024）等大肌肉運動都可以顯著提高外周BDNF水平， 促進認知表現， 且認知得分與BDNF水平正相關。運動對BDNF和認知的效益也已在青少年（De Azevedo et al.， 2020）、成年人（Fernández-Rodríguez et al.， 2022）、老年人（Sungkarat et al.， 2018; Setayesh et al.， 2023）群體中都得到顯現?？梢?， 上述不同運動類型對BDNF和認知的效益均可以在不同年齡群體中實現。

其次， 單次運動后機體BDNF和認知表現均能出現短暫的顯著提升， 而長期運動干預后， BDNF和認知表現的提升能持續存在一段時間， 且呈現一定的同步性。例如， Hwang等（2016）研究發現， 相比不運動對照組， 20 min的急性高強度有氧運動即可使年輕被試的外周BDNF水平、抑制控制和認知靈活性表現顯著提高， 且BDNF濃度與認知靈活性（TMT Part-B分數）在運動前后的變化顯著相關， 但BDNF在運動結束30 min后就回到了基線水平。與之一致， Marinus等（2019）的元分析也發現， 單次運動能引起外周血液中BDNF濃度的短暫增加， 而長期規律的運動訓練被發現可以顯著提高靜息狀態的BDNF水平， 且停止訓練一段時間后效果依然存在。Huang等（2021）通過元分析進一步發現， 單次和長期運動干預都可以使阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease， AD）或輕度認知障礙（mild cognitive impairment， MCI）等認知癥患者的外周BDNF水平提高45%， 16周以上或更長持續時間的干預可引起BDNF水平的更高增長。可見， 單次和長期運動均可上調機體BDNF水平和認知表現， 且兩者密切相關， 而長期運動的積極作用可能更佳且能維持更久。

再者， 運動與認知表現促進和BDNF水平提升的量效關系存在一定相似之處。行為學和腦科學證據顯示， 運動強度與認知表現呈倒U型關系。一定范圍內， 隨著運動強度增加， 認知表現也增加， 而運動強度過高則會損害認知表現。與之一致， Fernández-Rodríguez等（2022）通過元分析發現， 高強度運動比低強度運動對BDNF增加更有效， 即隨運動強度增加， BDNF濃度的提升效果也更佳。而依據動物研究結果， 隨著運動強度持續升高， BDNF水平不會無限升高。即運動強度對BDNF的促進可能也存在一個適中的最佳劑量?？梢?， 認知表現與BDNF水平隨運動強度的變化情況可能均符合倒U型曲線關系。此外， Dinoff等（2017）的元分析關注到運動持續時間的影響， 持續時間超過30 min的身體活動會產生更多的BDNF。Marinus等（2019）通過元分析得出， 在有氧運動中， 為了增加外周血液中BDNF濃度， 應該達到足夠的運動時間/運動強度; 力量訓練中， 為誘發長時間的肌肉緊張和BDNF生成， 達到足夠的阻力和重復次數也很重要。而Rodríguez‐ Gutiérrez等（2023）的元分析卻表明， 高強度間歇訓練是急性增加成人外周血BDNF水平的最佳訓練方式。可見， 足夠的運動強度和時間似乎能誘發BDNF的更高增長， 但其最佳劑量和在不同運動形式中的聯合作用機制還未明確， 當前對提高BDNF的最佳運動形式、持續時間、頻率、強度方面的研究還有待進一步深入。

單次和長期不同類型的運動對BDNF水平和認知表現的促進作用已在青少年、成年、老年人中得到顯現， 且認知表現的提升和BDNF的變化相關， 均與運動強度呈倒U型曲線關系?？偟膩碚f， 與Loprinzi （2019）的系統綜述結果一致， 動物模型中BDNF在運動?認知中的介導作用已得到證明， 而人類研究中仍有一些不一致結論。例如Qing等（2022）發現在促進健康青年男性血清BDNF水平及認知功能方面， 高強度間歇訓練20 min比30 min更有效， 質疑了運動對BDNF和認知的正向效益， 阻礙了理論的發展。

造成動物模型和人類研究結果差異的可能原因眾多。首先， 由于生理遺傳、后天環境和實驗中干預及測試方案的差異， 動物模型無法完全反映人類的情況。例如， 當前有關BDNF的動物模型實驗中， 實驗動物基因同源性高、飼養環境高度一致、運動干預類型單一（多為有氧跑步運動）、對認知功能的測試方法單一（多通過水迷宮任務、物體識別等）; 然而， 人類實驗中， 人類參與者基因差異大、生活環境豐富性高、運動干預手段多樣、對認知功能的測試方式多樣， 且BDNF還受到如社會交往、壓力、營養等諸多額外因素的影響， 使得人類實驗中的額外變量更多， 可能導致其不確定性增加。再者， 在實驗設計中， 大多數動物實驗在樣本隨機分組、多假設調整測試及實驗結果盲選評估等方面存在缺陷， 且出于倫理和經費的考慮， 研究者們往往會盡可能少用實驗動物， 也就是說樣本規模會盡可能小， 這也可能導致結果的偏差。諸如上述原因， 即使是高質量的動物實驗研究， 轉化為人類臨床應用的比例也很低。

因此， 學界對于將BDNF作為運動促進認知的生物學機制這一結論還需持謹慎態度， 其背后機制有必要加以梳理。這也提示我們， 未來就BDNF在運動促進認知中的作用還應以人為被試展開大量實驗， 嚴格控制額外變量， 以得到可供參考和比較的實驗結果， 進一步探明各影響因素的相互作用機理。

3" 對運動?BDNF?認知間關聯的挑戰

如上文所述， BDNF作為運動促進認知的生物學機制已有一定的理論依據和實證證據作為支撐。但是， 要想闡釋清楚BDNF在運動促進認知過程中的中介作用， 從運動到BDNF， 從BDNF到認知， 還需滿足幾個條件：第一， 運動能穩定地提升機體BDNF水平; 第二， 運動后BDNF的提升與認知表現的提升相對應。然而， 一些人體研究中發現， 這些條件并非始終成立。有時運動后BDNF水平沒有如預期升高; 有時運動后BDNF升高了， 認知表現卻沒有發生相應的改善。這些結果使得BDNF作為運動促進認知的生物學機制這一理論假設受到了挑戰， 下文將進一步探討。

3.1" 對運動與BDNF表達間關聯的挑戰

盡管在動物（特別是小鼠）中進行的研究顯示， 不同運動模式下BDNF的增加是相當一致的， 而在人類研究中， 存在一些人群BDNF不隨運動增加、一些運動后BDNF未如預期增加的情況。這些結果挑戰了BDNF表達對運動的依賴性。

首先， 在一些特定人群中， 運動對BDNF水平的促進作用并非穩定存在。例如， Damirchi等（2018）對久坐MCI老年女性的研究中， 運動組的后測BDNF水平沒有如認知訓練組和運動認知結合訓練組一樣顯著升高， 甚至還有所降低。這表明， 對于這一特定人群（被診斷為MCI的老年女性）， 認知訓練可能比運動更能有效提升BDNF水平。Rond?o等（2022）研究發現， 無論運動與否， MCI老年人24周后BDNF均有所下降， 但運動組下降更少， 產生這種結果的原因可能是年齡的負向影響超過了運動帶來的積極效應。這提示我們， 久坐、年老和認知受損都可能會導致機體BDNF水平較少受到運動的影響， 或是在這些人群中較難觀察到BDNF在運動后的顯著變化， BDNF或難以標志這些人群運動的認知效益， 但還需要更多證據來探明。

其次， 不同形式的運動對BDNF的促進作用不一致， 且并不總是有效。例如， Marinus等（2019）通過元分析發現， 抗阻訓練和有氧抗阻聯合訓練是提高老年人外周血液中BDNF濃度的有效方法， 而有氧訓練并沒有顯著地引起這種反應。與之相反， Huang等（2021）的元分析表明常規有氧運動比抗阻運動和有氧抗阻聯合訓練更能顯著提高BDNF水平?？梢?， 不同運動形式對BDNF的促進作用有差異， 但當前研究還未得出一致結論， 其原因可能是不同運動形式致使BDNF含量升高的機制有所不同， 在不同人群中與運動其他特征聯合作用下產生了不同的效果， 有待進一步探究。Goda等（2013）和Nofuji等（2008）分別對日本成年男性和女性的研究發現， 中等強度有氧運動前后個體血清BDNF水平沒有顯著變化， 與不運動組無顯著差異。經分析， 這一方面可能是由于慢性壓力會抑制個體海馬BDNF的表達（Miranda et al.， 2019）， 這一點在動物研究中已被證實; 另一方面表明， 有氧運動訓練并不總是能增加個體BDNF水平。Castells-Sánchez等（2022）研究發現， 12周有氧運動、認知訓練和運動認知聯合訓練前后， 被試BDNF水平在組內和組間比較均不顯著， BDNF水平對各組的認知增益沒有顯著的中介效應。這挑戰了BDNF在運動促進認知中介導作用的存在， 也提示我們， 不同運動形式和劑量對BDNF的影響及差異還有待進一步闡明。

綜上， 久坐的生活方式、壓力、認知障礙等腦部疾病、年老帶來的腦部退行均可能導致相關人群外周BDNF水平受運動干預的影響較不突出， BDNF的釋放可能對部分運動形式不敏感， 未達到一定劑量的運動也不能引起個體BDNF水平的升高。因此， BDNF水平隨運動增加的效果不穩定， 使得運動對BDNF水平的促進作用受到挑戰。這提示我們， 若有其他因素比運動更能影響BDNF水平， 那么BDNF作為運動促進認知的生物機制的可信度將大大降低。由于人體BDNF水平的影響因素較多， 如同類研究中運動干預方式廣泛、BDNF水平的測量手段多樣、被試人群的異質性高等， 均會影響到運動后BDNF水平的變化情況， 降低研究結果的準確性和有效性， 降低各項相關研究的可比性。因此， 在今后相關研究中， 應嚴格控制這些額外變量的影響， 以更加科學有效地揭示運動對BDNF水平的促進作用。

3.2" 對運動后BDNF表達與認知表現間關聯的挑戰

研究表明， 定期進行鍛煉對大腦健康有許多積極影響。單次劇烈運動可短暫改善認知功能， 而長期運動訓練可以提升大腦的可塑性， 長久地改善大腦功能， 且有助于避免神經系統疾病的發生（Walsh amp; Tschakovsky ， 2018）。然而， 在運動進程中、不同認知維度上， 運動對不同運動習慣人群認知表現的提升并非始終與BDNF的變化相對應。這挑戰了運動后BDNF表達與其認知效益間的關聯。

首先， BDNF和認知表現在運動進程中的增減不一致， 達到頂峰、恢復基線的時間不同步。例如， Kovacevic等（2020）研究發現， 與適度持續運動組和伸展運動組相比， 高強度間歇訓練組的久坐老年人干預后獲得最佳記憶表現， 但各組BDNF水平均無顯著變化。Grégoire等（2019）發現8周的下半身力量聯合有氧訓練、上半身力量聯合有氧訓練、大肌肉運動都可以改善認知功能， 各組認知表現無顯著差異， 但大肌肉運動后血漿BDNF濃度的增加比有氧訓練更大， BDNF濃度的變化與認知表現之間沒有相關性。可見， 運動后BDNF和認知表現的變化方向有時不一致， BDNF并非運動提升認知表現的唯一機制， 一些情況下， 其他機制占據主導， 使得認知表現在BDNF未提高時就有所提升， 諸如此類結果動搖了BDNF在運動促進認知中的關鍵作用。另外， 一些研究發現， 單次運動后頸靜脈血液中BDNF濃度立即增加， 休息1 h后恢復到靜息水平。然而， Hwang等（2016）研究表明急性運動后認知表現的最大影響主要在11～20 min內觀察到， 也有元分析得出急性運動后20 min后評估認知表現最能觀測到積極影響（Chang et al.， 2012）， 還有研究發現認知功能的改善可以在運動后維持2 h （Basso et al.， 2015）。這表明， 認知表現和BDNF隨急性運動變化的時間進程可能不一致， 可能原因有：不同研究中BDNF和認知表現的測量時間不同步; 認知表現測量方式有差異; BDNF樣本采集類型和位置帶來的誤差等。再者， 研究發現BDNF達到一定水平后不會繼續無限提高認知能力， BDNF過表達甚至會引起學習缺陷和短期記憶障礙（Cunha et al.， 2009）。這提示我們， 在對認知的促進中， BDNF并非多多益善， 能達到最佳認知效益的BDNF濃度還有待探明。此類結果挑戰了運動中BDNF與認知表現的關聯， 也提示我們， BDNF和認知表現的測試方案可能是影響實驗結果的重要因素， 需在未來研究中予以關注。

其次， 運動對不同認知維度的影響存在差異。同一運動方案對不同認知能力影響不同， 不同運動方案對認知功能不同維度的影響也有所不同。研究發現， 有氧運動、無氧運動對前額葉依賴性的抑制控制、工作記憶和認知靈活性等執行功能成分有正面影響（路毅， 鄧文沖， 2021）。相比之下， 太極拳、舞蹈等協調性要求較高的有氧運動， 還對老年人的語言流暢性、視覺表現以及學習能力有促進作用， 并且中等強度效果最佳（Tao et al.， 2017）。不同強度運動對不同類型的記憶也有不同的影響， 有研究發現劇烈運動對短期記憶和工作記憶沒有好處， 但對長期記憶有好處（Coles amp; Tomporowski， 2008）。造成此類結果的可能原因是不同類型和劑量的運動對認知功能的促進機制有所不同， 對不同維度認知功能的促進作用也存在差異。這提示我們， 未來研究還需進一步探明運動對認知功能不同維度的促進作用機制， 及其劑量?效應關系。

再者， 運動提升的BDNF與不同維度認知能力的關系也存在差異。依據動物模型中的發現， 運動后BDNF在機體內主要產生和分布于海馬體， 大腦皮層次之。似乎可據此推斷：BDNF主要與海馬體和大腦皮層相關的學習、記憶等高級認知功能有關， 與簡單認知維度則關系較弱。在以人為被試的研究中， Farrukh等（2023）通過元分析探討了運動療法對老年女性BDNF水平及認知功能的影響， 發現所有研究中BDNF均有中度且顯著的改善， 當觀察不同的認知結果時， 只有精神運動速度和視覺注意力在鍛煉后有顯著改善， 而簡易精神狀態檢查表（Minimum Mental State Examination， MMSE）評分只有微小但不顯著的改善。這表明， 運動提升的BDNF并非和所有認知功能都相關， 其背后原因可能是運動中BDNF在腦內各部位含量的提高不均等， 使得不同腦區涉及的認知維度的提升效果也參差不齊。為進一步探究運動產生的BDNF與不同認知維度的關系， 我們系統檢索了運動、認知、BDNF相關的隨機對照實驗研究， 結果在篩選得到的45篇文獻中發現， 執行功能和記憶作為結果指標分別出現了25次和20次， 整體認知功能出現了10次， 其余子維度則研究較少。運動前后， 機體執行功能與BDNF濃度的一致提升在18/25的研究中得以驗證， 記憶與BDNF的一致提升在11/20的研究中得以驗證， 而支持BDNF介導運動促進整體認知功能、注意和語言能力的研究分別有4篇、2篇、2篇。Komulainen等（2008）提出BDNF水平的降低與老年人認知能力的下降有關， 尤其是在記憶方面， 而不是在執行功能方面。然而， de Assis和de Almondes （2017）系統綜述發現老年人長期有氧運動后BDNF水平和執行功能均能提升， 肯定了運動提升執行功能背后BDNF所起到的重要作用。由此可見， 現有研究中， 執行和記憶是目前被研究和證實最多的與BDNF相關的認知維度， 但還有將近一半研究不支持BDNF在其中的作用。依據現有研究的數量和質量， 還不足以分別論證BDNF在運動促進不同維度認知功能中的作用并進行比較。再者， 元分析證據表明， 認知任務類型會調節急性和長期運動對認知效益的影響（Lambourne amp; Tomporowski， 2010）， 運動對測量執行功能的任務的影響明顯大于任何其他類別的認知任務（Chang et al.， 2012）， 這提示我們， 研究中認知測試的任務選擇可能會造成研究結果的差異， 未來研究還需進一步關注和探究BDNF與不同認知維度的關聯機制， 并探明運動產生的BDNF作用于不同認知維度的機理。

此外， 在具有不同運動習慣的人群中， 靜息BDNF水平有時不與堅持運動習慣的時長相對應， 有時不與認知表現相對應。例如， Oztasyonar （2016）發現運動員的靜息血液BDNF水平高于久坐不動的人， 這與長期運動引起認知功能提高相符。但Nofuji等（2008）發現， 與久坐不動的人相比， 長期運動的男性血清BDNF水平較低， 且與每日總能量消耗、運動相關能量消耗和步行次數呈負相關。這質疑了長期運動對BDNF水平的促進作用。另外， Babaei等（2014）對運動員和久坐人群進行了比較研究， 也發現長期運動者的靜息BDNF水平較低， 但他們的記憶能力并未受損， 反而表現得更好。不同運動習慣人群的靜息BDNF水平和認知表現不呈現正相關， 這表明運動對大腦健康的益處可能并不主要是通過BDNF介導的， 其背后可能有不同被試人群飲食習慣、生活環境以及其他未知因素的作用， 使得BDNF標志運動的認知效益的準確性受到了挑戰。

綜上， BDNF和認知表現隨運動在時間尺度上的變化進程不一致， 不同運動對認知表現、運動對不同認知維度、運動上調的BDNF對認知功能不同維度的影響存在差異， 不同運動習慣的人群之間認知表現和BDNF水平不相對應， 質疑了運動上調BDNF進而促進認知的理論。上述挑戰提示我們， 當前研究還存在諸如研究設計、額外變量控制（被試選擇、運動方案設計、認知功能測試、BDNF測試）等方面的局限性， 例如， BDNF對認知的促進作用是由腦內BDNF引發， 然而當前技術無法直接測量人類被試腦內BDNF的含量。大多研究從外周（指尖、肱動脈、頸靜脈）采集血樣， 也有研究采集骨骼肌組織（Máderová et al.， 2019）、唾液（Moreira et al.， 2018）等樣本測量BDNF含量， 甚至同一采血位置的血清和血漿中測得BDNF水平也被發現存在較大差異（Máderová et al.， 2019; Huang et al.， 2021）， 導致各研究測量的BDNF水平與腦內BDNF含量的誤差參差不齊， 降低了各研究的準確性和可比性。而且， 目前仍未對BDNF和認知表現隨運動變化的進程和量效關系研究透徹， 未厘清運動和BDNF對認知功能不同維度的影響差異， 產生了爭議的空間。基于上述證據與挑戰， 分析當前研究的局限性， 為未來研究提供有參考價值的建議對于該領域未來的研究進展和突破非常有意義。

4" 未來研究展望

盡管從生物學機理的角度可以將BDNF作為運動促進認知的機制來解釋， 這也在動物實驗和部分人體實驗中得以印證。然而， 一些人體實驗結果對此提出了挑戰。為了更好地厘清BDNF在運動促進認知中的作用機理， 進而為促進BDNF在運動認知研究領域和臨床實踐中的廣泛應用提供理論依據， 在未來研究中至少應該關注以下幾個方面：

第一， 研究者需要設計中介效應實驗方案， 以檢驗BDNF在運動促進認知中的作用所在。前人研究在實驗方案的設計上， 多通過兩兩相關間接推導， 未對BDNF在認知表現隨運動變化的進程中扮演的角色研究透徹， 無法有力證明BDNF在運動促進認知中的中介作用。因此， 未來研究需要嚴格設計檢驗中介作用的實驗， 以期揭示運動進程中認知表現和BDNF的變化趨勢的關系， 明確BDNF在運動促進認知過程中的作用， 為BDNF作為評估運動的認知效益的生物標志物提供高質量的證據， 助力其在研究中的廣泛應用。

第二， 未來實證研究需要細化研究設計， 探究不同變量的調節效應， 并對額外變量進行適當控制。運動方案、被試人群、BDNF測試、認知測試等變量都會影響到實驗測得的BDNF水平， 前人研究一方面在這些變量上異質性較高， 減低了研究結果的準確性和研究間的可比性。另一方面， 對各變量的調節效應還未研究透徹， 阻礙了理論的發展。因此， 未來研究中我們需要細化研究各變量的調節作用， 同時控制無關變量， 以進一步揭示運動促進認知中BDNF的作用。首先， 在運動方案的選擇中， 需細化研究運動形式、時間、強度、能量消耗、認知負荷分別對認知和BDNF的效益。除去研究選定的自變量， 其余因素應得到嚴格控制， 從而探明有氧、抗阻等不同形式的訓練究竟何者最優、各自最佳的運動時間和強度如何、認知負荷的高低如何影響其效應等問題。其次， 在被試人群的篩選中， 需細化研究年齡、性別、基因、疾病、運動習慣、壓力水平等對BDNF基線水平以及運動后增長情況的影響， 若選取特定人群， 則應排除其他因素的干擾。除去被試篩選中可以控制的變量， 實驗中還需控制不同組別間實驗室環境或采血相關的壓力， 以防其掩蓋運動對BDNF水平的影響。再者， 在BDNF的測試中， 需細化研究樣本類型、取樣位置的選擇對結果的影響， 基于前人研究， 以血液為樣本比骨骼?。∕áderová et al.， 2019）、唾液（Moreira et al.， 2018）等更能反映腦內BDNF含量; 短時間劇烈運動使用血漿來測量BDNF， 長期運動使用血清最能看到BDNF的變化（Jemni et al.， 2023）; 選擇頸內靜脈置管（Seifer et al.， 2010）采集血液比肱動脈、指尖等處采血對運動的反應更靈敏。最后， 在認知測試中， 需細化研究測試時間、測試內容的選擇對結果的影響。測試時間的選擇需考慮與BDNF測試的時間相對應， 以及運動強度的調節作用， 若運動強度較低， 則運動后立即評估認知表現最易觀察到益處， 若運動強度較高， 則運動后延遲評估的認知表現更好（Etnier et al.， 2016）; 且由于不同運動對認知功能不同維度的影響存在差異， 認知測試任務的選擇需全面和具有針對性（Miranda et al.， 2019）。由此， 獲取更充分的行為學實驗和生化實驗證據， 驗證BDNF在運動促進認知中的中介作用是否存在， 以回應前人研究中的證據與挑戰。

第三， 未來研究需進一步明確運動與BDNF、BDNF與認知之間的量效關系。前人研究對運動與BDNF， BDNF與認知表現的量效關系研究還不透徹， 何種劑量、持續時間的運動能引起BDNF的最大提升， BDNF在體內的含量達到多少最有利于認知表現還沒有明確結論， 這些問題阻礙了科學運動處方的研制和BDNF在臨床的運用。因此， 未來研究可以進一步探討BDNF在運動促進認知中的量效關系。探究更能反映腦內BDNF表達、對應認知表現變化的BDNF測量指標， 標準化BDNF的測量方案， 從而提高未來研究的準確性。進而， 比較不同強度和持續時間的運動對人體BDNF含量的影響， 得到促進BDNF生成的最佳運動劑量; 比較不同BDNF水平（非運動引起）下認知表現的整體差異， 得到促進認知的BDNF最佳劑量; 比較不同BDNF水平下不同維度認知表現之間的差異， 驗證BDNF是否與高級認知功能更相關。由此， 在實踐方面， 有望實現以促BDNF生成劑（Banerjee amp; Shenoy， 2023; Stringham et al.， 2019; Lourenco et al.， 2020; Traylor et al.， 2022）或運動手段促進人體BDNF釋放， 進而達成認知增益效果的構想， 為神經退行性疾病的藥物研制和治療提供新思路， 也為需提高認知表現的人群提供新處方。在研究方面， BDNF還可作為評估運動效果的生理指標， 探究上調BDNF水平的最佳運動形式和劑量， 為相關研究的開展， 科學運動處方的設計提供助力。

第四， 研究者可使用中介效應檢驗的元分析方法， 同時對運動、認知、BDNF三者的關系進行檢驗， 探討BDNF在運動促進認知過程中的中介效應， 并細化潛在調節效應測試。該領域現有元分析多僅關注運動和認知， 或運動和BDNF兩變量之間的關系， 探討不同被試人群特征或不同運動方案的調節作用（de Azevedo et al.， 2020; Fernández-Rodríguez et al.， 2022）。偶有對運動、BDNF、認知三者進行的元分析， 但依然是兩兩比較（Farrukh et al.， 2023）。目前尚未見直接對BDNF在運動促進認知中的中介效應進行元分析的研究， 這阻礙了BDNF作為運動促進認知的中介的理論機制的發展。因此， 在未來研究中進行一個中介效應的元分析以獲得高質量的證據十分有必要。在納入文獻的選擇中， 應關注自變量（運動/對照）、因變量（認知）以及中介變量（BDNF）相關數據的可獲取性。面臨相關系數的缺失時， 可考慮利用均值、標準差、t值、F值和效應量（d或g值）進行轉換（Lipsey amp; Wilson， 2001; Morris， 2008）。在檢驗研究異質性時， 應關注不同研究的干預手段、認知及BDNF的測量手段及被試人群差異造成的異質性， 并細化分析上述各額外變量的調節效應， 以期量化整合難以歸納的針對不同人群、不同運動的研究結果， 為BDNF介導運動促進認知的理論假設補充有力證據。同時， 還需進一步探究影響BDNF作為運動促進認知的中介的準確性的因素， 構建運動促進認知過程中BDNF中介作用以及各變量調節作用的結構模型。這一思路為缺乏條件設計完成嚴謹的中介實驗的研究者提供了新視角， 也期望研究者開發出更適用的中介效應檢驗的元分析方法， 為心理學領域干預機制的研究提供新手段。

本文通過對BDNF作為運動促進認知生物學機制的證據與挑戰進行回應， 期望引發該領域研究者的思考， 通過實證檢驗和二次數據分析， 運用科學證據對運動通過上調BDNF促進認知這一理論假設進行質疑、反駁、辯護、論證、推理和重構， 進一步豐富運動促進認知的生物學機制， 發展BDNF在運動的認知效益中的作用機理研究， 助力其在科研和臨床中的運用， 進而助力健康中國建設。

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Is BDNF an underlying biological mechanism in exercise-induced cognition？ Evidence， challenges， and prospects

GUO Yi， ZHANG Lian-cheng， TAO Ying-ying， ZHU Liang-hao， WANG Ting

（Key Laboratory of Psychological and Physiological Regulation in Athletics，

Tianjin University of Sport， Tianjin 301617， China）

Abstract： Exercise elevates the body’s levels of brain-derived neurotrophic factor （BDNF）， which is strongly associated with cognitive performance. This raises the question： Is BDNF a biological mechanism through which exercise enhances cognition？ Based on biological mechanisms and experimental evidence from animal models and humans， it has been inferred that exercise may improve cognitive function by increasing BDNF levels in the body. However， some human studies have reported inconsistent findings， such as a failure of exercise to elicit a corresponding increase in BDNF or discrepancies between cognitive performance improvements after exercise and changes in BDNF levels. Notably， the conclusions of previous studies are often derived indirectly， and the time course of changes in BDNF and cognitive performance in response to exercise has not been thoroughly investigated. Furthermore， numerous factors influencing BDNF have diminished the accuracy and comparability of existing results， hindering the development of theories and the practical application of BDNF-related findings. To address these challenges， future studies should systematically collate and analyze relevant evidence while clarifying research themes. Rigorous mediation experiments and meta-analyses of mediation effects should be designed， with strict control over variables such as exercise protocols， participant populations， and measurement methods. Additionally， further refinement of tests for potential moderating effects is essential to validate the mediating role of BDNF in the cognitive enhancement effects of exercise. Investigating the quantitative relationships between exercise-induced BDNF changes and cognitive performance improvements， as well as the specific effects of BDNF on different dimensions of cognitive function， will provide valuable insights. This research will offer theoretical guidance and substantial contributions to the study of biological mechanisms underlying exercise-induced cognitive benefits， inspire new perspectives on exercise practices， and support the promotion of public health and the construction of a healthy society.

Keywords： BDNF， exercise， cognition