身体活动对大脑可塑性影响的研究进展

2020-01-13湾明月夏锐林慧颖邱娉婷黄承武郑国华

中国康复理论与实践 2020年9期

湾明月，夏锐，林慧颖，邱娉婷，黄承武，郑国华

1.福建中医药大学康复医学院，福建福州市 350122；2.上海健康医学院护理与健康管理学院，上海市201318

大脑可塑性是指大脑的结构和功能随着学习训练和环境刺激等因素而不断修饰和重组的能力。脑结构可塑性在宏观水平包括皮质厚度、灰质体积、白质纤维连接强度和方向等的变化；细胞水平包括神经元和突触形态学变化；分子水平包括细胞内外刺激信号和细胞核内基因转录的改变[1]。细胞和分子水平的脑结构可塑性常被认为是神经的结构可塑性[2]。功能可塑性是指脑区间发生的功能分离或整合，表现为脑功能网络重组或脑自发活动功能性重组，以及功能连接增强[3]，不涉及大脑结构的变化[4]。

不同的生活方式与大脑结构和功能之间存在关联[5]。运动可以对整体健康和认知功能产生益处，促进脑区的可塑性变化。本文综述不同身体活动对大脑可塑性的影响以及其机制。

1 有氧运动

有氧运动是全身主要肌群参与、以有氧代谢为主的耐力运动，包括慢跑、快步走、游泳以及一些球类运动等。持续规律的有氧运动可增强机体运输、利用氧的能力，提高血管弹性和通畅性，改善血液循环；肌肉也可释放某些因子，有助于改善脑结构或功能[6]。

有氧运动可增加前额叶、海马、前扣带回、顶叶和颞叶的灰质体积。前额叶主要负责与工作记忆相关的执行功能，协调其他脑区完成目标导向的行为[7]。海马和前扣带回属边缘系统，与情绪、内脏调节和学习记忆活动有关。顶叶可以结合感觉和运动信息，参与语言处理[8]和记忆处理[9]。颞叶包括海马结构，与听觉、知觉、语言有关，对视觉感知记忆和识别记忆[10]有重要作用。老年人脑容量减少主要表现在前额叶和颞侧皮质，在枕叶皮质表现出较少的改变[11]。海马结构与认知功能相关。每周2次持续6 个月的有氧运动能改善70～80 岁认知损害者的认知功能，增加海马体积[12]。一项对65岁以上非痴呆老年人进行的9 年跟踪研究发现[13]，每周进行72 个街区的行走(1600 m/d)，前额叶皮质、前扣带回、顶叶皮质、小脑、海马灰质体积改变，促进大脑功能改善。小球类运动员的静息态磁共振成像研究发现，左侧前扣带回、脑岛、丘脑和小脑蚓部的Re‑Ho值高于对照组，而这些脑区是负责心脏‑血管调节和反馈的自主神经反应环路脑网络的重要节点[14]。运动员的这些脑区存在更有效的自主神经反应环路，以在快节奏的小球类运动中提高感知，集中注意力和快速反应。与普通人相比，篮球运动员和羽毛球运动员小脑灰质体积增大[15]，马拉松运动员枕顶叶、前扣带回和尾状核的灰质体积改变[16]。这些发现均说明，长期有氧运动后，与运动认知过程相关的脑区灰质体积会发生相应变化。

2 抗阻运动

抗阻运动是指身体克服阻力以达到肌肉增长和力量增加的运动，如哑铃、杠铃等。抗阻训练可以提高老年人认知功能，增加脑白质体积，延缓白质萎缩。

白质由神经纤维聚集而成，提供神经元间通信的途径，通过这种途径，经验可以改变大脑连接[17]；同时，白质参与工作记忆过程，是大脑活动必不可少的部分[18]。抗阻训练可以改善老年妇女的执行功能，白质结构与老年人活动量存在相关性[19‑20]，每周2 次抗阻训练能促进记忆，减少皮质、白质萎缩，增加峰值肌力。抗阻训练可以改善老年女性认知，使白质体积增大，这种影响在两年后仍可以检测出来[21]。在主诉记忆下降的老年女性中，每周2次抗阻训练6个月，可改善选择性注意、冲突解决、联想记忆和功能性大脑可塑性的区域模式[22]。70～80 岁的社区居民完成每周2 次抗阻训练6 个月后，选择性注意和冲突解决的表现优于平衡训练[23]。

3 平衡运动

平衡运动通过减小身体支持面，提高身体重心，减少视觉参与，提高身体平衡功能。平衡训练可以促进脑可塑性，增加小脑灰质体积[24]。小脑可感知运动变化，维持身体姿势平衡，在协调感知、运动调节中扮演重要角色。杂技训练6 周后，高强度组和低强度组的顶枕皮质和初级运动区灰质体积增加，杂技技艺越出色，两个区域灰质容量增加越多[25]。在动物实验中，杂技组小鼠的运动皮质和纹状体突触和结构蛋白表达改变[26]，不同持续时间杂技组小鼠在不同的皮质和皮质下回路中引起不同的可塑性反应[27]。

传统气功和瑜伽冥想等将体育锻炼与呼吸和深度放松相结合，可以提高轻度认知障碍老年人的认知能力，显著增加脑岛、内侧颞叶和壳核的灰质体积。内侧颞叶包括海马、海马旁回和内嗅皮质，参与记忆的检索和编码，对记忆加工至关重要[28]。壳核参与执行功能、工作记忆等功能[29]。脑岛涉及认知、情感和调节功能，包括感知意识和情绪反应[30]。长期练习太极拳者与久坐不动者相比，左右半球皮质更厚，且左侧颞叶皮质厚度与太极拳练习强度呈正相关[31]。太极拳和八段锦锻炼12周可显著增加脑岛、内侧颞叶和壳核的灰质体积[32]，且灰质体积的增加与记忆力的提升呈正相关。轻度认知障碍患者分别进行八段锦和快步走24 周，八段锦组海马低频振荡振幅降低，体积增加[33]，提示海马异常活动减少，认知功能改善。

4 机制研究

4.1 解剖结构

长期运动技能学习可引起脑解剖结构变化，如灰质厚度、皮质表面积、灰质体积以及白质纤维结构的变化。MRI T1成像获得的脑灰质结构变化主要反映血管、胶质细胞、突触的生成和神经元改变带来的形态学变化[34]；而弥散张量成像(diffusion tensor imaging,DTI)可以间接测量白质的轴突直径和密度，纤维组织和髓鞘含量，胶质细胞、细胞膜的状态和渗透性等[17]。多模态结合测量则可提供更详细信息，研究大脑可塑性的基础机制。但MRI的测量是非特异性的，只能间接反映神经元结构及其功能状态。

在白质中，衰老会引起轴突结构特性改变，如轴突偏转，髓鞘、轴突直径或节间长度改变，继而导致一系列生理特性变化，如传导速度改变，这些生理特性的改变与行为有关[35]。Ranvier 的节间长度和节点特征变化可调节动作电位沿同一轴突的不同长度分支的传递[36]，延长轴突长度的节点可以快速和节能的方法微调轴突特异性传导速度[37]。尽管如此，白质可塑性仍主要依赖髓鞘形成的过程，如髓鞘厚度的变化，或少突胶质细胞祖细胞(oligodendrocyte progenitor cell,OPC)分化成新的少突胶质细胞形成新的髓鞘[38]。跑步可促进小鼠灰质和白质区OPC 的增殖和分化[39]，可能有助于理解人类白质微观结构的变化。反之，轴突大小和轴突活性也可调节髓鞘长度、数量，影响髓鞘形成。体积减少(即萎缩)主要不是由于神经元的损失，而是年龄相关的细胞萎缩和突触密度降低。

4.2 细胞、分子机制

神经发生是细胞水平脑可塑性的主要表现之一，是指神经干细胞或神经祖细胞在诱导下产生新神经元[40]。神经可塑性可能涉及已经存在的突触功能改变、新的突触形成，或现有的突触接触消除，树突或轴突的大规模变化，以及神经调节剂或神经激素的产生或信号传导[41]。

成年人中枢神经系统仍存在神经发生，海马齿状回终生保持生成新神经元的能力[42]。有氧运动可增强海马齿状回部神经干细胞或神经祖细胞的增殖、迁移、存活和分化，促进神经发生[2]。在突触传导中，一个突触后细胞可能接受多个突触前轴突支配。有氧运动打破各突触间竞争的平衡，使突触环路发生改变，引起突触联系的重组，从而影响脑的结构和功能[43]。有氧运动改变海马灰质体积，可能是通过改变神经发生、神经胶质细胞生成或神经元间连接的强度(突触发生)，修改现有皮质结构[44]。

运动可通过调节生长因子、神经营养因子、神经递质、新陈代谢和炎症反应，增强神经发生[45]。对有氧运动的适应性反应涉及酶促抗氧化系统的上调和对氧化损伤的调节。活性氧是细胞信号传导的重要调节剂，有氧运动直接激活活性氧产生酶，调节细胞氧化‑还原状态[46]。活性氧还参与神经干细胞的更新和分化，并可能与运动介导的神经发生相关[47]。运动也能改变炎性细胞因子的产生[48]，参与突触可塑性和神经发生的调节，同时细胞因子也可以促进活性氧的产生。炎症因子的释放与脑源性神经营养因子(brain‑derived neurotrophic factor,BDNF)的水平有关，神经炎症会影响相关信号通路，导致患者血液和脑脊液中BDNF浓度降低[49]。

平板运动产生的乳酸会刺激大鼠星形胶质细胞分泌BDNF[50‑51]。BDNF参与神经保护并促进细胞存活、轴突生长和突触可塑性[52]。自发运动增加大鼠海马、小脑和额叶皮质中BDNF mRNA 和蛋白水平[53]，直接给予BDNF 可增加海马中细胞增殖；阻断BDNF 可减少细胞增殖，消除运动诱导的Morris水迷宫的良好表现。在人类中，抗阻运动可提高胰岛素样生长因子‑1(insulin‑like growth factor‑1,IGF‑1)水平，促进神经元生长、存活和分化，并提高认知表现，对于运动诱导的血管生成和神经发生起重要作用[54]，还可通过促进少突胶质细胞的发育，促进髓鞘形成。阻断IGF‑1，其他分子的分泌也受到影响，如BDNF 和血管内皮生长因子(vascular endothelial growth fac‑tor,VEGF)显著减少[55]。

神经营养因子和其他相关因子不仅可以调节突触传递和结构，还影响神经网络和行为学[56]。运动诱导人类海马、小脑和运动皮质中新毛细血管发育，向现有的或新分裂的神经元提供必需营养，从而影响皮质形态，血管生成和细胞增殖[57]。随着年龄增长，神经发生减少[58]；但运动能逆转神经发生下降，促进细胞增殖，提高细胞存活率[59‑60]。啮齿动物的自发运动可增强海马依赖性学习任务的表现[61]，诱导包括BDNF、IGF‑1 和VEGF在内的多种分子级联，是运动诱导神经可塑性的基础。