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運動影響大腦執行功能的機制綜述

時間:2020-04-29 來源:成都體育學院學報 本文字數: 12621字
作者:蔡春先,張運亮 單位:天津體育學院體育教育與教育科學學院

  摘    要: 文章從神經生理學角度探討了大腦特定結構改變與執行功能各子功能改善的關聯;從分子生物學角度探討了不同分子生物學指標在運動影響下改善執行功能各子功能的可能機制;從運動劑量效應、年齡、測試任務選擇等方面分析了實驗設計時可能需要考慮的變量設置及實驗控制。文章提出,未來可以考慮從運動對腦結構、功能的可塑性角度出發,采用多種方法綜合分析運動改善執行功能的神經生理學機制和分子生物學機制,尋找與運動改善執行功能相關的效應基因以及基因多態性。此外,實驗過程中,需要進一步嚴格地控制相關變量以確保研究的嚴謹性和科學性。多學科、綜合的視角對于揭示運動改善執行功能的機制更加重要。

  關鍵詞: 運動; 執行功能; 機制; 變量設置; 變量控制;

  Abstract: This present paper discusses the relationship between the modification of specific structure of brain and the optimization of subfunctions of executive function from the perspective of neurophysiology, the possible mechanism that different molecular biological indices improve subfunctions of executive function by exercise from the perspective of molecular biology, and the possible variable settings as well as experiment control in experimental research according to exercise dosage effect, age and test option. This paper proposes that research in the future shall be based on the plasticity of brain structure and function, aiming to analyze the neurophysiological mechanism and molecular biological mechanism that exercise improves executive function by comprehensively using a variety of analysis methods, and find out from the perspective of molecular biology the effective genes related to the mechanism that exercise improves executive function and their polymorphism. In terms of experimental variable setting and control, relevant variables shall be controlled more strictly to ensure their precision and scientificity. Finally, it is proposed that an interdisciplinary and comprehensive perspective is more likely to reveal the mechanism that exercise improves executive function.

  Keyword: improvement by exercise; executive function; mechanism; variable setting; variable control;

  人類社會的進步是在發現問題、分析問題和解決問題的過程中實現的,在這一系列的過程中,大腦的執行功能扮演著重要的角色。執行功能是大腦多種認知功能的集合,主要包含抑制、刷新、轉換3個子功能,它能夠加工、控制與協調各種認知過程,優化人類認知反應模式,從而使大腦做出適宜的反應[1,2]。良好的執行功能水平有助于人們更好地進行計劃、推理、判斷以及做出決定,而異常的執行功能則與兒童注意缺陷多動障礙、抑郁癥、老年癡呆等多種精神疾病相關。尋找改善執行功能的有效手段已成為多學科研究的重要前沿和熱點課題。

  以往的研究中,專門的心理訓練是改善大腦執行功能最主要的手段。但隨著多學科交叉研究的推進,從其他領域尋找改善執行功能的有效手段也已經成為學者們研究的熱點。其中體育運動因自身具有成本低、花費少、易開展的特點而受到廣泛關注。大量研究已經證實,運動在一定程度上能夠有效地改善執行功能,但“運動如何改善執行功能”這一問題還需要進一步探究。本文對 “運動改善執行功能機制”相關的文獻進行綜述,從分子生物學、神經生理學的角度探討運動影響執行功能的機制,同時分析相關實驗研究中需要考慮的變量設置及實驗控制,為進一步探究運動改善執行功能的機制提供參考。
 

運動影響大腦執行功能的機制綜述
 

  1 、運動改善執行功能的神經生理學機制

  1.1 、運動改善刷新功能的神經生理學機制

  作為重要的中央執行功能,記憶刷新功能會影響我們日常生活的各種活動。研究發現,運動能夠通過改變相關腦區不同部位的激活程度和范圍來改善記憶刷新功能[3,4]。涉及的主要腦區有背外側前額葉、扣帶回、頂葉、顳葉、枕葉、海馬區以及小腦等[3]。已有研究表明,背外側前額葉和背側前扣帶被認為是工作記憶編碼網絡的一部分,前者與編碼和信息操作相關,后者與行為調整相關[5]。來自腦影像學的研究結果顯示,工作記憶多感覺信息編碼涉及的相關大腦神經網絡包括頂葉皮層的角回和右側前楔葉、前額葉皮層的右側額上回和前扣帶回,以及感覺聯合皮層如左側枕中回、右側顳上回等[4]。另外后扣帶回在個體調節與平衡機體內外環境導向中發揮著重要的作用,其激活程度的增強與工作記憶表現存在正相關[3]。這些腦區功能及其相互聯系的改變,優化了記憶刷新功能的腦激活模式。

  運動還可以引起記憶刷新功能相關網絡的優化和重組,提高腦功能局部一致性,進而改善刷新功能[6]。Voss等人對老年人進行為期1年的有氧運動干預后發現,有氧訓練增加了在默認模式網絡和額前執行網絡中額、后、顳皮層之間的功能連接,而功能連接的增加與執行功能的改善相關[7]。方曉靜的研究表明,雙側背外側前額葉和背側前扣帶皮層之間,以及右側背外側前額葉和左側眶額-腦島皮層之間的靜息態功能連接與工作記憶表現正相關[5]。還有研究發現,執行功能的實現依賴于前額葉皮層與其他皮層及皮層下區域之間的動態交互作用[8]。以上分析提示,運動能夠通過改變前額葉、扣帶回等相關腦區不同部位的激活程度和范圍,增加相關腦區之間功能網絡連接等方式來改善記憶刷新功能。

  1.2、 運動改善抑制功能的神經生理學機制

  眾多的研究表明,運動能夠通過改變相關腦區激活模式、增加腦區之間功能網絡連接等方式改善抑制控制功能[6,9,10]。從腦區激活角度看,運動能夠改變與抑制控制功能相關腦區的激活模式。一項關于身體活動改善藥物成癮戒斷者腦功能損傷的研究發現,提高身體活動量可促進藥物成癮者大腦功能損傷的改善,具體表現為:活動組比久坐組的低頻振幅值在雙側腦島、左側眶部額下回、雙側內側額上回、左側前扣帶回、左側枕上回、左側補充運動區顯著升高,這些顯著差異腦區主要與成癮的抑制功能有關。相關的研究也發現,右背外側前額葉和額極區富含抑制神經元,前扣帶回富含興奮性神經元,右側背外側前額葉和額極區均受前扣帶回的支配,在認知控制中承擔不同的角色[10]。這些研究表明運動引起的前額葉(以背外側和腹外側為主)、前扣帶回、頂葉、紋狀體(腹側)、伏隔核、運動皮層和小腦等腦區激活模式的改變與抑制控制功能的改善有關。運動條件下激活的腦區還可以通過增強腦網絡之間的連接程度改善抑制控制功能[6]。已有的研究表明,腹外側前額葉、前扣帶回和雙側額極協同激活增強,支持注意控制需求增加時引起的相應反應選擇、抑制功能和目標控制的增強[9]。因此,運動改善抑制控制功能的神經生理學機制主要是:運動通過改變前額葉(以背外側和腹外側為主)、前扣帶回、頂葉、紋狀體(腹側)、運動皮層和小腦等主要腦區的激活模式,增強這些主要腦區之間的連接。

  1.3、 運動改善轉換功能的神經生理學機制

  良好的轉換功能能夠使個體根據環境的變化改變自己的行為方式及觀念。與運動改善認知靈活性相關的腦區主要有:前額葉(額極區)、扣帶回、紋狀體(腹背側)、下丘腦、小腦等。由這些腦區形成的腦網絡的動態激活能夠提升個體的轉換能力。比如,一項探索認知靈活性相關腦網絡動態演化的研究表明,認知靈活性主要依賴于額頂網絡的動態激活,前額極參與任務切換前的跨試次準備過程,而背側額區參與試次內的即時任務切換,且左右兩側額區功能不同[11]。從腦結構角度看,運動還能夠改變相關腦區的體積,進而改善轉換功能。陳愛國等人發現11周運動干預提升了聾啞兒童完成執行功能任務的能力,并且運動干預所導致的聾啞兒童執行功能改善與聾啞兒童右側小腦前部的灰質體積減小存在顯著正相關[12]。也有研究表明,有氧能力可以提高老年人多個腦區的灰質體積[13]。這說明運動可以通過改變相關腦區內灰質和白質的體積改善執行功能。以上研究表明,運動改善認知靈活性(轉換功能)的機制為:激活前額葉(額極區)、扣帶回、紋狀體、下丘腦、小腦等主要腦區,增強這些腦區之間的連接以及改變相關腦區內灰質與白質的體積。

  上述分析提示,運動能夠改變前額葉(背外側和腹外側)、扣帶回(以前扣帶回為主)、小腦、頂葉、紋狀體(腹側)等腦區的激活模式,增加這些腦區之間的功能網絡連接,從而實現對執行功能三個子功能的改善。由于各子功能所負責的認知“任務”不同,這也導致運動在改善各子功能時所激活腦區的部位以及范圍存在一定的差異。另外,運動改善執行功能的神經生理學機制研究更多集中于運動對腦網絡功能連接以及腦激活模式影響方面的探究,而運動通過影響腦區結構進而改善執行功能的研究相對較少。相關研究應進一步加強對該方面的探索,從而更加全面地解釋運動改善執行功能的機制。

  2 、運動改善執行功能的分子生物學機制

  已有的研究表明,適宜的運動對執行功能有促進作用,但其潛在的分子機制尚不清楚[6,14]。相關研究發現,運動能夠增加激素、生長因子、神經遞質等物質的釋放,同時能夠增強相關腦區的基因表達以及改善腦組織的抗氧化能力,這些分子生物學指標的改變能夠有效的改善執行功能[15,16,17,18,19,20,21]。

  2.1、 運動改善刷新功能的分子生物學機制

  研究表明,運動會影響某些神經遞質的合成和釋放,而由運動引起的神經遞質的增加能夠激活不同的信號傳導通路,提高突觸傳遞的效能[14,15]。研究發現,適宜負荷的運動可以適當提高大鼠前額葉皮質、海馬組織等腦區中一氧化氮及一氧化氮合成酶的含量,進而提高大腦認知水平[15]。另外被運動激活的前額葉神經活動受多巴胺水平調節,其中前額葉多巴胺D1信號受體在維持穩定的工作記憶表示方面起著重要的作用[16]。此外,多巴胺對大腦活動的影響受基因變量的調節。在工作記憶處理過程中,某一多巴胺受體激動劑與多巴胺D2受體基因型相互作用,能夠調節與負荷相關的前額葉活動[22]。另外,多巴胺D3受體基因 rs 167771 位點的多態性對紋狀體和背外側前額葉之間的連接存在影響,而兩個腦區之間連接程度的加強有利于改善記憶刷新功能[14]。

  從相關腦區基因表達角度看,適宜的運動還會影響相關基因的轉錄,進而促進新突觸的聯系。研究發現,長期中等負荷游泳運動能夠上調額葉ORX-A mRNA表達,提高大鼠空間記憶能力;而過度負荷的游泳運動則會下調額葉OX1R-mRNA表達,損害大鼠的空間記憶能力[17]。這說明運動能夠通過增強相關腦區神經物質的基因表達改善記憶刷新功能。運動還會增加神經生長因子和神經保護因子的釋放,如腦源性神經營養因子、胰島素樣生長因子-1、N-甲基天冬氨酸受體等,這些神經因子在運動促進刷新功能中起著關鍵作用[23,24]。另外,由運動引起的一些激素的增加也會參與記憶刷新功能的改善。有研究表明,前額葉皮質具有高密度的糖皮質激素受體,使其對壓力引起的皮質醇濃度變化敏感,皮質醇水平的增加極易影響前額葉介導的工作記憶過程[18]。還有研究發現,接受耐力訓練的中老年人有較好的心肺耐力和記憶表現,這與血液胰島素水平有一定的關系[14];運動可以改善胰島素的阻抗現象,進而對認知功能產生積極的影響[14]。另外,前額葉活性也會受到去甲腎上腺素的調節[19]。

  2.2、 運動改善抑制功能的分子生物學機制

  研究發現,前額皮質紋狀體系統中的伏隔核參與抑制控制過程,而該腦區中的多巴胺D1和D2受體則扮演著不同的角色[25]。伏隔核中多巴胺D1受體的強直激活能夠調節抑制反應控制,而由神經興奮劑安非他命引起的沖動反應的增加更多地依賴于伏隔核區域多巴胺D2受體的激活[25]。另外,由運動引起的去甲腎上腺素釋放的增多也會影響執行功能的抑制功能。有實驗研究了腎上腺素受體激動劑對抑制反應控制的影響,發現去甲腎上腺素轉運抑制劑改善了抑制反應的控制,表明去甲腎上腺素參與調節抑制反應控制的過程[26]。運動影響激素釋放來改善抑制功能的機制還體現在神經肽Y上。神經肽Y系統與經典的神經傳遞素協同作用,能夠調節自主、情感和認知過程在內的多種功能。研究發現,神經肽YY5受體拮抗劑Lu AE00654對大鼠沖動和皮質紋狀體的回路有影響,低劑量Lu AE00654 (0.03 mg/kg)可選擇性促進反應抑制,而高劑量(0.3 mg/kg和3 mg/kg)則無影響,并且Lu AE00654也增強了背側額葉皮質對尾殼神經元的抑制作用[20]。這些結果提示,神經肽Y系統調節了對沖動控制重要的腦區抑制神經傳遞。

  2.3、 運動改善轉換功能的分子生物學機制

  由運動引起的多巴胺神經遞質的釋放不僅能夠改善記憶刷新、抑制控制功能而且對執行功能中的轉換子功能也有一定的影響。研究發現,額葉、紋狀體及前扣帶皮層區域中多巴胺的平衡對調節認知靈活性至關重要[27]。運動激活的多巴胺可以通過紋狀體和前扣帶回皮層的D2受體影響設定的轉移任務的表現,而在前額葉中,D1受體可以調節這一表現[27]。表明多巴胺的D1和D2受體在調節認知靈活性任務中所發揮的作用有所差別,其中D2受體與認知靈活性不同方面的調節關系更加密切。另外腦源性神經營養因子信號可能通過維持紋狀體多巴胺能——谷氨酰胺的相互作用來影響認知靈活性[28]。相類似的因子還有N-甲基天冬氨酸受體和5-羥色胺受體,N-甲基天冬氨酸受體能夠影響前額葉皮層的正常功能,該受體的高表達是前額葉皮層選擇性學習和靈活性行為轉換功能所必需的[29]。而運動可以使5-羥色胺受體6高度表達進而提高策略切換的性能[21]。

  上述分析表明,運動能夠通過增強神經信息傳遞改善執行功能,其中多巴胺是重要因子。多巴胺的不同受體不僅在執行功能各子功能扮演著重要而又不同的角色,而且由運動引起的多巴胺基因多樣性以及相關生長因子的變化也參與到執行功能改善中。另外運動干預導致的相關不同激素和不同生長因子的釋放也會選擇性地影響執行功能的各子功能,從而達到改善執行功能的目的。

  3、 運動改善執行功能相關研究的變量設置與控制

  3.1、 運動改善執行功能相關研究的變量設置

  3.1.1、 運動項目

  不同運動項目對執行功能的影響主要體現在運動項目本身的動作技術特點及所處的運動情境兩個方面。認知參與度高、背景環境復雜的運動不僅能夠促進人的生理喚醒,還能更大程度地激活與認知相關的神經網絡,進而改善執行功能水平。從運動技術本身的復雜程度來看,簡單與精細運動存在著相對特異性的腦機制:與簡單運動相比,手足的精細運動需要更多腦區參與[30]。從運動情境對認知影響的角度看,進行情境復雜的運動時,由于需要更高的認知參與,需要調動更多的神經回路,提高前額葉區域的活性水平,最終使執行功能得到提高。上述分析表明,技術動作認知參與高、背景環境復雜的運動項目更有利于執行功能的改善。

  3.1.2 、運動強度

  目前關于不同運動強度對認知表現的影響有兩種理論假說;一種是喚醒理論假說(倒U假設),另一種是驅動理論假說。喚醒理論假說認為,中等負荷的運動比高強度或低強度的運動更有利于認知。具體表現為中等負荷的運動能夠使兒茶酚胺(如多巴胺、去甲腎上腺素和5-羥色胺)得到最佳的釋放,增加中樞神經系統普遍的生物喚醒效應,合理分配認知資源[31]。而驅動理論則認為高強度運動能夠得到認知改善的最大效果。相關研究也發現,與低強度運動方案相比,高強度的方案使腦源性神經營養因子含量增幅更大,有利于發揮其對神經結構和功能可塑性的調節作用[32]。

  3.1.3 、運動時間

  長期運動能夠通過提升神經信息處理、影響相關的腦區功能連接、調節相關重要生長因子以及提高腦區活化程度等機制來提升認知表現[14]。Voss等人報告了經過12個月的有氧(步行)干預后,副海馬與雙側顳葉皮層以及枕部和頂骨區域之間的連接增強。心血管健康假說認為,長期運動會通過增強心血管健康而影響執行功能[33]。長期的體育鍛煉能夠增加集中在前額葉、頂葉與部分顳葉等腦區的氧飽和度和腦血流量[34];而這些部位都與執行功能存在直接關系。另外,體育鍛煉能夠改善機體的血管密度,促進毛細血管的生成,這在一定程度上有利于腦的可塑性[35]。上述分析表明,運動時間的控制在運動改善執行功能的研究中發揮著重要作用。

  3.2 、運動改善執行功能相關研究的變量控制

  3.2.1 、性別

  雖然到目前為止還沒有證據直接證明運動對不同性別在認知上的影響不同,但有少數研究支持性別差異確實存在。研究報道,女性的執行功能更能從鍛煉中獲益[36]。最近在成年小鼠和人類身上的研究初步表明不同性別進行運動時誘導的腦源性神經營養因子量的增加存在差異,但具體哪種性別的增強效果更好仍然存在爭議[37]。腦源性神經營養因子某些功能和機制在性別上存在差異[38],說明運動對大腦和潛在機制的影響可能與性別有關。運動對執行功能影響在性別上的差異可能與不同性別之間腦部體積和連接差異有關。對人類和嚙齒類動物的研究結果表明,運動后,雌性和雄性的杏仁核、海馬、前額葉結構和電路會有不同的反應[39]。通過分析可以推測,性別在運動改善執行功能機制中有重要的調節作用,并且這種調節作用的發揮與運動引起的不同性別之間腦部體積和連接的差異有關。

  3.2.2 、年齡

  就年齡而言,盡管有研究表明運動能夠激活兒童、大學生和老年人大腦皮層的額葉和頂葉等相關腦區,但運動對不同年齡人群腦區的激活模式存在一定的差異。比如,Tsujimoto等人考察了成人和 5~6 歲兒童在完成相同的工作記憶任務時雙側前額葉(與執行功能相關的腦區域)皮質的活動狀況,結果顯示成人在工作記憶過程中左側前額葉起主導作用,而兒童在記憶過程則是右側前額葉起主導作用[40]。另外,與老年人相比,年輕人的皮層關聯網絡具有更大的網絡內功能連接[41]。通過以上的分析可以得出,由年齡導致的腦區激活模式和腦部網絡連接差異是客觀存在的,而這些差異會影響不同年齡人群執行功能的發展,這反映出年齡是影響運動改善執行功能的重要因素。此外,探究不同年齡人群關于運動改善執行功能的特點是有必要的。

  3.2.3 、被試者身體狀況

  先前研究表明,與較差的身體狀況相比,較好的身體狀況通常預示著更好的執行功能[42]。另外,肥胖也可能會影響運動對執行功能的改善效果。研究發現,有氧運動可通過激活肥胖大鼠前額葉相關通路抑制細胞凋亡,促進神經可塑性相關蛋白質表達,而高脂飲食可導致肥胖大鼠前額葉神經可塑性相關蛋白質表達下降[43]。相關研究還發現,心肺耐力與相關皮質網絡的功能連接具有正相關關系,其中在默認模式網絡中效果最強[41]。提示運動可能通過提高心肺耐力進而影響與執行功能相關的皮質網絡的連接。

  3.2.4 、被試者文化程度

  受教育的程度也會影響個體的執行功能水平。研究發現,文化程度越高的個體執行功能總體水平越高,而執行功能水平不同的個體受到運動影響的效果也會不同[44]。文化程度對執行功能的影響可能與認知儲備的增加有關,認知儲備是可以改變的,并且教育、職業素質、業余活動等可以增加認知儲備[44]。這提示我們被試者的文化程度也是影響運動改善執行功能的重要調節因子。

  3.2.5、 測試任務

  在多數相關研究中,運動改善執行功能的效果主要體現在相關測試任務的完成情況。有研究發現,在不同的執行功能測試任務中,激活的神經部位也不完全相同。Stroop任務(英語文字處理)能夠使右側半球出現更多的神經激活,而箭頭Stroop任務(空間處理)則使左側半球出現更多的神經激活[45]。神經活性表現出的差異說明了腦區在應對不同難度認知任務時所動用的神經資源存在差別[46]。這些問題會不同程度地影響到實驗的最終結果,在實驗設計時需要盡量減少這一問題的出現。

  4 、總結與展望

  4.1 、關于運動影響執行功能的神經生理學機制

  眾多的研究從不同層面探討了運動與腦功能的關系,這有利于揭示運動改善執行功能的神經生理學機制。未來的研究可以考慮更多地借用影像學手段,從運動對腦結構、功能的可塑性角度出發,對運動改善執行功能的神經生理學機制進行多層面的分析(如大腦網絡整合性、腦皮層厚度[47]、灰質體積[12]、腦局部激活[3]等)。此外,應進一步完善相關的實驗設計,通過觀察不同認知任務下大腦的影像學變化客觀地揭示運動改善執行功能的機制。

  4.2、 關于運動影響執行功能的分子生物學機制

  盡管眾多的研究運用與腦部認知相關的分子生物學指標探討了運動改善腦部認知功能的分子生物學機制并取得了一定的成果,但是對運動改善執行功能分子生物學機制的研究還十分有限,并且取得的成果量呈現非均衡性。未來應進一步研究運動如何提高神經信息傳遞的效率以及運動引起的激素分泌變化的機制。此外,還要考慮尋找與運動改善執行功能相關的效應基因以及相關基因的多態性。

  4.3 、關于相關研究的變量設置與控制

  未來還需要進一步探究其他因素對運動改善執行功能的影響,進而更嚴格地控制相關變量以確保實驗的嚴謹性和科學性。研究發現,腦內一些微量元素的含量會影響執行功能的發展。比如,早期鐵缺乏會通過損傷髓鞘化、多巴胺等單胺類神經遞質,海馬、前額葉和紋狀體的代謝和功能影響認知的發展[48];白藜蘆醇(一種具有血管擴張的多酚)的攝入也會導致前額葉皮層血容量的增加。類似的元素還有葉酸、維生素B12、鋅、維生素D等[48,49],這些元素或物質都可以從食物中獲取。這說明運動對執行功能的改善同樣也受膳食的影響。此外,近十年來在運動和非運動人群中利用營養補充劑來調節認知能力的研究越來越流行。合理的膳食與適宜的運動相結合對改善執行功能將會有更好的效果。提示未來也需要從飲食變量控制的視角進行探究。

  4.4 、關于運動改善執行功能機制的整體考慮

  綜上所述,運動改善執行功能是極其復雜的現象,受多種因素的影響。因此要想完全地揭示運動改善執行功能的機制就需要從心理學、認知神經科學、生物學以及社會學等多個學科綜合的視角進行整合的研究。

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  原文出處:蔡春先,張運亮.運動改善大腦執行功能機制的研究進展[J].成都體育學院學報,2019,45(06):120-126.
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