有氧运动综合干预对肥胖儿童认知功能的积极影响：1H-MRS及事件相关电位研究的探索

郭艳花，陈 平



有氧运动综合干预对肥胖儿童认知功能的积极影响：1H-MRS及事件相关电位研究的探索

郭艳花，陈 平

目的：采用全脑功能磁共振成像(1H-MRS)方法分析有氧运动综合干预前、后肥胖儿童额叶、海马感兴趣区脑代谢的变化特点，以事件相关电位P300潜伏期反映肥胖儿童注意力的分布、执行功能和学习记忆等情况，探讨有氧运动综合干预对肥胖儿童额叶和海马感兴趣区脑代谢及认知功能的影响。方法：对象为2012-2013年北京市金色湖畔儿童夏令营的小学生。采用有氧运动综合干预措施对11名肥胖儿童进行饮食、运动、教育联合干预治疗，应用多维度神经心理测试对比评估肥胖儿童干预前、后的认知功能，磁共振测定脑部海马和额叶部位脑代谢的变化特点，时间相关电位测定P300潜伏期。结果：有氧运动综合干预后，肥胖儿童神经心理学测验各项指标学习记忆能力、注意能力、执行功能以及语言能力均显著升高(P<0.01)；额叶部位的氮-乙酰天门冬氨酸(NAA)、额叶胆碱类复合物(Cho)浓度、颞叶氮-乙酰天门冬氨酸与肌酸比值(NAA/Cr)均较干预前显著升高(P<0.05)；P300潜伏期显著缩短。结论：肥胖可能影响儿童的脑代谢过程，并对认知功能产生负性影响；有氧运动综合干预对于提高肥胖儿童的认知功能具有统计学上的显著性意义，有氧运动综合干预对肥胖儿童认知功能的改善主要是通过提高肥胖儿童额叶感兴趣区脑代谢来实现的。

有氧运动；肥胖； 磁共振波谱 ；研究

氢质子磁共振波谱分析(1H-MRS)是利用磁共振显像和化学位移作用，检测活体脑组织能量代谢、生化改变以及化合物定量分析的一种无创性影像学检测技术，是中枢神经系统疾病鉴别诊断的重要方法之一[7]。近年来，国际上已有大量的学者利用磁共振波谱分析技术来研究肥胖、抑郁症、2型糖尿病、焦虑症和强迫症等患者与健康对照者的大脑结构、功能以及代谢物之间有无潜在的差异[17]。本研究通过1H-MRS成像技术对有氧运动综合干预前、后肥胖儿童额叶、海马组织N-乙酰天门冬氨酸(NAA)、胆碱(Cho)、肌酸(Cr)3种代谢物进行定量分析，以事件相关电位P300潜伏期反映肥胖儿童认知过程中大脑的神经电生理的变化，旨在探讨有氧运动综合干预对肥胖儿童额叶和海马感兴趣区脑代谢及认知的影响。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选取2013年北京巨人金色湖畔健康减肥夏令营的学员作为研究对象。对所有研究对象按照《中国学生超重、肥胖BMI筛查标准》筛查超重、肥胖。在向其介绍本次研究的目的和内容后，在所有学员知情同意原则的基础上，严格按照纳入标准选取愿意参加者11例儿童(男8例，女3例)。同时按1∶1配对的原则，选取体脂量正常、年龄 、身高 、性别、教育程度相匹配的健康对照组11例儿童(男8例，女3例)。研究对象的纳入标准为：右利手，无脑外伤、脑手术病史，无精神、神经疾患家族史，无高血压、糖尿病(表1)。

n年龄(岁)体重(kg)BMI(kg/m2)肥胖组1112．24±1．0863．12±10．62∗∗30．26±8．52∗∗对照组1111．67±1．2339．98±6．2617．47±7．48

注：与对照组相比,**P<0.01。

1.2 方法

1.2.1 认知功能评定

采用人机对话的方式，在计算机上应用儿童威斯康星卡片分类测验(Wisconsin Card Sorting Test ，WCST)评估肥胖儿童干预前、后神经心理学特征[3]。测量指标共13个：总应答数(Response Administered，Ra)、完成分类数(Categories Completed，CC)、正确应答数(RC)及正确率(RCP)、错误应答数(PE)、持续性错误数(RPE)、完成第一个分类所需应答数(RF)、概念化水平(RFP)、持续性应答数(RP)、持续性错误百分数(PPEP)、非持续性错误(NRPE)、不能维持完整分类数(FM)、学习到学会(LL)。认知功能测试均由经过培训的专门人员负责进行，所有测试均在安静室内45～60 min内完成。

1.2.2 脑代谢活动测定

脑代谢活动测定在北京大学附属第三医院完成。采用1H-MRS法，使用高场强全身MR扫描仪(2.0 T，Prestige)和标准头线圈，测定额叶、海马NAA、Cho、Cr波谱。MRS检测主要技术参数包括：单容积波谱定位序列，激励回波探测法，扫描参数TR 2 000 ms；TE 144 ms，FOV 180 mm×180 mm，感兴趣区取20 mm×20 mm×20 mm，激励次数256，采集时间390 s。

1.2.3 磁共振波谱分析

应用Elscint/GE仪器公司提供的数据分析软件对所得谱线进行相位、基线矫正，分别得到N-乙酰天门冬氨酸(NAA)、胆碱(Cho)、肌酸(Cr)的波谱峰值及波峰曲线下面积。最后按照通常的计算方法，以Cr为内标准计算NAA、Cho与Cr的比值。取样部位为额叶、海马，取样容积为2 cm3。额叶、海马的波谱定位图如图1、图2所示。

1.2.4 P300测定

P300测定使用丹麦丹迪Keypoint脑诱发电位仪参照文献[8]进行检测。检测前首先向被检测者说明目的和要求。每位被检测者均接受2次检测，第1次为学习和适应，第2次为正式检测。

1.2.5 有氧运动综合干预措施

有氧运动综合干预措施参考文献[4]根据其年龄特征重新设计有氧运动(表2)。

在整个干预过程中，实验员要随时进行全面医学观察和监控，每周对他们的人体测量学指标、体成分和生理等指标进行检测，并对每天训练时间、训练心率、训练后的自我感觉等进行记录，及时了解他们对运动负荷和饮食处方的反应，及时调整处方。在整个干预过程中，参与者也要做好自我监控。

表 2 本研究肥胖青少年有氧运动综合干预措施一览表Table 2 The Comprehensive Aerobic Exercise Intervention Measures on Obese Adolescents

1.2.6 统计学处理

2 结果

2.1 额叶、海马兴趣区波谱取样部位(图1、 图2)

图 1 额叶兴趣区取样部位Figure 1. Sampling Sites of Frontal Region of Interest

2.2 干预前、后肥胖儿童WCST测验成绩变化的比较

与对照组相比，WCST的13个指标中肥胖儿童成绩都比对照组差，其中，RA、CC、RPE差异具有非常显著性(P<0.01)，RCP、RE、RFP、RP差异具有显著性(P<0.05)。有氧运动综合干预后，肥胖儿童WCST的13个指标成绩均较干预前升高，其中，RA、CC、RCP、RFP差异具有非常显著性(P<0.01)，RE、RP、RPE差异具有显著性(P<0.05；表3)。

图 2 海马兴趣区取样部位Figure 2. Sampling Sites in Hippocampal Region of Interest

2.3 干预前、后肥胖儿童额叶、海马代谢的质子波谱变化比较

与对照组相比，肥胖组额叶部位NAA、Cho、Cr水平均显著低于对照组，差异具有非常显著性(P<0.01)；NAA /Cr高于对照组，但差异无统计学意义(P>0.05) ；海马部位 NAA、Cr、NAA/Cr 、Cho均较对照组较高，但均无统计学差异(P>0.05)；有氧运动综合干预后，肥胖组额叶部位NAA、Cho、Cr水平均较干预前显著升高(P<0.01)；海马部位NAA、Cr、NAA/Cr 、Cho变化较干预前无统计学意义(P>0.05；表4、表5，图3、图4、图5)。

对照组干预前P干预后PRA118．48±29．14129．60±30．22∗∗0．006119．08±17．16##0．001CC3．78±1．812．97±1．63∗∗0．0043．87±1．16##0．006RC73．52±14．2770．02±17．340．28774．77±22．800．350RCP61．21±18．1855．73±15．21∗0．03768．47±12．28##0．002RE48．53±16．4558．38±19．03∗∗0．00251．74±11．15#0．039RF24．24±7．6325．37±8．970．42123．97±7．890．295RFP48．76±15．0239．58±13．20∗0．02950．17±12．37##0．008RP27．71±9．2333．88±11．05∗0．04028．01±6．43#0．025RPE22．32±7．7829．14±8．29∗∗0．00923．68±7．98#0．043RPEP20．30±6．0521．67±7．160．31918．21±5．060．542

续表 3

注：与对照组相比，*P<0.05, **P<0.01；与干预前相比，#P<0.05,##P<0.01；下同。

对照组干预前tP干预后tPNAA162．30±30．54123．76±15．358．8920．000∗∗159．89±11．6712．8240．000##Cr73．45±10．1672．83±5．581．8120．10071．53±9．440．1470．249Cho103．35±15．7582．57±12．549．5670．000∗∗105．63±14．6110．1620．000##NAA/Cr2．21±0．361．70±0．477．7460．000∗∗2．23±0．399．3180．000##Cho/Cr1．40±0．461．13±0．3010．8130．000∗∗1．47±0．2310．2120．000##

图 3 本研究正常组右侧额叶皮质1H-MRSFigure 3. The Normal Group the Right Frontal Cortex 1H-MRS

图 4 本研究肥胖组右侧额叶皮质1H-MRSFigure 4. Obese Group Right Frontal Cortex 1H-MRS

图 5 本研究干预后右侧额叶皮质1H-MRSFigure 5. Intervention in the Right Frontal Cortex 1H-MRS

2.4 干预前、后肥胖儿童P300变化比较

与对照组相比，肥胖儿童P300潜伏期(391.30±31.30)显著大于对照组儿童(316.24±16.29)，差异具有非常显著性(P<0.01)；有氧运动综合干预后，肥胖儿童P300潜伏期(309.43±29.34)较干预前(391.30±31.30)显著降低，差异具有非常显著性(P<0.01，表6)。

3 讨论

威斯康星卡片分类测验(Wisconsin Card Sorting Test，WCST)是一种单项神经心理测定方法，是目前广泛使用的一种神经心理学测验。反映测试者的认知功能状况，即抽象概括、工作记忆、认知转移、神经心理过程、注意力、信息提取、分类维持、分类转换、刺激再识和加工、感觉输入和运动输出等。

表 5 本研究干预前、后肥胖儿童海马代谢的质子波谱变化的比较一览表Table 5 Comparison of Changes before and after the Intervention in Proton Magnetic Resonance Spectroscopy in Hippocampus Metabolism of Obese Children

表 6 本研究干预前、后肥胖儿童P300潜伏期变化的比较一览表Table 6 Comparison of P300 Latency Change before and after the Intervention in Obese Children

事件相关电位(ERP)是一种特殊的脑诱发电位，由于其能够客观地反映大脑高级思维活动，因而在研究认知功能中得到了极为广泛的应用。而作为其内源性成分的P300是ERP中最典型用来反映人体记忆、注意、辨别等认知过程的生物学指标，其潜伏期延长说明信息加工速度减慢，是脑发育状况及脑认知功能的反映。

NAA是由天门冬氨酸和乙酰辅酶A在神经细胞内的线粒体产生[6]，是反映神经细胞、突触数量及其生存能力的标志物。它的浓度的变化意味着神经细胞、轴突的受损程度或功能的变化(变性)[29]。

Cho信号反映了大脑内胆碱的总量。胆碱既是合成乙酰胆碱的重要前体，又是合成卵磷脂髓鞘磷脂的重要组成成分，广泛存在于动植物组织中(特别是脑、胆汁、卵黄、种子)，是动物和人脑发育的必需营养素，参与细胞膜、髓鞘的生物合成[27]，是细胞膜受损和神经胶质细胞增生的标志物。

Cr反映了胶质细胞和神经细胞密集程度，它在大脑中的浓度相对稳定，是大脑细胞除ATP外能量代谢的主要储能形式[11]。在脑代谢物中最为稳定，被用为参照值。

3.1 肥胖对儿童认知功能的影响及可能机制

大量研究发现，肥胖儿童注意集中能力明显下降[12]；肥胖儿童注意集中能力、工作记忆负荷、手眼协调能力以及对问题的理解能力均降低[10]；肥胖儿童心理动作协调性较正常体重儿童较差，掌握要点的能力、反应速度、感知觉及接受能力明显下降[30]。提示，肥胖对儿童的认知功能产生不利的影响。本研究结果发现，肥胖儿童WSCT的13个指标测试成绩均较对照组差，特别是RA、CC、RPE、RCP、RE、RFP、RP 7个指标测试成绩显著低于对照组。表明肥胖儿童存在认知功能、认知转移能力、抽象概括能力、概念形成能力、执行功能、注意功能下降，与已有的研究结果一致。

P300电位变化是脑认知功能的反映。潜伏期越长，说明大脑对信息加工这个认知过程的速度越慢[28]。研究发现，肥胖儿童的认知过程的速度与注意力、工作记忆的神经导电指数以及反应速度呈负相关；肥胖儿童P300潜伏期延长[2]。另据研究发现，智商与P300潜伏期呈负相关关系，智商越高P300潜伏期越短[21]。还有一些研究表明，注意缺陷多动障碍(ADHD)儿童的P300潜伏期延长，而超重/肥胖又可能是导致儿童注意多动障碍的一个因素[1]。本研究结果发现，肥胖儿童P300潜伏期显著高于对照组。提示，肥胖儿童可能存在执行功能、记忆功能、注意功能的损害，从神经电生理方面进一步揭示肥胖儿童存在认知功能受损。

研究发现，与正常体重人相比，肥胖程度越大其大脑认知功能越差。研究认为，这可能与大脑神经纤维周围白质恶化有关，会影响神经纤维传递信号[13]。另据研究发现，早期病态肥胖者MRS显示大脑白质受到损伤，与认知功能的下降显著相关[19]；超重和肥胖可能导致大脑颞叶萎缩[14]。本研究结果发现，肥胖儿童额叶部位NAA、Cho、NAA/ Cr、Cho/ Cr均较对照组显著降低，肥胖儿童可能存在额叶神经元数量减少和(或)代谢受损害的现象。有无脑及是否额叶局灶性损害的WSCT测试指标持续性反映数(RP)和持续性错误数(RPE)肥胖儿童较对照组儿童显著升高；肥胖儿童较对照组儿童P300显著延长，进一步提示，肥胖儿童可能存在额叶功能损伤。

大脑额叶是一个重要的神经组织区域，其前区有着丰富的、复杂的双向性神经联系和结构图式。过去很长时间里，额叶被认为是无功能的“沉默的脑区”，但现研究结果证实，额叶几乎涉及所有诸如智力、记忆、语言、人格等广泛复杂的心理功能。研究表明，额叶眶面和内侧面后部的两侧受到损伤时，病人不仅丧失了有组织的逻辑思维能力、计划能力，而且，不能形成牢固的动机和有目的的回忆。前额叶皮质的完整性对空间工作记忆的操作极为重要。大量临床观察表明，大脑前额叶损伤的主要症状是观察和思考问题时注意力不能集中，周密的逻辑推理更是无法顺利的进行，健忘，动作反应迟钝，性格孤僻、偏执、情绪波动等。有关肥胖对儿童认知功能影响的脑机制目前还不清楚，可能与下列因素有关：肥胖儿童由于脂肪含量过多，血量大多分布周围组织，导致脑血流速度及血流量显著降低；脑供血不足，血氧饱和度下降，有效呼吸量相对减少和限制性通气障碍，引起脑慢性轻度缺血缺氧，脑能源物质生成不足[26]。而3～6岁又是儿童额叶发展最迅速的时期，在上述这些不良因素的影响下，导致儿童额叶神经元数量减少和(或)代谢受损，最终引起信息传导速度减慢，导致思维减慢，反应迟钝，记忆力下降，认知功能发展受到不良影响。

3.2 运动对肥胖儿童认知功能的影响及可能机制

大量有关人和动物实验表明，经过几周有规律的运动锻炼能够明显改善大脑的认知和行为功能；每周坚持4次，每次30～40 min的低强度有氧运动能够显著提高超重儿童的记忆能力、计划能力、执行功能，并能保证他们在课堂上更好的控制自己的行为，保持良好的注意力，从而提高他们短时记忆的效率，提示，适量运动对促进肥胖者认知功能具有积极的意义[16]。研究发现，学生的学习成绩与有氧代谢能力呈显著的正相关，而与体重指数呈负相关[15]；学生的学习成绩与学校的体育教育没有显著关系，而学生的学习成绩与其是否经常参与运动有一定的关系[18]。这可能是有氧运动本身并不能提高学生学习成绩，但对经常参与有氧运动的学生的注意力、记忆力、思维能力、反应能力以及课堂表现可能会产生积极的影响。但过度运动会适得其反，研究发现，过量或充满爆发力的运动，会使骨骼肌对氧量的需求急速增加，致使流入大脑的血量骤减，进而使大脑处于相对缺血缺氧的状态，影响其正常功能[23]。此外，大负荷过量运动时，特别是长时间的大负荷过量运动，会使机体能量消耗趋于耗竭，机体为防止能量进一步消耗而出现机能抑制，这时人就会感觉浑身极度乏力、极度疲劳、大脑反应变得迟钝。如果长期进行长时间过量运动，机体的这种“保护性抑制”机能敏感度会下降，损伤大脑机能，出现失眠、健忘、注意力下降等症状[24]。本研究结果发现，有氧运动综合干预后，肥胖儿童WSCT的13个指标测试成绩均显著升高，P300潜伏期显著降低，提示，有氧运动综合干预改善了肥胖儿童的认知功能。

大量研究结果表明，适量运动对神经系统神经细胞的形态和功能能够产生积极的影响。动物实验发现，适量运动负荷可对生长发育期小白鼠脊髓前角神经元产生积极的影响，使小白鼠脊髓前角神经元细胞核与核仁都增大；促使生长发育期小白鼠大脑皮脂神经元树突棘增多；促使大鼠脊髓前角神经元的线粒体数量增多，体积增大，嵴多而致密；耐力训练使大鼠椎体细胞层变厚，神经元密度增加[25]。长期适宜的运动可使肥胖大鼠载脂蛋白E4等位基因频率降低，从而使淀粉样多肽对神经元的胞体和突起生长的毒性作用降低；降低神经元钙离子水平，增强神经元膜的流动性，提高神经元功能和可塑性[5]。长期有氧运动使肥胖青少年脑血氧饱和度提高、血液循环改善，神经元的营养和氧供给充分[9]。长期参与有氧运动，可使脑源性神经营养因子及其受体在脑内的表达与利用增加，中枢神经元形态结构发生改变[20]；运动还能够提高肥胖者肌肉中代谢调节分子PGC-1α的活性，这种分子又刺激FNDC5表达量的增加，反过来促进与大脑健康相关的蛋白质——脑源性神经营养蛋白的升高，从而维持神经元以及突触的健康生长[22]。本研究结果发现，有氧运动综合干预后，肥胖儿童额叶部位的氮-乙酰天门冬氨酸(NAA)、额叶胆碱类复合物(Cho)浓度、额叶胆碱类复合物与肌酸的比值(Cho/Cr)、颞叶氮-乙酰天门冬氨酸与肌酸比值(NAA/ Cr)较干预前显著升高。表明有氧运动综合干预可能通过影响肥胖儿童脑部额叶代谢从而对肥胖儿童的认知功能起到积极的影响。

4 结论

1.肥胖可能引起儿童额叶神经元代谢异常，并对认知功能产生负性影响。

2.有氧运动综合干预对于提高肥胖儿童的认知功能具有明显的有益影响。

3.有氧运动综合干预对肥胖儿童认知功能的改善主要是通过提高肥胖儿童额叶感兴趣区脑代谢来实现的。

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The Positive Effect of the Comprehensive Intervention of Aerobic Exercise on the Cognitive Function of Obese Children:Exploration of 1H-MRS and Event-related Potential Studies

GUO Yan-hua,CHEN Ping

Objective:To study the change characteristics of aerobic exercise in obese children before and after comprehensive intervention of frontal lobe and hippocampus region of the brain in the sense of metabolism.Take the event-related potential P300latency to reflect distribution of obese children with attention,executive function and learning memory,this paper analyzes the effect of comprehensive intervention of aerobic exercise on the frontal lobe and hippocampus of sense in brain metabolism and cognitive function of obese children.Methods:the subject is the primary students from Beijng Golden Lake children’s summer camp in 2012—2013,with aerobic exercise comprehensive intervention measures on 11 obese children of diet,exercise,education combined intervention therapy,using multidimensional neuropsychological tests and comparative assessment of cognitive function before and after the intervention of childhood obesity,the determination of brain hippocampus and frontal lobe of brain metabolic changes of magnetic resonance,event-related potential determination of P300latency.Result:After aerobic exercise intervention,obese children neuropsychological test indicators of learning memory ability,attention and executive function and language ability were significantly higher(P<0.01);frontal lobe of N-acetyl aspartic acid (NAA),frontal lobe choline compound (CHO) concentration,temporal leaf N-acetyl aspartic acid and creatine ratio (NAA/Cr) were compared with those before intervention was significantly increased (P<0.05);P300latency significantly shortened.Conclusion:Obesity may affect children's brain metabolic processes,and have a negative impact on cognitive function,aerobic exercise intervention to improve cognitive function in obese children with statistical significance,aerobic exercise intervention on cognitive function in children with obesity improvement is mainly through the increase of the frontal lobe of obese children of cerebral metabolism.

aerobicexercise;obesity;magneticresonancespectroscopy;research

2014-11-15；

2015-05-06

山西省高等学校哲学社会科学研究项目资助 (2013274)。

郭艳花(1974-)，女，山西文水人，副教授，硕士，主要研究方向为运动与健康，E-mail：490182453@qq.com；陈 平(1983-),男，湖北人，讲师，硕士，主要研究方向为体育保健与运动营养。

吕梁学院 体育系，山西 吕梁 033000 Luliang University，Lvliang 033000,China.

1002-9826(2015)04-0079-07

10.16470/j.csst.201504011

G804.8

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