运动对各年龄阶段人群脑健康的影响及机制研究进展①

魏胜敏，高前进

石家庄学院体育学院运动人体科学实验中心，河北石家庄市050035

据预测，到2050年，全球老年人口将达到21亿[1]。80岁及以上老年人口数量迅猛增加，长寿同时也伴随着功能障碍增多，生活质量下降，以及患有多种慢性疾病，包括与增龄有关的神经退化性疾病。阿尔茨海默病(Alzheimer's disease,AD)是一种主要表现为认知、记忆及理解能力下降的疾病，该病与衰老密切相关，发病机理复杂。AD防治应重视早期干预，包括注意优化早年脑发育，促进神经元可塑性，保持认知功能完整[2]。

运动能增加认知功能，对抗包括AD在内的神经退化性紊乱，还可以减少诸如焦虑，沮丧等[3]心理性疾病的发生。以往认为，运动对脑健康的影响是间接的，主要通过减少影响脑健康的危险因素，如肥胖、糖尿病、心血管疾病以及癌症等。然而人体和动物实验表明，运动能直接增强脑健康，提高认知功能，主要影响脑的结构和功能[4]。运动对脑血管、神经营养因子、应激和炎症的影响也影响脑健康[5]。运动还能促进神经可塑性，即人一生中脑连续适应生活的能力和神经元再生的能力[6]。

运动对不同年龄阶段脑及认知功能的影响不同：青少年进行有规律的运动可以优化影响脑发育成熟的神经环境和增强认知发展[7]；中年进行有规律的锻炼可通过减少心脑血管事件风险，增加脑血流量，增进脑健康和认知功能[8]；老年进行有规律运动，对维持脑连接成分完整、预防认知功能降低非常重要[9]。

1 儿童青少年

1.1 儿童青少年时期脑发育特征

从婴儿、儿童到青少年，脑发育经历显著性的变化。在最初2年，脑质量增长最快[10]。3～6岁时，脑发育仍较迅速，神经纤维分支加多加长，这有利于神经元联系的形成；6岁左右，大脑半球一切神经传导通路几乎都已髓鞘化，身体在接受刺激后，可以快速、准确地传到大脑皮质高级中枢。大脑皮质各区间增加了暂时联系的可能性，分化作用也大大加强，条件反射的形成比较稳定。7～8岁的儿童大脑半球继续发育，接近成人脑质量(1350～1400 g)，同时神经细胞体积增大，细胞分化基本完成，神经细胞突起分支更密，出现许多新的神经通路；大脑额叶迅速生长，使儿童运动的正确性、协调性得到发展；由于大脑发育，抑制能力及分析综合能力加强，工作能力也逐渐增强，儿童的行为变得更加有意识。9～16岁少年脑质量增加不多，主要进行脑的结构和功能复杂化过程，神经联络纤维数增加，联络神经元的结构和皮质细胞结构功能发展和形成，这是联想、推理、抽象和概括思维的物质基础，是大脑功能进一步成熟的标志，大脑的认知功能明显增强[11]。

1.2 运动对脑发育的影响

越来越多的证据表明，儿童时期有规律的运动能影响大脑灰质和白质的完整性，对认知功能的发展有重要意义[12]。影像学研究显示[13]，相对于心肺适能低的儿童，心肺适能高的儿童脑背侧纹状体体积增大，背侧纹状体与注意力调节有关，较大体积的背侧纹状体与较高的认知控制能力相关，这种相关性是运动影响认知功能的机制之一。海马在学习和记忆形成中起着重要的作用。一项关于9～10岁儿童的研究证实[14]，与低心肺适能组相比，高心肺适能组树突棘和齿状回外锥体细胞分枝增加，双侧海马体积增大，相关记忆任务表现更佳；双侧海马体积能够调节有氧运动与相关记忆之间的关联性。

脑白质束微结构的完整以及对灰质的连接功能对认知功能非常关键。白质束在灰质间起传递神经冲动的作用，促进基本和复杂认知过程完成[15]。白质微结构的特性是“经历依赖”，以及对心肺适能水平敏感[16]，已观察到心肺适能较高的儿童白质纤维束的结构完整性明显强于心肺适能较低的儿童[7]。总体来讲，较高的心肺适能与较高的白质完整及髓鞘形成相关，带来更准确的神经传递。

1.3 运动对青少年认知功能的影响

有学者观察了一次急性运动对青少年认知功能的影响[17]。运动由多组项目组成，持续40 min左右，研究证实一次急性运动和青少年认知功能呈正相关关系，尤其执行功能对运动特别敏感。急性运动之所以对认知功能有影响，主要是由于增加脑血流量，脑额叶区氧供增加；而规律的长期运动训练引起的执行力增强，可能主要是白质微结构优化，提高中枢之间的连接和传递速度[18]。

已有研究证明，青少年时期运动对脑健康带来的益处能够惠及晚年脑健康。纵向的跟踪研究数据表明，在15～25岁进行有规律的运动，与62～85岁时较好的认知功能相关[19]。对9000名妇女的调查发现，年轻时运动越积极，晚年患认知功能障碍的可能性越低[20]。因此应鼓励和倡导儿童青少年早期进行运动训练。确定早年脑健康和认知功能发展的运动处方是当前紧迫的任务。

2 中年

2.1 成年人脑特征

正常成人在30～90岁间丢失15%左右大脑新皮质组织[21]。大脑皮质发育顶峰在青春期，然后开始下降，呈现倒“U”型，并且呈现出区域差异，如额叶和顶叶的皮质发育轨迹在12岁时达到顶峰，颞叶在16岁，而枕叶皮质的增加一直持续到20岁[22]。随着年龄增长，体力活动减少，心血管健康以及认知功能下降与大脑皮质和皮质下区域的功能和结构改变一致，包括海马、颞叶皮质、顶叶皮质和前额叶皮质等[23]。大部分关于体力活动对灰质影响的研究都采用神经影像学技术，并报道灰质密度和特定脑区灰质总体积的变化。

2.2 运动对中年人脑健康和认知功能的影响

大脑皮质变化遵循一定的模式：运动时皮质体积增加，运动停止后皮质体积增加的趋势消退。一项研究调查20名健康成人志愿者(11名女性，9名男性)[24]，发现在运动中双侧额叶、颞叶和扣带回皮层灰质暂时增加；练习1周后枕部灰质也暂时增加，但练习停止后上述脑区灰质增加现象消失。运动总量的增加与灰质体积增加一致，运动总量越大，灰质体积越大。在健康成年人中，有较高心肺适能者前顶叶灰质体积较大[25]。一项研究使用越野行走和体操训练6个月进行干预，干预后前额叶皮层和扣带回皮层体积增加，且与运动量呈正相关[26]。有研究认为[27]，评估基线水平的步行距离可以预测9年后灰质体积的变化，运动量增大往往伴随着灰质体积增大，包括额叶、颞叶和枕叶区域。

参与运动可以缓解与年龄相关的脑体积下降趋势，对于年龄相关的内侧颞叶萎缩有选择性调节作用。运动较少的中年人内侧颞叶呈明显年龄相关体积下降，而运动较多的中年人则未出现这种现象，表明运动对中年人内侧颞叶完整性具有潜在保护功能[28]。心肺适能与海马体积显著相关，更年轻和心肺适能更好的人群，大脑海马体积往往更大；心肺适能较高的中年人对海马体积具有更强的保持作用，并与更准确、更快的空间记忆和更少的遗忘片段有关[29]。一项随机对照试验显示，运动训练增加2%海马体积，有效防止1～2年内由于增龄引起的海马体积减少；海马体积增加与脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor,BDNF)的增加相关，BDNF是齿状回神经形成的中介物[30]。

中年时期有规律的运动训练可以保持甚至提高晚年的脑健康和认知功能。

3 老年

3.1 老年人脑及认知功能变化

60岁以后认知功能加速下降，老年人的认知过程，如工作记忆、思维速度均下降，尤其执行功能最易受年龄影响[31]。大量神经结构和生理功能随增龄发生改变，主要包括突触密度减少、线粒体失功能、代谢率改变、氧化应激和神经炎症增加等[32]。60岁以后，大多数脑区灰质每年萎缩0.5%～1%，与记忆力降低相关[33]；尤其发生在前额叶皮质和海马区的灰质和白质萎缩，严重影响老年人执行功能和记忆力[34]。

3.2 运动是判断老年人认知功能的预测指标

老年个体之间认知功能障碍的发生不同，运动可以作为预测认知功能的指标，经常久坐被认为是认知功能下降和痴呆发展的风险因素[35]。Santos-Lozano等[36]认为，70～80岁老年人提前5年甚至更早些，每周进行150 min中高强度运动，比同年龄不运动老人患老年痴呆的风险降低40%。最近的一项研究表明[37]，60岁以上老年人身体活动量越小，痴呆的风险越高，甚至比高运动量的同年龄老年人提早10年患痴呆。这项研究也提示，较大的灰质量和海马区脑量与较高水平的运动量相关。这些研究与运动的神经保护作用的研究结果一致。

3.3 运动对老年人脑神经保护的作用机制

运动对老年人脑的保护作用是通过提高心肺适能和脑白质微结构完整性而达到的。与经常久坐的成年人相比，常年参加有氧运动的老年人白质信号异常降低80%[38]。老年人心肺适能与脑白质的完整性相关，脑白质广泛分布于脑灰质之间，具有神经信号传递的功能[39]。一项Meta分析证实，老年人较大运动量和白质损伤减少以及较大白质量之间存在正相关[40]。老年人运动量大，心肺适能较高，可能对大脑有更多保护作用，这种保护作用并非一般的简单体力活动所能达到。如较高的心肺适能与脑的静息态默认功能网络功能提高相关，静息态默认功能网络由扣带回后部皮质、楔前叶、前额叶内侧皮层构成，是大脑在静息状态时存在的有组织的网络，最易受增龄影响[41]。这些发现说明，只有达到一定运动强度才能提高心肺适能，心肺适能增加与额叶和颞叶的白质微结构以及短期记忆力的提高相关。

有氧运动和抗阻力训练对老年人认知功能都有益。86名70～80岁的妇女分别进行抗阻力训练和户外步行训练6个月，对照组进行平衡和拉伸练习，发现抗阻力训练显著提高老年妇女空间工作记忆能力，而有氧步行训练对言语学习有益，有氧运动和抗阻力训练对认知功能有不同影响[42]。

运动训练还增加BDNF水平。BDNF是齿状回神经形成的中介物，神经再生可能是运动促进老年人认知功能提高的机制之一，BDNF的增加提高了老年人脑的神经可塑性[43]。

总之，低水平体力活动是认知功能障碍或痴呆的危险因素。大量研究支持运动对老年人脑健康和认知功能的有益作用。那些有较大运动量的人有较大的灰质和白质，脑白质的完整性更高。在认知功能障碍发生前，尽早从事运动是最有效的预防和延迟老年痴呆的策略。

有氧运动与脑健康存在正相关。美国运动医学会运动指南推荐，老年人每周进行不少于150 min中等强度运动，即每周5 d，每次30 min中等强度有氧运动，或最少每周60 min剧烈有氧运动(每次20 min，每周3次)[44]。宜于老年人参与的有氧运动包括太极拳、健身气功、八段锦等。老年人还应重视力量训练，尽可能保持肌肉量[45]。

老年人健身要注意安全，尽可能在专人指导下进行锻炼或老年人集体进行锻炼，这样效果较好。

需要特别说明的是，社会角色、心理、日常生活活动能力等方面的改变也会影响认知功能。

4 小结

运动对脑健康和认知功能有益，无论儿童青少年、中年还是老年，运动对脑健康有长期持续的有益影响。虽然增龄可引起脑血管病、脑灰质和白质结构异常以及AD，但是运动可通过改善脑血管活动，增加脑血流量，增加脑灰质量和改善白质完整性等机制，对抗脑萎缩，提高认知功能。

值得注意的是，青少年和中年时期运动对脑健康带来的益处能够惠及晚年脑健康。因此我们应该强调终身体育意识，提高老年生活质量。

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