運動對腦認知功能的調控作用

摘 要：運動不僅可以有效防治糖尿病、心血管疾病、腫瘤等慢性非傳染性疾病，同時對于精神疾病和神經退行性病變也有較好的早期干預效果.因此，運動成了公認的無創性腦認知功能調節方法，不同種類的運動均可有效降低中長期精神疾病風險.從運動對學習、記憶、情緒、睡眠覺醒節律等幾個方面，闡述運動對腦認知功能的調控作用及機制，以期能夠為選擇適當強度的運動訓練方案，制訂“運動處方”、提升腦認知能力提供理論依據.

關鍵詞：運動；腦認知功能；學習記憶；情緒；睡眠覺醒節律

中圖分類號：G804.2 文獻標志碼：A文章編號：1000-2367（2025）03-0020-07

近年來，運動對腦認知功能的調控作用備受關注，適度運動能夠提高認知水平已獲得廣泛共識.據不完全統計，目前已發現有超過20種不同的內分泌激素、細胞因子或代謝產物可以直接、間接地對腦內突觸功能產生調控效果^［1］.研究表明，運動可誘導特定組織釋放相應的生物活性因子即運動因子，分泌到血液中以較遠部位發揮調節作用，促進大腦健康和認知功能，主要表現為海馬體體積和血流量的增加、樹突和樹突棘的形態變化、突觸可塑性的增加等^［2］.在模型動物實驗中發現，運動可誘導腦源性神經因子（brain-derived neurotrophic factor，BDNF）表達水平升高，這對于增強海馬的學習記憶功能和提升突觸可塑性至關重要^［3］.多項研究已證實，單次適度有氧運動可改善青春期前兒童和老年人的抑制性控制、認知靈活性和學習記憶^［4］，且有氧運動和阻力運動均能夠增強和鞏固大鼠的記憶^［5-6］.因此，目前的研究觀點認為，機體運動過程可產生相關運動因子調控其組織器官，進而在整個生命周期中對腦功能產生積極的影響，既能夠提高認知能力^［7］，也可以緩解抑郁癥等大腦相關性疾病^［8］，但不同運動時間、不同強度和模式以及不同的運動因子對腦功能調節的潛在機制還有待深入研究.如表1所示，本文將從學習記憶功能、負性情緒及睡眠覺醒節律3個典型的認知過程出發，對運動改善腦認知功能的作用機制及研究現狀進行綜述，同時關注不同運動方式、時間及強度對腦認知功能的調控，以期為運動作為臨床治療手段提供參考.

1 運動對學習記憶功能的調節作用

高等生物具有利用新獲取的知識和過去的經驗產生行為變化進而適應環境的能力，這種能力被稱為記憶，而獲取新信息的過程被稱為學習，學習記憶在整個物種進化過程中至關重要^［9］.大量動物實驗研究以及基于人體的流行病學調查均表明運動能夠促進學習記憶的形成.研究發現有氧運動及抗阻運動均能促進大鼠的學習及空間記憶能力^［10］.除此之外，研究還發現12周的抗阻運動有助于大鼠在衰老過程中記憶的維持^［11］.針對健康年輕人的一項研究發現僅10 min的急性輕度運動即可改善記憶^［12］，而高強度的運動對心肺健康具有更強的影響^［13］，改善學習記憶的效果也更好.還有研究發現12個月的有氧運動干預能有效改善伴有阿爾茨海默氏病風險的老年人的記憶力^［14］.

運動改善學習記憶功能的機制主要包括以下幾個方面：（1）運動對學習記憶能力的改善可能與其對大腦的結構和功能產生的積極影響相關.大腦的學習記憶功能與海馬密切相關，而有氧運動與海馬區的大小存在正向相關性.研究發現，人體有氧運動1 a后海馬體積平均增加約2% ，而進行拉伸的人海馬體積平均降低約1.4%^［15］.基于模型動物的研究也發現運動能夠影響海馬區的神經發生及神經可塑性，并且這種影響可能與運動強度、運動頻率、運動量以及運動方式相關.首先，在運動強度方面，低、中等強度運動均可促進大鼠海馬齒狀回神經細胞增殖^［16］，中等強度運動還能促進小鼠海馬CA1 區神經發生，增加CA1 區樹突復雜性^［17］.其次，在運動頻率方面，研究發現長期運動可以有效增加海馬神經元數量，延緩海馬萎縮^［18］，其他研究也發現隔日低強度間歇訓練對大鼠海馬齒狀回神經發生最為有利，遞增運動強度的隔周訓練模式也可以促進大鼠海馬齒狀回神經發生^［19］，最后，在運動量方面，有研究發現，適度運動可減緩應激引起的海馬神經元損傷，抑制神經元凋亡，而過度運動后海馬神經元排列散亂、神經細胞結構松散，海馬神經元受到損傷^［20］；（2）營養因子也在介導運動改善學習記憶中發揮重要作用，低強度運動訓練通過增加神經營養因素影響學習記憶，也是對抗神經系統疾病的重要因素.如腦源性神經因子（BDNF），BDNF是一種活動依賴性蛋白質，在海馬體和皮層中高度表達^［21］，可通過調節參與學習和記憶關鍵受體—N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA）的活性來調節突觸的可塑性^［22］.研究人員發現，BDNF在血清中含量的提升能夠引起記憶相關腦區的激活，進而增強記憶^［23］.運動過程中肌肉收縮能促進骨骼肌中運動因子BDNF的產生，以旁分泌方式調控骨骼肌發育，調節記憶相關BDNF的產生和分泌，改變膜受體表達，進而改變突觸的可塑性，促進記憶.嚙齒動物研究的結果也證實BDNF的確介導了運動對神經可塑性和記憶力的有益影響^［24］.其他的營養因子如胰島素樣生長因子（insulin-like growth factor 1，IGF-1）也參與了運動對學習記憶功能的調控^［25］；（3）此外，研究也發現運動改善學習記憶功能可能還與神經炎癥及腦血流量等相關.例如有研究發現運動能夠上調小鼠血漿中抗炎因子簇集素的水平，而注射了運動小鼠血漿的年輕小鼠的學習記憶能力均有所增強，與模型動物的研究結果相一致，研究者還發現輕度認知功能損害患者在進行6月的身體鍛煉干預后，其血漿中簇集素含量水平有所上升，并且認知能力和記憶力也得到一定改善^［26］.綜合以上多項研究，不難發現恰當的運動能夠促進學習、記憶功能，但是還應該注意的是運動的效果除了受運動自身的影響，還受個人健康狀況與年齡等的影響.

2 運動對負性情緒的調節作用

近年來，多項研究表明運動對預防、治療抑郁等情緒障礙類疾病具有良好效果.很多基于模型動物的研究證實了慢性運動產生的抗抑郁和抗焦慮效果與藥物干預相似甚至更高^［27］.美國精神病學協會開展的一項前瞻性研究Meta分析報告稱，與體育活動水平較低的人相比，體育活動水平較高的人患抑郁癥的概率降低17%^［28］.實際上，有研究者發現30 min的運動療法即可改善抑郁癥患者的情緒，減少焦慮和抑郁癥狀^［29］.

目前多項基于運動療法治療抑郁或抑郁癥狀的臨床研究表明，不同類型與不同強度的有氧運動與無氧運動都具有抗抑郁作用.在運動調節嚙齒類動物的情緒相關實驗中表明，6周的自主跑輪運動和強迫游泳的有氧運動可有效改善AD模型小鼠的空間記憶以及焦慮抑郁情緒^［30］.一項近13萬人的系統性評估研究顯示運動能有效改善普通人群、抑郁癥患者及慢性疾病患者的抑郁和焦慮癥狀，研究還發現包括有氧、抗阻在內的所有運動方式均能改善抑郁和焦慮癥狀，且中高等強度運動的改善效果優于低強度的運動^［31］.有氧運動還被證實對抑郁病人的癥狀嚴重程度以及認知表現具有改善作用，IMBODEN等^［32］發現有氧運動具有與伸展運動程度相當的抗抑郁效果，并且對工作記憶也具有改善作用.而對于不同的人群而言，其適合的運動強度應根據其自身情況及是否可以長期堅持加以考慮.目前運動頻率對抑郁癥影響的相關研究不夠完整，大多數試驗調整為每周3～5次的鍛煉方案，運動計劃的持續時間從4～24周不等，大多數實驗選擇12周^［32］，根據現有研究來看，高頻率運動對預防和治療抑郁癥的效果較佳.

運動調節抑郁的生物學機制主要包括以下幾方面：（1）運動通過調控海馬神經細胞凋亡與神經發生干預抑郁癥.研究發現，有氧運動干預后可增加海馬體體積以及前額葉皮層（prefrontal cortex，PFC）和前扣帶皮層（anterior cingulate cortex，ACC）的灰質體積，進而改善中樞神經系統組織的形態結構，提高BDNF、VEGF和IGF-1等神經營養因子的水平，從而增強神經元可塑性，提高患者的學習、記憶能力與情緒調控能力^［33-35］；（2）運動通過調控神經遞質的表達改善抑郁癥.目前認為抑郁癥的主要病因是5-羥色胺（5-HT）和去甲腎上腺素（NE）等神經遞質功能失調^［36］.研究表明，規律性運動能夠防止全腦、海馬及前額皮質內單胺類神經遞質NE、多巴胺（DA）、5-HT及其代謝產物5-羥吲哚乙酸的含量下降，提高成年海馬細胞的增殖和存活率，進而防止抑郁樣行為的發生^［35］；（3）調節炎癥通路干預抑郁癥.運動通過調節運動因子中免疫細胞分泌的細胞因子，包括增加抗炎細胞因子 IL-10 的產生，減少促炎細胞因子IL-6表達水平，以及調控犬尿氨酸代謝過程中的犬尿氨酸3-單加氧酶的表達，降低神經炎性反應，減少神經毒性作用和認知功能損傷，進而改善抑郁癥^［37］；（4）適當運動可有效降低氧化性應激和炎癥，減少內皮損傷，提高抗氧化水平，并促進超氧化物歧化酶、谷胱甘肽過氧化物酶和谷胱甘肽還原酶的表達^［38］；（5）運動還可以通過誘導運動因子發揮抗抑郁的效應.運動因子是指急性或者慢性運動誘發釋放的信號分子，可通過自分泌、旁分泌、內分泌發揮運動保護效應，常見的運動因子包括脂肪細胞分泌的脂因子，肌肉細胞分泌的肌因子等^［39］.其中，瘦素是由脂肪細胞分泌的脂因子，可作用于中樞神經系統內的受體，調節下丘腦-垂體-腎上腺軸功能，促進海馬神經發生和平衡線粒體代謝保護神經分泌系統，進而介導運動的抗抑郁作用^［40］.

除了以上各信號分子介導的機制外，研究者還發現了運動調節抑郁情緒的神經傳導機制，主要涉及右側眶額葉皮層-杏仁核的功能鏈接.杏仁核是與紋狀體、額葉和顳葉結構相關的菱形大腦區域^［41］，在對負面情緒刺激的情緒處理反應中起主要作用^［42］.臨床研究發現，情緒障礙患者杏仁核灰質體積受損，杏仁核功能活動異常^［43］.而中等強度運動和高強度間歇運動可改善受試者的情緒，這其中涉及運動調節杏仁核反應性及其與右側眶額葉皮層和島葉的功能連接^［44］.研究發現，高強度運動干預后杏仁核和右前葉之間的功能連接升高，而低強度運動干預后功能連接降低^［45］.

3 運動對睡眠覺醒節律的調節作用

生物鐘是生物體內一種普遍存在的分子振蕩器，控制和調節大量行為和生理過程^［46］.哺乳動物的大多數生理過程和行為都存在晝夜節律的變化特征，以適應地球自轉產生的24 h光暗循環周期.睡眠覺醒節律是晝夜節律運行最為典型的生理性輸出表現，與運動之間具有非常復雜的相互影響.運動作為睡眠障礙患者的自助療法之一，對睡眠的有益調節作用得到了多方證實.

不同的運動強度可能會產生不同的睡眠調節效果.研究表明，長時間的高強度運動會因光線暴露的時間延長，抑制褪黑素的分泌，從而影響褪黑素的生物節律，進而影響睡眠覺醒周期及時長^［47］.在探究有氧運動對睡眠的影響時，美國運動醫學學會和美國心臟協會建議選擇30 min的適度運動^［48］，這對縮短入睡潛伏期、總睡眠時間和睡眠效率都具有有益影響.另外，運動強度的增加可能會使睡眠需求增加，從而提高睡眠效率.但一些研究也表明，運動強度對睡眠無顯著影響甚至呈負面影響.在美國學齡前兒童睡眠問卷評估顯示，體育鍛煉強度與睡眠問題無關.STAVROU等^［49］還發現，過高強度的訓練會干擾入睡，出現入睡困難、睡眠不安等癥狀.

運動改善睡眠/覺醒節律主要通過以下機制：（1）運動可通過調節情緒改善睡眠.已有研究表明，運動時分泌的5-HT和DA利于緩解壓力和負面情緒，心理壓力和負面情緒的減少有助于改善睡眠質量^［50］.且有研究表明，有氧運動結合抗阻運動可以抑制過度喚醒，減少睡眠潛伏期和增加慢波睡眠來改善睡眠質量；（2）運動可調節褪黑素的分泌從而調節睡眠覺醒節律.褪黑素由松果體分泌，是下丘腦視交叉上核感受光照明暗交替變化后分泌的晝夜節律體液標志物分子.褪黑素可通過激活MT1受體和MT2受體來調節睡眠，夜晚運動或者長時間的高強度體育活動會因光線暴露的時間延長，抑制褪黑素的分泌^［47］，進而影響睡眠/覺醒節律；（3）運動可以造成晝夜節律的相移，從而影響睡眠/覺醒節律，其影響效果與運動實施時間具有顯著關系^［51］.針對人類和嚙齒動物的研究表明，骨骼肌強度和氧化能力在24 h范圍內表現出顯著差異^［52］，因此，在一天中的不同時間運動，對機體的影響明顯不同.研究表明，小鼠晚間活動期的運動與早上活躍期的運動相比，減少了高脂肪飲食期間體質量的積累^［53］.基于人類研究表明：晝夜節律較為正常者，在晨練時出現晝夜節律相位提前（0.49±0.25） h，但在晚上運動時相位延遲（-0.41±0.29） h；相比之下，晝夜節律紊亂者于早晨或晚上運動益于調節相位變化^［54］.

運動持續時間和強度也可能會影響晝夜節律相移.有研究報道，3 h低強度運動和1 h高強度運動會引起幅度和方向相似的相移^［54］；深夜劇烈的有氧運動不會損害訓練有素運動員的睡眠^［55］，但可能會對未經訓練的人的睡眠產生負面影響^［56］.目前，已有研究表明適度的有氧運動可能是一種潛在的抑郁癥患者失眠的輔助治療手段^［57］，但對于不同的運動強度對人體睡眠/覺醒節律的影響以及哪種運動強度最為有利還需進一步探究.因此，基于時間類型的個性化運動時間處方可以緩解年輕人的晝夜節律失調.

4 展 望

越來越多的實驗及臨床證據提示運動能夠改善腦認知功能.盡管如此，運動療法尚未在臨床上被廣泛采用，個性化運動干預方案或稱“運動處方”的確定是限制其臨床應用的主要瓶頸之一.近日發布的《運動處方中國專家共識（2023）》明確了運動處方的內容包括運動頻率、強度、方式、時間、總量、運動進階6方面的基本內容，規定運動強度應設定出安全有效范圍；運動時間應設定出最低有效推薦量；運動頻率與運動總量以周為最小計量單位.該專家共識的發布將為針對腦認知功能改善的運動干預方案的確定提供指導.考慮到不同年齡組和人群在生理過程中的差異，運動對腦認知功能的調控作用研究應考慮不同年齡變化和個體差異等重要因素.應根據應用目的，制訂針對應用對象的精準的、個性化運動方案.因此，需開展大規模的臨床前人群流行病學調查，研究確定針對特定人群的運動干預方案.此外，運動改善腦認知功能的機制尚未研究清楚，目前已知的作用機制包括調控腦結構、腦血流量、突觸可塑性、神經連接及營養因子等.運動可影響身體的多個器官，并非通過單一機制介導對大腦及其功能的調控.最近的研究也發現外周器官在運動改善認知功能中發揮著重要作用，比如骨骼肌、肝臟、脂肪組織及腸道等.機制研究仍是未來運動走向臨床應用的關鍵，這不僅有助于運動方案的最終確定，也有助于發展基于運動的復合干預方案.值得注意的是，運動機體的多種器官組織，如肌肉骨骼系統、泌尿系統、呼吸系統、心腦血管系統、神經系統、代謝系統等均有調控作用，實際應用中，應從全局出發，綜合考慮后確定最終方案.

作者貢獻：文青和苗玉萌為共同第一作者.

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The regulatory role of motor activity on cognitive function

Wen Qing¹， Miao Yumeng^1，2， Song Lun^1，2

（1. Institute of Military Cognition and Brain Science， Academy of Military Sciences， Beijing 100850， China;

2. College of Life Sciences， Henan Normal University， Xinxiang 453007， China）

Abstract： Exercise has been widely proved to not only prevent and treat chronic noncommunicable diseases such as diabetes， cardiovascular disease and tumor， but also be a good early intervention strategy for mental and neurodegenerative disease. Therefore， exercise is recognized as a non-invasive method for regulating brain cognitive function， and different kinds of exercise can effectively reduce the risk of medium and long-term mental diseases. This paper mainly discusses the regulation effect and mechanism of exercise on brain cognitive function， including learning， memory， emotion， sleep and wake rhythm， so as to provide theoretical basis for selecting appropriate intensity exercise training program， formulating \"exercise prescription\" and improving brain cognitive ability.

Keywords： exercise; cognitive function; learning and memory; emotion; sleep-wake rhythm

［責任編校 劉洋 趙曉華］