有氧运动对肥胖青少儿认知能力的应用效率研究

摘要：肥胖在当今社会日趋普遍，已经被定义成一种公共健康疾病。肥胖不但会引起各种生理疾病，且会对大脑认知功能造成负面影响。青少儿时期是认知功能发展的关键时期，此阶段的肥胖会严重损伤认知功能，以致影响学业成绩甚至降低个体生活质量，为此积极研究如何对青少儿时期的肥胖进行干预，进一步改善和提高其认知健康水平刻不容缓。因此，本文通过综述相关研究发现，有氧运动不仅能提升肥胖青少儿的体质健康，还能显著改善其认知能力。其改善机制可能是由于体力活动改善中枢神经系统中BDNF、IGF-1和VEGF的表达及脑结构的适应性变化。未来的研究应加强对不同运动类型对认知能力影响及其影响机制的研究，以期促进青少儿生理与心理健康发展。

关键词：有氧运动;肥胖;青少儿;认知功能

1 前言

目前，青少年儿童超重已成为健康问题，且青少儿时期是认知功能发展的黄金阶段，此阶段是大脑对外界环境刺激最敏感的时期，体重指数增加与脑容量减少密切相关，肥胖患者可能存在轻微的脑部萎缩，同时可能存在认知功能下降，而通过健身运动这样的外在刺激能对认知功能带来显著影响。世界卫生组织指出，超重和肥胖是全球引起死亡的第五大风险，全球每年“胖死”的人至少达280万人。越来越多的研究揭示，当前这种典型的久坐不动、身体活动不足的生活方式正是导致代谢失调、肥胖、II型糖尿病、代谢紊乱等静坐少动综合征的“元凶”。不仅如此，它还将影响认知健康。所谓认知健康是指“清晰思考，学习和记忆的能力，涉及揭示大脑如何随着年龄的增长而变化，以及如何保持大脑的认知功能处于最佳状态”。因以，为了推动儿童健康教育的发展，提高儿童体质水平，本研究从儿童青少年肥胖导致的认知损伤、有氧锻炼干预提高儿童认知能力与体力活动对儿童青少年认知功能影响的机制三方面对现有的文献成果进行综述。

2 青少儿肥胖与认知能力关系

最近一期The Lancet Neurology发表了一篇标题为《肥胖对神经的影响》的综述，明确指出肥胖对中枢神经系统（包括脑和脊髓）的不良影响（如表1），尤其是对大脑认知功能影响显著，并引用了130篇前瞻性研究成果证实肥胖增加轻度认知障碍风险，这一作用不受年龄限制。认知是人类心理活动的一种，是指个体认识和理解事物的心理过程，在处理日常生活中的事件起着至关重要的作用，其包含了知觉、注意、学习、记忆、问题解决等子功能。认知功能可以根据信息加工流程及其任务范式的复杂程度区分为基本认知功能与高阶认知功能。

2.1 肥胖对青少儿基本认知功能的影响

基本认知功能是用以描述简单反应作业层面的认知功能。Flanker任务是用以测试人类认知功能的心理学实验范式，广泛应用于心理学研究中。该任务含有一致刺激条件与不一致刺激条件。一致刺激条件为简单任务，要求被试进行选择反应判断（对5个方向一致的箭头进行左/右方向的选择），反映基本认知功能;而不一致刺激条件为复杂任务，反映高阶认知功能，要求被试在左右各有2个与目标刺激方向相反箭头的干扰下，辨别出目标刺激箭头的方向，该过程包括抑制优势反应，抵抗令人分心的或扰乱性的竞争性刺激，选择正确合适的反应。解淳等为了探究肥胖青少年的认知特点，从上海某减重训练营招募了37名青少年作为肥胖组（BMI指数大于28 kg/ m2），从上海某中学随机抽取26名正常体质青少年作为对照组（BMI指数介于18至24 kg/m2）进行改编版的Flanker任务测试。结果发现，在一致测试条件下，肥胖组的反应时显著低于正常组，且BMI越高基本认知功能越差，BMI与认知功能呈中等程度的负相关。此研究反应出与正常儿童相比较，肥胖儿童的基本认知功能更差。

2.2 肥胖对青少儿执行功能的影响

执行功能功能是属于认知能力的一项高阶认知功能，它包括工作记忆、抑制、敏感度与注意力等。该系统可以塑造多重认知和整个寿命的行为结果，包括特定的学术技能、智商（IQ）分数和总体学校成就。中心EF技能包括工作记忆，问题解决，设定转移，抑制控制，灵活思考和计划。这些技能在幼儿时期迅速出现，在儿童后期和青少年时期继续发展。执行功能除了会影响简单的学术知识之外，对于培养儿童在取得其他方面的成功也至关重要。有学者对神经认知功能、儿童肥胖和肥胖相关行为进行文献梳理回顾发现，肥胖儿童与健康体重的同龄人相比，肥胖儿童表现出执行功能缺陷，特别是在对自身行为的抑制能力方面，同时肥胖儿童的执行功能缺陷是健康同龄人的两倍。此外，肥胖可能通过调节食欲的激素和脂肪组织的产物影响执行功能。有专家研究发现，为了调节饱腹感和食物摄入而分泌的多种激素在肥胖的情况下会发生改变，包括在儿童人群中，并且这种改变会影响认知。胃内产生的饥饿素通过向下丘脑发出信号以增加食物摄入量来诱发饥饿，而低血清胃饥饿素则与肥胖相关，肥胖人群的血浆饥饿素水平比消瘦人群低。实验动物模型显示胃饥饿素激活通过影响学习和记忆相关的海马区域进而影响执行功能。

综上所述，肥胖儿童青少年无论在基本认知功能还是在高阶认知功能两种认知层面都比正常体质的儿童青少年更加弱势。同时，个体越肥胖对认知功能的伤害就越大。

3 有氧锻炼对青少儿认知功能的影响

运动不仅可以改善身體素质，降低肥胖青少儿的体重，还有利于心理健康，提高认知水平。《柳叶刀》精神病学分刊最近刊发了一篇涉及120万人的研究，分析不同的运动对精神健康的影响程度。研究结果显示，一周3-5次，每次60分钟的运动可以提升大脑转移注意、集中注意力的能力、降低心血管疾病死亡风险;此外，Sardinha研究发现，健康和低脂的儿童青少年与不健康、高体脂的儿童青少年相比，健康和低脂的青少年在语言和数学上取得更高的学业成绩的机率更高些，但心肺健康水平通常用有氧能力表征，即最大摄氧量VO2max或峰值摄氧量 VO2 peak）和肌肉力量的增强可以减弱甚至抵消肥胖对在儿童青少年的学术成就的不良影响。因此，本文仅从不同时长方面综述有氧运动对儿童认知能力的影响。

3.1 急性有氧运动对青少儿执行功能的影响

急性有氧运动又称短时运动、一次性运动，指持续时间在10～60分钟左右的、以有氧代谢提供能量的一次运动。有研究发现，急性有氧运动对儿童青少年认知功能具有正向效应。如陈爱国，赵莉，李焕玉（2014）等以扬州市某小学四年级学生为研究对象。依据篮球运球强度分为小强度组、中等强度组、大强度组和对照组，使用Flanker任务、1-back任务、More—oddshifting任务全面评价1次30min篮球运球训练干预试验前后小学生执行功能的抑制、刷新和转换3个子功能的变化，结果发现1次30min不同强度篮球运动训练对小学生执行功能均具有积极影响，但效果存在差异，中等强度篮球运动训练对小学生执行功能改善效果最好。陈爱国，殷恒婵，王君（2011）等为探究短时中等强度有氧运动对儿童执行功能脑激活模式的影响，从脑系统的角度揭示短时中等强度有氧运动影响儿童执行功能的脑机制，其结果显示，一次30min左右的短时中等强度有氧运动对儿童执行功能产生积极的改善效应且能使儿童执行功能脑激活模式发生变化，具体表现为儿童执行功能脑激活模式中的双侧额上回、双侧额中回、双侧项上小叶和左侧顶下小叶激活程度增加，左侧前扣带回激活减弱。

3.2 长期有氧运动对青少儿学习记忆的影响

长期低强度、中等强度、高强度的有氧运动均能显著提高儿童青少年学习记忆能力。如CHANG等将6-8岁儿童分为中强度运动组和低强度运动组，分别进行为期8周的足球训练，结果发现，两组的作业发现均有显著进步（反应时减少，正确率提高）且不存在组别差异;同时研究结果还显示，不论强度如何，为期8周、训练頻率为2次/周、训练时间为35min/次的足球训练皆能有效提升儿童的反应抑制。DAVIS等将7～11岁超重、坐式生活儿童随机分为高运动量有氧运动组、低运动量有氧运动组及控制组，进行为期3个月的随机对照实验发现，与不参加运动的控制组相比较，干预组的执行功能、数学成绩显著高于控制组。

此外，动物实验研究也从生理学与行为学角度为长期有氧锻炼可以提高儿童青少年认知能力的观点提供了支持性证据。

4 体力活动对青少儿认知功能影响的机制

4.1 体力活动改善中枢神经系统中BDNF、IGF-1和VEGF的表达

脑源性神经营养因子广泛分布于神经系统中，是对神经起重要调节作用的蛋白，它可以增加突触可塑性（学习记忆活动细胞水平的生物学基础）以及促进神经发生，尤其是海马（人体记忆系统）的神经发生，在体育锻炼促进认知能力的过程中起到促进作用（如图1）。而BDNF介导神经元的形成过程中，受到胰岛素生长因子和血管内皮生长因子的共同作用。BDNF人体试验表明，运动具有改善BDNF、IGF-1和VEGF的作用。一次体育锻炼，无论是有氧运动还是抗阻运动，都能即刻促进循环血液中BDNF、iGF-1或VEGF水平的增加，但运动后一段时间，这些因子恢复到原有水平。诸多研究发现，一次性运动后，BDNF、IGF-1、VEGF恢复到原有水平的时间和程度不同，这可能是由于运动强度、类型以及个体身体差异所造成的。长期运动可以不同程度提高BDNF、IGF-1和VEGF的水平，且三者内部之间也密切相连。Ding等通过在海马区内部注射抗IGF-1，发现空间回忆的能力减弱，抗IGF-1阻断了运动诱导激活钙调蛋白激酶II以及促分裂原活化蛋白激酶，减弱了运动诱导突触蛋白I的形成。此外，阻断IGF-1信号也就阻止了运动诱导海马区BDNF的应答，减弱了运动诱导突触蛋白的表达，下调了TrkB信号，阻断了运动对现存神经前体细胞的促进作用。BDNF通过激活LTP的信号重要转导通路-MAPK通路，进而促进突触可塑性，可能是增强学习和记忆的直接的内部机制。

4.2 大脑结构适应性变化

体力活动引发的细胞和突触的变化将带来大脑宏观尺度的变化。影像学的研究表明，体育锻炼能够对人类运动相关脑区的结构产生影响。Ji等的研究发现，6周的有氧运动能够提升老年人手部运动皮层、纹状体和小脑的灰质体积。由于纹状体可能和体育运动过程中的中央执行功能（如，注意和加工运动相关的信息）相关，且小脑和运动中的动作习得和精确化相关，因此可以推测体育锻炼能够通过改变大脑结构促进个体运动相关的认知能力。除了运动相关的脑区，体育锻炼也能够对海马和新皮层等脑区的结构产生影响。一些研究利用弥散张量成像技术，对脑白质纤维束的体积进行估计，结果发现有氧训练能够使海马体积提升2%～16%。此外，一些研究利用体素形态学分析法，在全脑水平对体素类型做判断，结果发现6个月的有氧训练和拉伸训练均能提升老年人大脑灰质和白质的体积，降低背侧前扣带皮层、背外侧前额叶皮层、左侧颞叶和顶叶区域脑组织的流失速率。Chaddock-Heyman L等就有氧运动引起海马体积增大进行了系统深入研究，发现儿童中有氧能力高均引起基底神经节体积 等白质微结构、额叶前皮层、上额皮质、颞上区和枕叶外侧皮质的灰质厚度、血管增生和微循环等适应性变化。因此，基于多种形式的研究表明，体育锻炼能够通过改变大脑结构促进认知功能。

5 结论与启示

5.1 结论

通过回顾基于有氧锻炼对肥胖青少儿认知能力影响研究，可得到如下结论：肥胖青少儿在基本认知功能及高阶认知功能方面都显著低于正常体脂的青少儿，呈现出肥胖对认知功能的负面影响;而有氧锻炼作为一种健康、有效的干预方式，可以降低肥胖青少儿的体脂水平，改善身体健康;同时，有氧锻炼在改善青少儿体质健康的同时还能提高其认知水平，促进其健康成长。通过综述发现，有氧锻炼对儿童执行功能及记忆能力的改善相关研究最多，且结论都呈现积极效应。

5.2 启示

但此类研究依然存在以下问题：①研究的运动类型过于单一相关研究多集中在有氧运动单一运动类型，仅有少量研究探究阻力运动、灵敏运动等其他类型运动对儿童认知功能的影响。②运动“剂量效应”尚不明确，多数研究在实验过程中缺乏多种“剂量效应”的变量，未设置运动强度对比，无法全面了解何种强度的运动能使认知提高达到最大化。③研究所用的运动处方因人而异，差异较大，所聚焦的认知功能也不尽相同。因此，建议研究扩大运动类型，并进一步对运动类型进行细分，如体能性锻炼与技能性学习对肥胖青少儿认知健康的影响;规范实验变量，针对身体活动强度进行明确界定与分级;明确认知功能所属子功能，加强研究的针对性;进一步探讨身体活动对肥胖青少儿认知功能的影响机制。

参考文献：

[1] 胡海旭.体力活动/锻炼影响认知健康的研究进展[J].成都体育学院学报，2018（02）.

[2] 解淳，张育恺，崔晨等.肥胖青少年多层面认知功能特点的研究[J].天津体育学报，2017（01）.

[3] 石倩，王莉，王芳芳，等.超重和肥胖对儿童学习成绩及心理健康影响[J].中国公共卫生，2012（12）.

[4] 颜军，王源，陈爱国，等.短时中等强度不同类型运动对小学生执行功能的影响[J].体育与科学，2014（06）.

作者简介：唐惠君（1997—），女，土家族，湖北恩施人，体育学硕士，研究方向：儿童青少年体质健康与运动干预。

（作者单位：武汉体育学院研究生院）