身体活动与大脑关联的研究

王亚卓

身体活动与个人身体健康水平息息相关，不同的生活方式可能与某些慢性疾病的发生有关。身体活动作为一个重要媒介，科学家们可以从许多角度来研究不同身体活跃程度与大脑健康之间的关联。本文综述了身体活动与大脑结构和功能的研究，从脑成像技术的视角，对近5年来不同身体活跃度对脑的可塑性研究进行归纳与总结，探索不同群体的不同体力活动水平对脑的可塑性变化。低体力活动水平会对大脑结构产生不利影响，中、高体力活动水平有利于大脑健康，改善大脑认知功能，减少阿尔茨海默氏症等与脑结构相关的疾病的发生。人们有必要保持一定的身体活跃度来保持大脑的健康水平。

1 引言

1.1 身体活动（PA）

根据世卫组织的定义，身体活动是指由骨骼肌肉产生的需要消耗能量的任何身体动作，它的定义与“体育活动”“运动”和“身体适应性”的概念有内涵和外延相互交融的部分，因此难以严格区分。对于身体活跃度的评估，以往的研究采取了各种各样的评估方式，常见的量表有国际体育活动问卷（IPAQ），塔尔图体育活动问卷（TPAQ）以及来自特定领域冲动（DSI）量表的非活动量表，常见的方式是计步器测量身体活动。研究表明上述三种量表对于身体活跃度的评估皆有局限性，同时也有研究表示，IPAQ-SF和计步器均可测量身体活动程度，但在超重和肥胖的妇女中，两种方法的一致性存在差别。考虑到上述研究群体的局限性，具体使用哪种身体活动水平评估方式还有待思考。以往大量研究证明，身体活动对个人身体健康水平具有重要影响。在老年人身体活动强度对患慢性疾病的影响研究表明，达到英国的身体活动准则对老年人的要求（在一周时间内高等强度身体活动至少150min）老年人患有慢性疾病的几率更小。另一项研究表示，对于男性，缺乏运动会与心脏病、癌症和慢性阻塞性肺疾病（COPD）相关。

1.2 大脑（Brain）

大量科学家采用多种方式，针对身体活动对脑的影响展开了研究。Catherine Foster等对有氧健身对健康大脑中脑血管功能的影响展开了横断面研究。Tobias Engeroff等证实老年人保持一定的身体活动可以保持良好的认知功能和大脑神经元结构的完整性。Hiroyuki Shimada等研究发现运动可以增加大脑特定区域的活动，如对照组的丘脑前皮质和内嗅皮质会相对增加，为进一步研究运动和大脑代谢活动关系提供基础。此外，低身体活跃度的生活状态会对大脑产生可塑性影响，如久坐行为可以导致小脑灰质体积较低，进而影响智力。由此，我们可以得出结论，大脑结构和功能可根据身体活动的影响而具有可塑性。

1.3 磁共振成像（MRI）

从人类开始探索脑以来，脑科学技术不断发展，较为常见的有近红外光谱技术（NIRS）、事件相关电位技术（ERP）、脑电图（EEG）、磁共振成像技术（MRI）等。MRI成像技术能提供更大的信息量，无电离辐射，对人体无不良影响，因此对疾病的诊断和人体结构的影响观察具有很大的明显优越性。脑成像技术的发展具有悠久的历史，无创成像技术通过提供正常和病理的脑功能成像，其发展极大地促进了人类对脑功能的研究。当前这些成像技术主要包括功能磁共振成像（fMRI）、弥散张量成像（DTI）和动脉自旋标记（ASL），脑成像技术增加了我们对人体运动和对应脑区域专业化的理解。

总而言之，类似于根据有氧运动、不同运动方式、运动强度等来探讨身体活动对脑功能和结构的影响很多，但迄今为止尚未有研究根据IPAQ量表定量分析身体活跃度对脑机制的影响。针对当前的问题，本综述对国内、外关于身体活跃度与脑机制的研究文献进行分类和分析，尝试着综合不同文献对身体活跃度不同的评估方法，以解决以下问题：①不同身体活动强度“高”“中”“低”，与脑的可塑性之间的关系;②身体活动对脑不同功能区和结构的影响;③不同身体活动类型与脑结构的关系。

2 身体活动度对脑结构的影响

2.1 低体力活动水平对脑的影响

刘超在2018年采用ERP技术比较分析了不同体力活动水平大学生的ERP成分P300潜伏期和波幅的差异性，其研究显示高、中、低三种体力活动水平的大学生区、中央区、枕区和顶区潜伏期无明显差异，但是低体力活动水平组顶区电极点P3、P4、PZ潜伏期明显低于中、高两组。Tan，ZaldyS在研究一个社区的老年人长达十年的体力活动与脑部MRI标记之间的关系发现，低体力活动与大脑海马总体积降低相关，同时将会使老年个体患痴呆症的风险增加。以上研究由于其受样本量制约，其研究结论并非具有代表性，在探究低体力活动水平对脑的影响问题时还应了解采用不同样本时的研究结果。

George Lazaros在使用IPAQ探究PA与颈动脉粥样硬化的关系时，同样地按体力活动水平进行分组。在其分组中低体力活动水平组有较长时间的久坐行为（SB），我们可以推测久坐行为对于低体力活动水平具有一定的代表性，因此我们将探究久坐行为对脑的影响。

以下结论针对不同群体SB对大脑的影响。不同于以往采用主观测量标准评估SB对认知功能的损害，Engeroff T等采用客观的大脑健康相关生物标记物评估标准，发现认知健康的老年人的脑源性神经营养因子（BDNF）与久坐时间呈负相关，从而损害认知健康。Zavala-Crichton JP在2020年发表的一文章显示了肥胖儿童久坐行为与大脑结构和智力的关联，其结果表明长时间的SB可能导致小脑灰质体积较低，并对大脑结构产生负面影响。Arnardottir NY开展了一项5年时间的研究，要求受试者连续七天佩戴髋部磨损加速计计算体力活动的时间，在5年期间结束时测得活动和SB的灰质（GM）和白质（WM）的增生或萎缩体积，用MRI记录5年内GM和WM的变化。随访时发现WM的5年变化与SB呈负相关，体现了脑萎缩和SB之间的联系。Klaren RE探讨了患有多发性硬化症人群的久坐行为模式与全脑灰质（GM），白质（WM）和皮层下GM结构，其主要结果是每天久坐的次数与GM和WM以及深部GM结构呈负相关。对于健康成人群体，Shan Luo的研究發现了SB的水平与大脑对食物线索的反应之间的关系，较高的SB与葡萄糖摄入后大脑感兴趣区域（ROI）的反应性增加相关，即较高的SB会使大脑对高热量食物线索兴奋性增加。总之，不论哪种群体，SB往往会对大脑产生不利影响，影响方式包括脑结构萎缩、大脑健康相关生物标记物变化、大脑兴奋性变化等。

2.2 中高体力活动水平对脑的影响

中、高体力活动水平的身体活动其概念与各种形式的运动、有氧运动、运动锻炼等多个概念相互交叉，难以严格区分，所以在探究中高活动水平对脑的影响时，我们还将探究以上名词相关内容对脑的影响。

（1）MRI成像MRI成像技术由于其强大的提供信息功能、无电离辐射性和无害性被科学家们广泛用于正常和病理的脑功能成像，极大地促进了人类对脑功能的研究。结构磁共振分析包括海马体积的检查，以及使用基于体素的形态计量学对灰质体积的体素评估，并采用扩散张量成像分析分数各向异性，轴向扩散率和径向扩散率进行了基于域的空间统计。Claire E.Sexton的研究比较了12周有氧训练计划对MRI结果的影响。陈爱国采用MRI對比分析，发现11周运动干预使聋哑儿童右侧小脑前部、左侧枕下回、右侧内侧眶额叶、左侧内侧和旁扣带脑回、左侧顶下缘角回、右侧楔前叶、右侧中央后回等脑区灰质体积减小。Julie M.Bugg和Denise Head基于MRI和区域容积测量，包括前额叶、顶叶、颞叶、枕叶、新纹状体和内侧颞叶区域的容积，发现高水平的身体活跃度将会使额叶上部有更大的容积。针对青少年的一项研究根据高强度间歇训练进行多峰MRI检查大脑的结构和功能。

（2）灰质分布于大脑和小脑表面的灰质即为皮质，大脑皮质有大量的神经元胞体聚集，它们之间存在大量的电突触或化学突触作为通信途径，形成极其复杂的神经回路，实现对运动、感觉、语言、情感等多种信息的处理，控制机体做出相应的反应。与此同时，机体的各个因素和指标也会对大脑灰质产生可塑性影响，与灰质体积相关的变量包括年龄、性别、吸烟、酒精和体重指数等等，在此我们将探讨身体活动对大脑灰质的影响。由于中、高体力活动水平有各种各样的指标，包括维持时间、运动形式、活动强度等等，归纳和分析以往身体活动对脑的影响的研究，我们把它归为两类，包括长时间和短时间的中、高等身体活动。

短时间中、高体力活动水平：陈爱国的研究表明一次30min的短时中等强度有氧运动通过增加儿童静息状态下脑功能局部一致性，改善脑的可塑性。Mark Hamer的研究通过让受试者连续七天佩戴腕带三轴加速度计以评估习惯性体力活动。由于该研究扩大了样本容量，使得研究的统计结果更具有广泛性和说服力，并对其他影响因素如年龄和性别对影响的修正，发现体力活动和更高的灰质体积之间的明显联系，且这一联系只在老年人（>60岁）中才明显。Ilona Ruotsalainen让受试者右髋部连续7天佩戴加速计，提供了13-16岁青少年有氧健身与体力活动和灰质体积之间关系的新信息。其研究结果表明，有氧健身水平的提高与左侧苍白球体积呈正相关，与左侧额叶上皮质体积呈负相关。对于青少年来说，客观测量的体力活动与额叶、运动和皮质下区域的灰质体积无关，这与老年人的研究结果相反。David A.Raichlen采取7天内在手腕上佩戴AX3三轴加速度计的方法，对包括中高等强度身体活动在内的协变量进行调整后，发现心肺健康（CRF）与总灰质量呈正相关。Catherine Foster探究了有氧健身对青年人的脑灰质脑血流（CBF）和脑血管反应性（CVR）的影响，结果表明有氧健身是青年人的基线CBF较低和CVR较高。

长时间中、高体力活动水平：陈爱国表明长达11周的运动干预可以使聋哑儿童灰质体积减小。一项综述曾表明中年时期，运动可以增加脑灰质体积和增强心血管功能，从而阻止诱发老年期认知功能下降的神经生物学事件的发生。Tarkka IM发现与较少活跃的双胞胎相比，活跃的双胞胎在纹状体，前额叶和海马区显示出更大的灰质体积，而在前扣带区域的灰质体积较小。

身体活动强度对大脑的影响主要体现在灰质体积变化上。通过结果分析发现，尽管控制身体活动的时间和强度，但是影响大脑灰质体积的因素很多，影响的区域和模式也不尽相同，且对于不同群体身体活动对脑灰质的影响也不尽相同。因此在未来研究过程中，应当控制好其他影响因素包括年龄、性别、健康状况等等，全方位多层次地探讨身体活动和脑的关系。

（3）白质（WM）是中枢神经系统中主要的三个组成元素之一，与灰质、黑质并列。WM控制着神经元共享的讯号，协调脑区之间的正常运作。WM生长的机制与成熟程度，会影响到学习、自我控制与精神疾病等。考虑到WM对于脑结构和脑功能的重要性，我们也研究了PA对于WM的影响的相关文献。Mark Hamer等让受试者连续7天佩戴腕带三轴加速度计，然而结果没有观察到体力活动和总WM之间的任何联系。与Mark Hamer的研究结果类似，Claire E.Sexton的研究发现有氧训练组和对照组在认知和白质测量方面没有显著差异，其研究结果表明没有相关证据可以证明12周的PA干预可以改善老年人的认知功能，也没有白质微结构标志物的产生。尽管没有发现有氧训练和WM之间的关联性，但仍可大胆推测长时间、多因素或针对特定人群的干预措施可能会有不一样的结果。Tobias Bracht等研究探讨了PA与海马两条主要通路的白质微结构的关系。受试者左腕戴活动手表连续72小时，通过连续三天的平均体力活动水平来计算平均体力活动水平。研究无法确定PA是否影响WM微观结构，或WM微观结构是否影响运动行为。与以上研究结果不同，David A.Raichlen的研究发现CRF和中、高强度体力活动与白质高强度病变负荷呈负相关。

综合以上研究结果发现，我们很难界定身体活动对WM的影响，即便是相类似的研究结果也不尽相同。因此关于中、高强度体力活动与WM的关系还需要做进一步多层次、多方向、多群体的研究和调查，才能够真正了解身体活动与WM的关联。

（4）海马运动训练使海马体积增加2%，有氧运动训练可以有效地逆转成年晚期海马体积的减少。一年的中等强度的运动通过增加海马体积和增加血清BDNF在神经保护中的作用，有助于增强认知或补充脑容量。在对包括CRF在内的其他变量进行调整后，David A.Raichlen发现MVPA与左右海马体积呈正相关。即无论CRF如何变化，参与更多MVPA的个体可能通过增强海马体积从而使大脑获得益处。另一项研究结果表示运动训练增加了前额叶皮层的灰质和白质体积，但运动能改变海马区大小的范围仍不清楚。Mark Hamer表明身体活动通过与左右海马体积的关联，从而影响阿尔茨海默氏症等神经退行性疾病的发生。在他的运动试验中发现，运动显示会对左海马体积产生积极影响，但对总体积没有影响。除此之外，Belinda M. Brown等还考虑了遗传因素，以脑源神经营养因子（BDNF）为媒介，评估体力活动与BDNF Val66Met多态性之间的相互作用对大脑结构体积的影响。在Val/Val纯合子组中，较高水平的体力活动与较大的海马和颞叶体积相关，而在Met携带者中，较高水平的体力活动与较小的颞叶体积相关。他还发现对于老年人较高的体力活动水平与较大的海马体积有关。尽管有以上研究成果，但考虑到相关性并不大，他们仍表示体力活动对海马体积的影响很小。Simone Bolijn和Paul J.Lucassen发现PA还通过增加谷氨酸水平，从而增加海马星形胶质细胞中的FGF-2，但目前尚不清楚PA是否也能直接刺激人脑的增殖。

总之，以上结果都支持中、高的体力活动水平，可以减轻年龄与疾病相关的海马体积损失，从而给大脑带来有益的影响。尽管过去5-6年的研究结果相对于之前的研究有所进展，关于中、高强度的体力活动是否能影响海马、如何影响海马的体积、影响何处海马的体积等问题尚未解决，且对于体力活动的界定没有统一的标准，故未来探究体力活动与海马的关联还有很长的道路。

2.3 不同运动方式对脑结构的影响

除了考虑身体活跃强度对大脑的影响外，由于身体活动包括许多不同的运动方式，我们还次要地探讨不同的运动方式对脑结构的影响。

一项综述表示不同类型的长期运动技能学习与训练过程表现出不同的脑可塑性变化特点，可塑性脑区有共性也有差异。对于接受长期高强度运动训练的运动员来说，其脑灰质可塑性变化体现在视觉系统，但是钢琴演奏家的脑灰质变化则体现在听觉系统。此外，粗大运动和精细运动在感觉系统、运动系统、注意系统和皮质下系统表现出不同的结构差异。Li D等将样本分类为经常参加开放式或封闭式技能训练的人和只进行不规则运动的人，其研究结果表明，规则运动者相对于不规则运动者在Stroop任务中表现出更快的反应时间。开放式运动者在Stroop任务中表现出较小的N200和较大的P300a振幅，并且在任务转换测试中表现出较短的错误相关负性潜伏期。吴殷等研究发现，羽毛球运动员相比于篮球运动员在左侧额下回、左侧顶上小叶、左侧楔前叶灰质体积有显著增大;篮球运动员相对于羽毛球运动员在颞下回、左侧额中回、左侧额下回、扣带回中部、脑岛灰质体积差异显著，显示长期的运动训练会对不同运动项目的运动员大脑产生相似的可塑性变化。

综上分析，除了身体活动强度和时间外，运动类型也会对大脑结构产生各种各样的影响，主要体现在灰质的变化上。为了维持大脑的各项机能平衡发展，对于普通人来说可以保持运动方式的多样性，采取不同的运动方式全方位地保持大脑的健康。

3 结论

不同身体活动度会对大脑结构和功能产生可塑性影响。身体活动对于脑的影响是多种多样的，不同的体力活动水平对大脑产生可塑性变化的区域不同，且对于不同的群体来说相同的运动或者体力活动水平也会表现出不同的可塑性变化模式。

总的来说，身体活动度对大脑的影响主要体现在灰质、白质和海马上。低体力活動水平或者长时间久坐行为会对大脑结构产生不利影响，中、高体力活动水平或者有氧运动等会对大脑结构产生有利影响，其主要体现在灰质体积增加，以及减缓因年龄的萎缩的海马体积，从而进一步改善大脑认知功能、减少阿尔茨海默氏症等与脑结构相关的疾病的发生。值得注意的是，身体活动与蛋白质的关联仍有许多待研究的疑问。

未来，需要进一步结合IPAQ和MRI成像技术，多层次、全方面地研究解释身体活跃度对脑可塑性变化机制。为了提高大脑的健康水平，减缓因年龄增长带来的不利的大脑结构变化，人们需要更多的中、高等强度的身体活动，减少久坐时间。

课题：大学生创新创业训练计划项目（X202012121252）。

（作者单位：南方医科大学）