不同运动方式对甲基苯丙胺依赖者食物奖赏功能的改善作用：一项近红外功能成像研究

2020-12-04刘佳宁王莹莹陈一凡周成林

中国体育科技 2020年11期

刘佳宁，王莹莹，周宇，陈一凡，周成林

药物依赖是一种慢性复发性脑疾病。长期使用成瘾性药物会导致个体的大脑结构和功能发生永久性衰变（Wang et al.，2019），致使成瘾个体无法作出合理的行为计划和决策，并常常伴随强迫性的觅药行为（陈一凡等，2019）。截至2018年底，全国共有药物依赖人员240.4万名，其中，甲基苯丙胺（methamphetamine，MA）依赖者135万名，占56.1%，成为“头号毒品”（中国戒毒网，2019）。MA作为一种中枢神经系统兴奋剂，可以使个体产生欣快感，长期使用可诱发神经精神并发症，如偏执狂、昏迷、中风，甚至死亡（Freese et al.，2002；Maglione et al.，2000）。研究发现，MA滥用能够损伤人类的大脑神经元（Barrett et al.，2001）和认知功能（Kamei et al.，2006），即使在药物戒断期，认知损伤仍然存在（Zhou et al.，2019）。因此，如何改善MA依赖者的大脑功能和认知损伤是该领域的研究重点之一。

研究表明，药物滥用主要会损害大脑的奖赏回路功能（Gradin et al.，2014；Zhou et al.，2019）。大脑的奖赏系统是诱发欲望行为的一组神经结构（Schultz，2015），正常情况下，诱发的刺激包括可以促进自身和后代生存的初级奖励（包括食物和性）、由于快乐激发的内部奖励，以及金钱、比赛等带来的外部奖励（Duarte et al.，2017；Schultz，2015）。功能性脑成像技术发现，由这些自然诱发刺激直接引起的奖赏感受主要源于大脑前额叶皮层、杏仁核复合体、海马以及伏隔核等脑区，构成了奖赏系统，其主要功能是让人们体验幸福愉快的感觉，这有利于人类的生存和繁衍（Van Hell et al.，2010）。Kalivas等（2005）认为，中脑多巴胺能神经系统在急性奖赏和成瘾的早期阶段起主要作用，而成瘾的后期主要是由于内侧前额叶与眶额皮层投射到伏隔核的谷氨酸能神经通路发生了适应性改变，进而导致自然奖赏价值的降低，削减渴求状态下中枢的认知控制，加强机体对药物相关刺激反应时谷氨酸能神经元的驱动，最终引发强迫性觅药行为（郝悦等，2007）。Huhn等（2019）采用功能性近红外光谱技术（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS），考察了阿片类药物依赖者决策过程中前额皮层的活动与90天内毒品使用情况的关系，结果发现，右侧背外侧前额叶皮层的活动与持续使用毒品有关。因此，本研究认为，奖赏系统内脑区功能的损伤会直接导致药物依赖者对药物相关信息的反应更加敏感，对自然诱发刺激的反应减弱（Volkow et al.，2011；Zhou et al.，2019）。杨玲等（2017）提出，药物依赖者的这种奖赏失调是个体对成瘾药物产生依赖的重要原因之一。也有研究发现，药物依赖者在停止使用成瘾性药物数月后，其奖赏环路纹状体内多巴胺的释放量减少，进一步导致对自然诱发刺激的敏感性降低（Zhou et al.，2019）。因此，提高药物依赖者对自然-非药物奖赏的敏感性是干预治疗的重要靶点之一。食物，作为人类的必需品，可作为重要的自然奖赏物用于评估药物依赖者奖赏系统的功能（Czoty et al.，2016；Negus et al.，2013；Zhou et al.，2019）。

研究者在探寻改善MA依赖者食欲和脑功能损伤的过程中发现，有氧运动是行之有效的干预手段之一（Klingberg，2010），科学的有氧运动能够有效抑制药物渴求（陈一凡等，2019），改善MA依赖者的认知功能（王艳秋等，2015；Zhou et al.，2019）。在该研究领域，学者们主要针对运动强度对药物依赖者的康复效果展开了大量研究，均一致证明了具有合理运动强度的有氧运动能够有效改善药物依赖者的不良症状（Wang et al.，2015，2016；Zhou et al.，2019）。如陈一凡等（2019）探究了不同强度急性有氧运动对MA依赖人员前额皮层活性及其执行控制能力的影响，发现相比中等强度，35 min的高等强度有氧运动能够有效降低MA戒断者的药物渴求度。还有研究发现，中等强度的急性有氧运动能够降低MA依赖者的药物渴求度，并提高对毒品的抑制控制能力（Wang et al.，2015，2016）。以上研究结果表明，中高强度的急性有氧运动能够降低MA依赖者对药物相关刺激的奖赏感受，那么，是否会同时伴随对非药物-自然奖赏，尤其是食物奖赏的敏感性提高呢？研究发现，中等或高强度的有氧运动能够影响个体对食物的奖赏感受（Crabtree et al.，2013；Evero et al.，2012）。根据脂肪含量，高脂和低脂食物对人们奖赏系统的诱发程度是不同的，相比低脂食物，高脂甜食往往具有更佳的口感和风味，能够显著诱发正常个体奖赏系统的反应（郑明静等，2015）。基于此，本研究重点关注MA依赖者对高、低脂食物刺激敏感性的差异是否会受到运动干预的调节，进而更加全面地揭示有氧运动对MA依赖者食欲的影响，以及探究奖赏系统的恢复情况。

随着运动戒毒研究的不断展开，除了运动强度以外，运动方式也开始受到研究者们的关注。一些身心活动，如太极拳、瑜伽等对药物依赖者的戒断症状、情绪状态有着显著的改善作用（Li et al.，2013；Zhuang et al.，2013）。也有研究发现，与舞蹈相似的健身操可以改善药物依赖者的躯体功能、柔韧性、心肺功能（耿敬敬等，2016），甚至对毒品刺激的注意抑制功能也得到了显著提升（吕园欣等，2019）。然而，不同类型的运动方式对女性MA依赖者食欲和奖赏系统的康复效应仍有待深入。

综上所述，本研究在已有文献基础上，探究不同有氧运动方式对MA依赖者食欲和奖赏系统功能的改善作用。采用中等强度的有氧功率自行车与舞蹈运动作为干预手段，比较运动前后MA依赖者食欲和脑功能的变化，并假设中等强度的功率自行车运动效果明显，具体表现为自行车运动后MA依赖者对食物图片的敏感性提高，奖赏系统脑区的功能增强。

1 实验对象与方法

1.1 实验对象

从浙江莫干山女子强制隔离戒毒所筛选39名处于教育矫治期的女性MA依赖者参与本次实验。筛选标准为：1）年龄在18～35岁；2）当前处于监禁状态，并经历了3个月以上的强制戒断康复；3）根据DSM-IV诊断标准为MA依赖者，排除其他物质（如大麻、海洛因和可卡因等）共用依赖；4）无精神病史、脑部创伤及酒精依赖等影响大脑结构或功能的疾病，近期未服用精神类药物；5）文化程度在小学及以上；6）右利手；7）戒断次数小于2次。所有被试均知晓实验任务，并签署知情同意书。本实验通过上海体育学院伦理委员会批准。

将被试随机分为舞蹈运动组（20人）和功率自行车运动组（19人），采用独立样本t检验对两组被试的基本信息进行对比。结果显示，年龄、复吸次数、吸毒年限、体质量、身高、体质量指数（BMI）及受教育年限均无显著性差异（P＞0.05）。

1.2 实验任务

本研究包含2个实验任务：利兹食物偏好问卷和食物图片线索范式，分别从行为层面和大脑血氧激活层面反映对食物刺激的敏感性和奖赏系统的功能。

1.2.1 利兹食物偏好问卷

利兹食物偏好问卷（Leeds food preference questionnaire，LFPQ）是一个经过验证的、且基于计算机的行为程序，使用实验软件（E-prime v.2.0，心理学软件工具，ND）编写（Zhou et al.，2019）。50幅食物图片选自付费图片库网站（https：//www.58pic.com/tupian/shiwutupian.html）（Zhou et al.，2019）。要求被试对食物的甜味强度（从不甜到甜）和感知脂肪含量（从低脂到高脂）进行7级评分。并采用单样本t检验，将被试的平均反应均值与参考均值进行比较，高糖高脂组参考值为6，低糖低脂组参考值为2。

LFPQ提供了对一系列食物图片的内隐渴望、外显喜欢和相对偏好的测量。这些食物图片根据食物脂肪含量和口味被分为四类：高脂咸（HFSA）、低脂咸（LFSA）、高脂甜（HFSW）和低脂甜（LFSW），共有16种不同的食物（表1）。

表1 任务中使用的图片食物刺激Table 1 Food Images Used in the LFPQ

1）内隐渴望和相对偏好。在迫选范式中，在一系列成对食物试验中，每一幅食物图片都与其他图片随机呈现在一起。要求被试每次选择“现在更想吃的食物”。一共96组随机食物对试验，每个刺激出现12次。直到一个有效的反应被检测到，反应时在500～4 000 ms，才会进入下一组食物选择。每组之间有短暂的十字加号间隔。每个食物类别的标准化内隐渴望得分被计算为选择食物类别时的平均反应时，并根据对每个食物类别的选择频率进行校正（Dalton et al.，2014）。在内隐渴望测试中，得分为正数的人，相对于任务中的其他选项，对给定食物类别的选择更为迅速；得分为负数的人，则表示相反的情况。此外，还测量了在每个类别中进行选择的频率（可能的范围为0～48），这显示了食物类别之间的相对偏好。

2）外显喜欢。同迫选任务中的16种食物图片相同，每次呈现一种食物刺激，并通过100 mm的VAS评分来评定（100 mm为VAS评分标尺呈现在电脑屏幕上的总长度），VAS的两端分别以“一点也不”和“非常”为基准。研究对象被提示回答：“现在品尝一口这种食物会有多愉快？”每个食物刺激下都有VAS显示在屏幕上，被试用鼠标沿移动光标在量尺不同位置进行选择，以表示其喜爱程度。评分完成后，自动按照随机顺序循环到下一个图片刺激。

1.2.2 食物图片线索任务

采用fNIRS技术，记录被试观看一系列图片过程中的大脑激活情况。图片包括食物图片和非食物图片（控制图片）。非食物图片由具有相似视觉形状、纹理和颜色（如树木、灌木、花朵等）的图片组成。食物图片包括低脂食物图片和高脂食物图片。低脂食物图片包括新鲜水果和蔬菜、全麦谷物、沙拉等。高脂食物图片包括汉堡、炸薯条、冰淇淋、巧克力等。每组包括10张图片刺激，每张图片呈现3 s，每组刺激之间以由10 s十字注视点分隔，整个任务持续240 s，如图1所示。

图1 食物图片线索任务流程图Figure 1.Schematic Representation of the Visual Food Cue Task

在完成食物图片线索任务过程中，采用NIRScout近红外脑功能成像系统，记录被试任务期间局部脑区的血氧动力学信号。根据10-20系统法和人脑生理解剖结构佩戴fNIRS光极帽。使用8×7布局，包括8个发射器和7个探测器，对称分布在前额叶。一个发射器和一个探测器之间的连线代表一个通道，共计形成20个通道。采样频率为7.81 Hz。

1.3 运动干预和实验流程

对所有被试进行为期10周、每周2次的运动干预。具体运动干预方案如下，舞蹈组：进行舞蹈康复操运动30 min，保持峰值心率在65%～75%最大心率（监测峰值心率）；功率自行车组：首先热身5 min，之后完成中等强度运动30 min，期间心率持续控制在65%～75%最大心率，最后拉伸整理运动5 min。

在10周运动干预前后分别进行问卷和图片线索任务测试，这两项任务顺序在被试间进行了平衡。要求被试在测试前24 h内不进行剧烈运动或饮酒。在测试前2 h，禁止饮用含热量或咖啡因的饮料。

1.4 数据分析与统计

1.4.1 近红外数据分析

使用基于 Matlab（Mathworks Natick，MA，USA）的Homer 2软件（MGHMartinos Center for Biomedical Imaging，Boston，MA，USA）对fNIRS数据进行处理。0.5 s内检测到信号变化超过10%标准差被记为运动伪影，并采用小波滤波来检测和去除这些伪影。之后，使用频率为0.01 Hz的高通滤波器去除基线飘移，使用频率为0.1 Hz的低通滤波器减少心跳、呼吸、血压和皮肤血流信号的影响。利用改进的比尔-伯朗定律计算氧合血红蛋白浓度（oxyhemoglobin，HbO）的变化。随后对各条件下所有试次的HbO数值进行平均，得到20个通道在单位时间内每个采样点的HbO均值。各通道在前额叶皮层对应位置如下（表2）：左侧腹外侧前额叶皮层（ventrolateral prefrontal cortex，VLPFC）包括通道 1、3、4，右侧 VLPFC包括通道18、19、20，左侧背外侧前额叶皮层（dorsolateral prefrontal cortex，DLPFC）包括通道2、5、7、8，右侧DLPFC包括通道9、10、14、15、17、前额极皮层（frontopolar，FPA）包括通道6、12、16，以及眶额皮层（orbitofrontal cortex，OFC）包括通道11、13。

表2 各通道在前额叶皮层对应位置Table 2 Each Channel Corresponds to the Prefrontal Cortex

1.4.2 统计分析

使用IBM SPSS for Windows（芝加哥，伊利诺斯州，第20版）进行统计分析。对于利兹食物偏好问卷结果，采用双因素重复测量方差分析，以组别（舞蹈、功率自行车）为组间变量，以前后测为组内变量，分别对4类食物图片的反应进行2组别×2前后测的重复测量方差分析。

对于fNIRS结果，分别对高、低脂食物图片诱发的HbO进行2组别×2前后测的重复测量方差分析。事后检验主要通过Bonferroni校正以确定是否存在显著差异。除另有说明外，数值以平均值±标准差表示。P＜0.05为差异有统计学意义。

2 实验结果

2.1 运动干预对MA依赖者食物偏好的影响

以被试对4类食物的相对偏好、内隐渴望和外显喜欢为因变量，分别进行2×2的方差分析。结果发现，无论是舞蹈组还是功率自行车运动组，对于相对偏好，组别、前后测主效应以及二者的交互作用均不显著（P≥0.236）；对于内隐渴望，组别、前后测主效应以及二者的交互作用均不显著（P≥0.312）；对于外显喜欢，组别、前后测主效应以及二者的交互作用均不显著（P≥0.165）。这一结果表明，不同有氧运动方式对MA依赖者食物的喜好影响较小。

2.2 运动干预对MA依赖者大脑奖赏系统功能的影响

以被试对不同种类食物诱发的各脑区HbO值为因变量，分别进行2×2的方差分析。结果发现，在观看高脂食物图片时，DLPFC的HbO前后测主效应显著（F（1，37）=8.844，P=0.005），即干预后的HbO相比于干预前显著增加（图2）。另外，组别和前后测交互作用显著（F（1，37）=6.338，P=0.016），经简单效应检验发现，功率自行车组后测诱发的HbO显著高于前测（P＜0.001），而舞蹈组干预前后HbO无显著差异（P=0.746）。在观看低脂食物图片时，组别、前后测以及二者的交互作用均不显著。

图2 运动干预前后两组右侧DLPFC血氧变化值Figure 2.HbO Changes of Right DLPFC in pre-test and post-test Groups

3 讨论

本研究采用fNIRS技术，通过比较功率自行车运动和舞蹈运动对MA依赖者食欲和大脑奖赏系统功能的影响，探究不同有氧运动方式对MA依赖者食物奖赏功能的改善作用。结果发现，相比于舞蹈运动，功率自行车运动干预能够有效提升MA依赖者前额叶皮层的激活水平，从而有利于恢复其对食物等自然奖赏物的敏感性。

本研究发现功率自行车运动可有效提高MA依赖者对高脂食物刺激诱发的右侧背外侧前额叶皮层的激活水平。药物依赖对大脑额叶脑区功能和结构的损害已经得到广泛证实（Jones，2013；Lyoo et al.，2006），而合理的有氧运动能够改善大脑损伤（周跃辉等，2016），并且对各个年龄段的健康群体以及脑中风、抑郁症等慢性脑疾病患者均具有显著的康复和预防效果（Smith et al.，2010）。陈爱国等（2011）发现，单次30 min、中等强度的有氧运动干预后，儿童的双侧额上回、额中回等脑区的激活水平增加。Monroe等（2020）发现，20 min中等强度的有氧自行车运动能够改善吸烟群体背外侧前额叶皮层的功能。本研究结果与上述研究结果基本一致，中等强度的功率自行车运动可以提高额叶脑区的功能，因此，对于药物依赖人群受损的奖赏系统内前额叶脑区功能同样能够产生积极的影响。从生理机能角度，运动与成瘾性药物带来的欣快感具有相似性，二者共享同一个奖赏系统（Kanarek et al.，2009）。运动时大脑和身体都会产生内源性大麻素和内啡肽，这些物质能够降低外源性成瘾药物对机体的不良刺激（Arida et al.，2015），改变神经递质的释放（尤其是多巴胺），影响它们在中枢和外周血液中的水平，起到欣快和奖赏感受，从而改善大脑神经环路的功能（Anderson et al.，2013；Brené et al.，2007；Landolfi，2013；Tantimonaco et al.，2014）。运动的这种效果可能是抵抗外源性成瘾药物对机体损害的关键手段之一。

目前已有研究关注运动对药物依赖者的康复效果。研究发现，中等强度的急性有氧运动可以降低MA依赖者的药物渴求度，提升对药物的抑制控制能力（Wang et al.，2015，2016）。结合本研究发现的功率自行车运动康复效益，表明该运动方式能够有效改善大脑食物奖赏脑区的功能。然而，本研究未发现舞蹈运动对MA依赖者的康复效益。基于多数文献发现，中等以上强度的有氧运动效果最佳，因此，中等强度的功率自行车运动能够有效提升MA依赖者奖赏系统脑区的激活，而由于舞蹈运动特性，在干预过程中无法严格控制其运动强度始终持续保持在中等强度范围内，致使没有达到同等时间内中等强度积累所产生的运动效益。由此，我们建议，虽然舞蹈运动的趣味性和节律性高于功率自行车等单一的有氧运动方式，但要想达到同样的运动效益，仍需要保证至少持续30 min中等强度的运动负荷。

目前一致认为，背外侧前额叶皮层在多种涉及注意资源参与的认知功能中均占有重要作用，如工作记忆、执行功能、注意、决策、推理和问题解决等（Barbey et al.，2009；Curtis et al.，2003；Fan et al.，2005；Goel et al.，2004；Heekeren et al.，2006）。因此我们认为，研究结果显示的背外侧前额叶皮层激活增强反映了MA依赖者对高脂食物图片投入的注意资源增多，经过10周的功率自行车运动干预后，MA依赖者倾向于对非药物-高脂食物刺激投入更多的注意资源，从一定程度上可以说明对高脂食物图片的敏感性增强了。本团队前期研究也证实，前额叶皮层功能与药物依赖情况和食物奖赏功能显著相关，该脑区能够反映药物依赖者对药物和食物刺激的反应，以及对药物的执行控制功能，是衡量药物依赖者认知功能康复的重要脑区（Wang et al.，2019）。

另外，本研究未能发现两种运动方式对MA依赖者食物内隐偏好和外显喜欢的显著影响。虽然在大脑食物奖赏功能上发生了干预前后的显著改善，但从行为上并未表现出明显的变化。也就是说，即使MA依赖者经过功率自行车运动干预后，对高脂食物刺激的注意资源投入增多，但并没有对其产生喜好的情绪。可能解释是，功率自行车运动恢复了MA依赖者针对高脂食物带来的生理需要层面的满足，表现为更注意高脂食物，但更高层次的喜好情绪还未得到完全恢复，无法表现出干预前后的显著变化。另一种解释可能是，行为测试受被试当下状态的影响更大，社会评价、情绪状态等因素会影响被试的主观判断，而大脑激活水平属于相对客观的指标，能够更加真实的反映运动干预效果。今后的研究可对此做进一步探究，深入揭示运动改善药物依赖者食物奖赏功能的具体认知加工过程。