身体锻炼对认知老化的延迟作用：来自脑科学的证据

张连成，高淑青

身体锻炼对认知老化的延迟作用：来自脑科学的证据

张连成1，高淑青2

认知老化是指个体进入老年期后认知功能的衰退过程，即与年轻时相比，老年时的认知功能出现的衰退现象，认知老化的发生是有其脑基础的。身体锻炼对延缓认知老化方面的作用逐渐受到重视，并且在脑科学研究方面也积累了丰富的证据。（1）身体锻炼通过对某些大脑结构的重塑来影响认知老化，经常参加体育锻炼对于老年人维持大脑灰质和白质容量、白质完整性等方面均表现出积极作用；（2）身体锻炼可以促进与认知功能相关脑区的激活以及功能网络的联结，以维持老年人的认知功能；（3）身体锻炼还可以通过提高大脑神经加工效率来影响脑功能，进而对延缓认知老化起到重要作用。未来研究需要关注身体锻炼对执行控制以外的其他认知功能相关脑区结构以及激活的积极影响，探讨身体锻炼促进大脑特定脑区之间相互作用的机理以确定身体锻炼对脑功能网络的积极影响，综合使用ERP和fMRI等技术以探讨认知老化相关脑区的特定时间和空间机制，细化锻炼项目设计以确定不同锻炼处方对脑结构和功能的影响等方向。

认知老化；身体锻炼；脑老化；认知功能

自从第5次全国人口普查显示我国已步入老龄化社会以来，人口老龄化问题就成为社会各界关注的热点问题之一。随着老龄化进程，老年人全身器官会出现退行性变化，作为脑功能的一个重要指标，认知功能也会出现衰退。而且，在全身性衰退中，最明显且对老年人影响最大的是认知功能[1]。认知功能是检验老年人身心健康和生活质量的一个重要方面[2]，直接影响到老年人的日常生活[3]。认知老化是指个体进入老年期后认知功能的衰退过程，即与年轻时相比，老年时认知功能出现的衰退现象[4]。认知老化的发生是有其脑基础的，研究[5]发现，神经元树突和棘突的结构性改变，以及脑白质中有髓神经纤维的大量减少，是引起常态脑老化认知功能改变的重要因素。这提示，可以采取一些干预手段，对大脑某些结构及其功能进行重塑，进而延缓认知老化。

近年来，身体锻炼对延缓老年人认知老化方面的作用逐渐受到重视[6-8]。本文在梳理这方面研究成果的基础上认为，身体锻炼的认知效益不仅表现在长期锻炼对老年人认知功能的积极影响上，同时也在身体锻炼后的即刻效应方面有所表现，但这种一次性身体锻炼的积极作用可能维持的时间较短，只有老年人长期坚持身体锻炼，才能更好地维持这种积极作用。那么，身体锻炼为何能延缓认知老化的发生？这成为研究者们更为关切的一个问题。对此，诸多研究发现，身体锻炼对与认知老化相关的大脑结构和功能有积极影响，这为身体锻炼改善老年人的认知功能，延缓其老化进程提供了解释依据。本文将基于认知老化的脑机制，从身体锻炼对老年人大脑结构、大脑功能的积极影响着手，探讨身体锻炼对认知老化的积极影响，并提出未来该领域的研究方向。

1 身体锻炼对认知老化相关大脑结构的积极影响

认知老化与大脑的一些结构密切相关，身体锻炼可以通过对这些大脑结构的重塑来影响认知老化。ERICKSON等[9]的研究通过磁共振成像技术对165名非痴呆老年人进行研究，以揭示身体锻炼与海马体积以及记忆表现之间的关系。该研究在控制了年龄、性别以及教育年限后发现，高体适能者的海马体积更大，空间记忆表现更好。这提示，身体锻炼可能是通过增大海马的体积，从而提高其记忆能力。GORDON等[10]研究发现，体适能较高组老年人在认知功能测试指标上的表现显著优于体适能较低组，而体适能水平则与中颞区、前顶区及内额区之灰质密度呈现正相关。MARKS等[8]研究发现，经常参加身体锻炼的人，会保持良好的体能，这将会促进大脑白质的完整性。VOSS等[11]探讨了锻炼对老年人脑白质完整性以及认知功能的影响。经过1年的锻炼干预后发现，体适能的积极改变与额叶和颞叶的脑白质完整性增加以及短时记忆密切相关，而在控制了体适能改变以后，脑白质完整性与短时记忆不相关。PRAKASH等[12]研究发现，身体锻炼可以增加包括额叶内回、前扣带皮层和楔前叶的中线皮质结构中的灰质容量，在左丘脑和右前放射冠辐射出更高的局部各向异性（这提示白质完整性更好），而灰质容量的增加以及白质完整性的提高可以提高大脑的加工速度。COLCOMBE等[13]研究发现，随着年龄增长，与增龄相关的额叶、顶叶与颞叶皮质密度呈下降趋势，而经常参加体育锻炼可以减缓这一进程。FLÖEL等[14]发现，身体活动水平不但与记忆编码成绩呈正相关，而且与前额叶、扣带回、枕颞区及小脑的灰质有显著相关，其中与右前额叶与扣带回区域的灰质容量有高度相关。ERICKSON等[7]的追踪研究发现，在控制了脑白质损伤等多个变量的干扰后，身体锻炼量与9年后的前额、枕叶、内嗅以及海马回等区域的灰质容量变化显著相关。因此，身体锻炼改善认知功能的原因可能是，身体锻炼有助于与认知功能有关脑区的结构保持更加完整。

此外，几项随机控制干预实验也证实了身体锻炼对大脑结构的积极影响[15-17]。COLCOMBE等[15]以20位年轻人为对照组，并将59位健康老年人随机分配到有氧运动干预组或伸展运动的对照组。有氧运动以渐进至60%～70%心率储备、每周3次，一次1 h的方式进行6个月。干预前后分别进行3T的优化VBM（基于体素的形态学分析，voxel-based morphometry）方法进行检测。结果发现，长期有氧锻炼组可以增加前额叶与颞叶皮质的灰质与白质容量。ERICKSON等[16]研究发现，有氧锻炼1年后，老年人左、右侧的前侧海马回容量分别增加2.12%与1.97%，而不锻炼的控制组则平均下降1.4%，而海马回容量与空间记忆表现呈显著正相关。RUSCHEWEYH等[17]将62位健康老年人参与者随机分配到中等强度锻炼组、低强度锻炼，以及不运动的控制组中，进而探讨了不同强度锻炼对老年人大脑结构以及记忆功能的影响。结果发现，身体锻炼可以促进老年人记忆功能的表现。此外，无论是中等或低强度锻炼组，其整体身体活动量均与前额与扣带回皮质的灰质容量呈显著正相关。HO等[18]研究发现，身体锻炼既可以直接影响大脑结构，也可以通过降低身体质量指数，进而影响大脑结构。

综上，身体锻炼可以维持大脑结构的完整，延缓大脑灰质、白质密度下降，细胞凋亡以及白质完整性下降等。而大脑结构的保护与改善，必定表现在其功能的维持与提高上，这为身体锻炼延缓认知老化的发生提供了依据。但是，前人关于身体锻炼对大脑结构的积极影响似乎更多体现在与记忆以及执行功能有关的脑区。这提示，未来研究需要进一步探讨身体锻炼对老年人其他认知功能（如学习、注意以及推理等）相关脑区结构的影响。

2 身体锻炼对认知老化相关大脑功能的积极影响

已有诸多研究探讨了身体锻炼对大脑功能的积极影响。总的来说，身体锻炼对大脑功能的积极影响主要体现在促进与认知功能相关脑区的激活以及功能网络的联结、提高大脑神经效率等方面。

2.1 身体锻炼可以促进与认知功能相关脑区的激活

身体锻炼可以促进与认知功能相关脑区的激活，进而影响大脑的功能。COLCOMBE等[19]使用功能性核磁共振技术扫描研究参与者在完成Eriksen flankers任务时的大脑皮层激活现象。结果发现，有氧锻炼干预组在Eriksen flankers任务上表现更好，且同时在额叶以及顶叶区有更大的激活，这提示有氧锻炼可以增强前额叶的控制功能，进而提高认知功能。CHAPMAN等[20]研究发现，12周的有氧运动（每周3次，每次1 h的骑单车或跑步）可增强中老年人的记忆力。脑成像显示，锻炼者的大脑中与记忆功能相关的前扣带皮层、与早老性痴呆症相关的海马区等特定区域血流量增加，且这些大脑特定区域血流量的增加出现在记忆改善之前，说明大脑血流量增加很可能是有氧运动改善记忆功能的脑机制之一。PEREIRA等[21]也通过核磁共振扫描技术发现，3个月的有氧锻炼可以增加参与者海马齿状回内的血容量，且这种血流量的增加与参与者的有氧能力以及短时记忆测试成绩相关显著。ROSANO等[22]研究发现，经过12个月锻炼干预后的老年人较不锻炼的老年人在2年后完成数字符号替换测验时，大脑背外侧前额叶皮层的激活更大。PRAKASH等[23]的横断调查发现，高体适能者在完成不相容的色词Stroop任务时，额叶以及颞叶皮层区域激活更大，以便提供其完成认知任务时所需要的认知资源。ROGERS等[24]通过对90位65岁达到退休年龄的老年人进行了4年的追踪发现，继续参加工作以及参加规律锻炼的老年人4年后其认知功能较不参加锻炼的老年人更好，且整体脑血流更多。这也提示，参加身体锻炼可以促进老年人大脑功能的维持。

上述研究提示，身体锻炼可以促进大脑特定脑区的激活，尤其是与执行控制相关的脑区激活，进而维持特定的认知功能。这也提示，未来研究需要进一步探讨身体锻炼对其他认知功能相关脑区激活的影响，以拓展身体锻炼对脑功能影响的领域。

2.2 身体锻炼可以促进脑功能网络联结的积极改变

身体锻炼对脑功能的影响还体现在锻炼促进脑功能网络联结的积极改变。VOSS等[25]的横断研究发现，随着年龄增长，默认模式网络（default mode network，DMN）相关区域内以及区域之间的功能性联结减弱，但是高心血管适能的老年人的额区内以及额区与颞区之间的功能性联结更强，这些区域的功能性联结可以促进认知功能的表现（空间加工以及执行控制任务）。VOSS等[26]研究发现，通过1年的步行锻炼干预，可以增加老年人的默认模式网络与前额执行网络的神经联结，进而促进执行功能的改善。BURDETTE等[27]研究发现，经过4个月锻炼干预的老年人较对照组老年人（健康教育组）在静息态下海马血流量显著增加，而且锻炼组老年人的海马区域与前扣带皮层的功能性联结更加紧密。

上述研究提示，身体锻炼可以促进脑功能网络联结的积极改变，这对于维持老年人的认知功能至关重要，尤其是伴随着老龄化进程，与认知功能相关的特定脑区的功能减弱而引起认知衰退，但是通过多个脑区的功能性网络联结的建立，可以维持老年人的认知功能。

2.3 身体锻炼可以提高老年人的神经加工效率

身体锻炼促进大脑的机能还体现在经常参加身体锻炼的老年人其神经加工效率更高。DAI等[6]选取了48名老年人被试，通过任务转换范式进行执行功能测试，在完成执行功能测试同时进行ERP测试。结果发现，锻炼组老年人较不锻炼组老年人在转换任务上反应更快，ERPs的P300波幅更大，P300的波幅大可以反映研究参与者在完成认知任务时的认知资源调动情况更好。HUANG等[28]的研究也发现了类似结果，老年人参与锻炼会增加其认知需要，在干扰控制任务中资源分配的神经效率更高。而MCDOWELL等[29]研究发现，不经常参加活动的老年人在完成认知作业时P300曲线下的面积（area under curve，AUC）更大，说明在完成认知作业时需要较多的分配认知资源，即需要较多的神经性努力（neural effort），神经效率低，这提示锻炼者的大脑功能保持的更好。

此外，即刻的锻炼也会对大脑的神经加工效率产生影响，如KAMIJO等[30]研究发现，在高强度骑车运动后，被试的P300波幅下降，而中等强度的骑车运动后，被试的P300波幅增加，而低强度骑车运动后，被试的P300没有变化。该研究提示，在高强度锻炼后，被试在完成任务时的注意资源投入下降，而中等强度锻炼后，被试在完成任务时的注意资源投入增多。这提示，不同锻炼强度对中枢神经系统信息加工的影响不同。HILLMAN等[31]研究发现，30 min的跑步机锻炼可以促进执行功能，在完成埃里克森弗兰克任务（Eriksen flankers task）时的P3波幅更大，潜伏期更短，这提示急性锻炼可以通过提高大脑的认知加工速度和刺激辨别速度来影响执行功能。

HILLMAN等[32]综述了锻炼对脑功能与认知之间影响的ERP研究，结果发现，虽然研究结果有不一致之处，但是多数研究均发现经常锻炼者在完成刺激辨别任务、抑制任务以及转换任务时，P3波幅更高，表明注意资源分配更多，潜伏期更短，表明加工速度更快。这提示，经常锻炼可以增强大脑的神经联络，促进脑功能的保持。

除了P3这一指标外，还有其他的一些ERP指标也被用来衡量锻炼对大脑功能的积极影响，如CHANG等[33]研究发现，经常锻炼的老年人在完成修订的斯滕伯格工作记忆任务时反应更快，P3和N1波幅增加，而P3潜伏期缩短。这提示，身体锻炼之所以促进老年人的工作记忆，是因为身体锻炼增加了回忆阶段的注意资源分配，提高了刺激评价的效率，并在工作记忆任务编码的早期判别阶段投入了注意资源的分配。SHIN等[34]研究发现，年龄会影响到工作记忆的编码（P1晚成分的波幅更小）和工作记忆的保持/提取（前额叶负波更负），这表明老年人对大量感知信息进行选择和编码的能力下降，工作记忆保持/提取更差，而身体锻炼则会延缓工作记忆容量的下降，并体现在相关的ERP成分上。THEMANSON等[35]研究发现，经常参加锻炼的老年人在完成转化任务测试时反应更快，错误相关负波（The error-related negativity，ERN）波幅更低，表明经常锻炼的老年人在完成转换任务时付出的代价更少，需要投入的资源更少。

由于探讨身体锻炼提高大脑神经加工效率的研究主要是采用ERP技术，而ERP技术的特点是时间定位较准确，而空间定位相对不够精准。因而此类研究，仅是推测身体锻炼可以提高认知功能相关脑区的神经加工效率，包括加工资源动员的更快，储备的认知资源更多等，而不能精确描述出其具体为哪个脑区或哪几个脑区的功能所在，这也是此类研究的不足之所在。

综上，身体锻炼对脑功能老化的积极影响，不仅表现在促进与认知功能相关脑区的激活以及功能性联结的加强，还表现在提高大脑神经元的动员程度等方面。总之，身体锻炼可以通过改善锻炼者大脑的功能来延缓认知老化。正如，ERICKSON和KRAMER[36]在分析了之前的相关研究后认为的那样，6个月的有氧运动足以明显提高老年人在执行控制方面体现出来的认知能力，这些变化伴随着脑活动方式的改变，即建立了效率更高的神经系统。

3 未来研究展望

身体锻炼作为一种积极的生活方式，其对认知老化的延迟作用越来越受到研究者的重视。身体锻炼不仅在行为上可以改善老年人的认知功能，而且在脑科学领域积累了大量证据，体现在老年人特定的脑区和功能上的积极改变，这也为身体锻炼干预老年人的认知功能提供了必要的依据。作者期望脑科学领域的不断发展能够为认知老化研究领域带来曙光，揭开认知老化的面纱，进而为身体锻炼促进认知功能的保持，促进成功老龄化提供依据。

（1）关于身体锻炼对大脑特定脑区结构和激活的影响，需要进一步探讨身体锻炼对执行功能以外的其他认知功能相关脑区结构和激活的影响。根据前人研究，锻炼产生的认知效益在执行控制任务上效果量最大[37]。这也解释了为何身体锻炼对大脑结构积极影响的研究主要集中在执行功能相关的脑区。这提示，未来的研究需要进一步探讨身体锻炼对其他认知功能相关脑区结构以及激活的积极影响。同时需要考虑身体锻炼的长期作用，如果身体锻炼对一般认知功能相关脑区的影响是缓慢的，那么长期的身体锻炼干预与追踪可能是未来该领域研究的重要方向之一。

（2）关于身体锻炼对大脑功能性网络的积极影响，未来研究需要借助正电子发射断层扫描（positron emission computerized topography，PET）、功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）、脑磁图仪（magnetoencephalography，MEG）、脑电（electroencephalogram，EEG）和事件相关电位（event-related potentials，ERPs）等设备采集相关数据，以确定身体锻炼对大脑各个功能性网络的积极影响。同时，如果有可能的话，还需要进一步探讨身体锻炼是否可以促进大脑特定脑区之间的相互作用以及相互作用关系的强弱，以此确定身体锻炼对脑功能网络的影响。

（3）关于身体锻炼提高大脑神经加工效率的研究主要是采用ERP技术，而ERP技术的特点是大脑神经加工的时间定位较准确，而空间定位相对不够精准。因而，此类研究仅是推测身体锻炼可以提高认知功能相关脑区的神经加工效率，而不能精确描述出其脑区功能所在。因此，未来研究需要考虑在ERP研究的基础上，引入精确的脑成像技术，以便确定大脑神经效率提高的脑区所在。

（4）关于身体锻炼方式，未来研究需要细化。不同的锻炼方式可能对老年人的认知功能影响不同。有氧运动与无氧运动、短期运动与长期运动、耐力运动与力量训练等的不同可能导致锻炼的效益不同，这会直接影响到老年人特定的脑结构和功能。因此，未来研究需要细化身体锻炼的项目和特征，以确定不同锻炼处方对大脑结构和功能的影响。

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Delay Effect of Physical Exercise on Cognitive Aging：Evidence from Brain Science

ZHANG Liancheng1，GAO Shuqing2
（1.Dept.of Health&Exercise Science，Tianjin University of Sport，Tianjin 300381，China；2.Key Lab of Sport Psychological and Physiological Regulation，Tianjin University of Sport，Tianjin 300381，China）

Cognitive aging refer to the process of the decline of cognitive function in old age，which has brain basis.The delay effect of cognitive aging by physical exercise has come under attention，which was proved by a wealth of evidence in brain science.First of all，physical exercise reshapes some of the structure to influence cognitive aging.Physical exercise has positive effects on maintaining brain gray matter and white matter volumes，white matter integrity for elderly.Secondly，physical activity can promote the activation of the brain regions associated with cognitive function and functional network connections to maintain cognitive function in the elderly.Thirdly，physical exercise can improve neural efficiency，which can influence brain function and delay cognitive aging.Future studies need to focus on the effect of physical exercise on other cognitive function besides executive control and its brain mechanisms，the mechanism of physical exercise promoting brain function network brain connection，integrated using technologies such as ERP and fMRI to explore specific time and space mechanism of cognitive aging cerebral regions，refined exercise project designed to determine the effects of different exercise prescriptions on brain structure and function.

cognitive aging；physical exercise；brain aging；cognitive function

G 804.8

A

1005-0000（2014）04-309-04

2014-02-13；

2014-06-27；录用日期：2014-06-28

教育部人文社会科学研究项目（项目编号：13YJCZH246）；国家科技支撑计划资助项目（项目编号：2012BAK21B03）

张连成（1981-），男，内蒙古呼伦贝尔人，博士，讲师，研究方向为运动心理学。

1.天津体育学院健康与运动科学系，天津 300381；2.天津体育学院竞技运动心理与生理调控重点实验室，天津 300381。