運(yùn)動(dòng)與腦的可塑性發(fā)展研究

張程謝琛 孫景超

摘 要：近年來(lái)，腦的可塑性研究迅速發(fā)展，已成為多學(xué)科研究的熱點(diǎn)和前沿。文章探討了運(yùn)動(dòng)影響大腦的可塑性機(jī)制，運(yùn)動(dòng)通過(guò)分子和細(xì)胞水平影響大腦，在各個(gè)年齡階段對(duì)大腦的可塑性都有正向影響。研究表明，運(yùn)動(dòng)對(duì)大腦可塑性有積極影響，這是運(yùn)動(dòng)對(duì)人體的另一種積極影響；不同的運(yùn)動(dòng)方式對(duì)大腦可塑性有不同影響，具有區(qū)域性；除了年齡階段之外，運(yùn)動(dòng)誘發(fā)的大腦可塑性也與年齡有關(guān)，鍛煉時(shí)間。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng) 腦的可塑性 認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)

中圖分類號(hào)：G804 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2813（2018）11（b）-0011-02

人腦的可塑性是指人腦的結(jié)構(gòu)和功能隨著內(nèi)外環(huán)境的變化而不斷變化和重建[1，2]。全面認(rèn)識(shí)大腦的可塑性，對(duì)于保護(hù)大腦，科學(xué)利用大腦，充分發(fā)揮大腦的可塑性具有重要意義。近年來(lái)，運(yùn)動(dòng)與腦的可塑性已經(jīng)成為科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱門(mén)話題。運(yùn)動(dòng)可以從宏觀上改善大腦的系統(tǒng)水平，從微觀上改變大腦的細(xì)胞水平和分子水平。

1 運(yùn)動(dòng)與腦的可塑性研究進(jìn)展

大腦是自然界中最復(fù)雜的系統(tǒng)。腦的可塑性是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，它受到經(jīng)驗(yàn)與發(fā)展的相互作用的影響。運(yùn)動(dòng)和腦可塑性的研究可以在細(xì)胞和分子兩個(gè)不同的水平進(jìn)行。

1.1 分子水平的腦可塑性

體育鍛煉對(duì)大腦可塑性的影響也可以追溯到相關(guān)分子的表達(dá)。瓦恩曼等研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)增加老年和癡呆患者腦源性神經(jīng)的產(chǎn)生和分泌，同時(shí)降低IGF-1水平。體育鍛煉對(duì)海馬神經(jīng)發(fā)生、血管生成和腦損傷康復(fù)有直接影響。運(yùn)動(dòng)不僅增加了腦內(nèi)BDNF的水平，提高了CREB的水平。CREB是突觸可塑性的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，CREB部分調(diào)節(jié)突觸可塑性和神經(jīng)元存活率。運(yùn)動(dòng)對(duì)CRB的影響可能與腦活性氧（ROS）的變化有關(guān)，ROS是生物氧代謝的副產(chǎn)物。ROS處理6h后，CREB活性升高，24h后CREB和CREBMRNA水平顯著降低（P<0.05）。總之，運(yùn)動(dòng)對(duì)大腦的可塑性有不同程度的積極作用，并且不同程度的大腦可塑性也不同，它們?yōu)檫M(jìn)一步利用運(yùn)動(dòng)技術(shù)來(lái)保護(hù)和開(kāi)發(fā)人腦提供了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。

1.2 細(xì)胞水平的腦可塑性

神經(jīng)發(fā)生是腦細(xì)胞可塑性的主要表現(xiàn)形式之一。神經(jīng)發(fā)生在成年中樞神經(jīng)系統(tǒng)中仍然存在。而齒狀回仍然存在產(chǎn)生新神經(jīng)元的能力。運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)齒狀回神經(jīng)細(xì)胞和神經(jīng)干細(xì)胞的存活和分化，促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生。筆者和其他人，探討主動(dòng)運(yùn)動(dòng)（跑步機(jī)訓(xùn)練）對(duì)成年小鼠神經(jīng)發(fā)生的影響。結(jié)果表明：平板運(yùn)動(dòng)可促進(jìn)成年小鼠齒狀回亞顆粒細(xì)胞的分化和新細(xì)胞的生長(zhǎng)。突觸可塑性也是腦細(xì)胞可塑性的主要表現(xiàn)，突觸可塑性以材料傳遞和結(jié)構(gòu)可塑性為特征，突觸結(jié)構(gòu)的可塑性是指突觸連接的產(chǎn)生，生和突觸的形態(tài)發(fā)生。突觸可塑性是多突觸活動(dòng)后突觸傳遞效率的促進(jìn)或抑制。研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)改變突觸結(jié)構(gòu)、線粒體結(jié)構(gòu)和突觸數(shù)目來(lái)實(shí)現(xiàn)突觸結(jié)構(gòu)的可塑性。提示運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練可促進(jìn)突觸結(jié)構(gòu)的可塑性。

2 不同年齡運(yùn)動(dòng)對(duì)大腦可塑性的影響

人類進(jìn)步的各個(gè)階段都有一定程度的可塑性。經(jīng)過(guò)第三、二十年的這個(gè)周期我們從三個(gè)階段解構(gòu)了運(yùn)動(dòng)對(duì)大腦可塑性的影響：發(fā)育階段（20歲前）、成人階段（20～60歲）和老年階段（60歲之后）。

2.1 發(fā)育期

運(yùn)動(dòng)對(duì)大腦發(fā)育過(guò)程中的可塑性有積極的影響，沒(méi)有“天花板效應(yīng)”。采用側(cè)翼任務(wù)法評(píng)價(jià)五年級(jí)兒童的執(zhí)行功能，采用心理測(cè)量技術(shù)和功能磁共振成像（FMRI）技術(shù)比較中等有30min后有氧運(yùn)動(dòng)和腦激活。結(jié)果表明，短時(shí)間中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)能使兒童大腦活動(dòng)模式發(fā)生積極的變化。值得注意的是，在發(fā)育過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)對(duì)大腦可塑性的積極影響可能導(dǎo)致更緊密的相互連接的大腦網(wǎng)絡(luò)，其中當(dāng)一個(gè)區(qū)域受損時(shí)，其他大腦區(qū)域可以更積極地進(jìn)行補(bǔ)償。因此，認(rèn)知障礙較少，即所謂的腦儲(chǔ)備。例如，塞爾吉奧等人選用21日老年雄性Wistar大鼠進(jìn)行平板運(yùn)動(dòng)39d，90d后檢測(cè)其癲癇易感性。結(jié)果表明，運(yùn)動(dòng)干預(yù)可改變成年癲癇的易感性，改善腦功能。迪克等人對(duì)65歲以上的1200人進(jìn)行了基于人群的前瞻性研究。通過(guò)回顧15～25歲之間的每個(gè)人的體育鍛煉習(xí)慣，DIK等發(fā)現(xiàn)老年人體力活動(dòng)的發(fā)展與認(rèn)知能力呈正相關(guān)。

2.2 成年期

傳統(tǒng)上，大腦在創(chuàng)傷末期形成或恢復(fù)的能力在青春期結(jié)束時(shí)是有限的。然而，近年來(lái)，這一觀點(diǎn)被越來(lái)越多的研究者認(rèn)為是“成人可塑性”的反駁。鍛煉對(duì)成年人的大腦也是可塑的。例如，研究平板運(yùn)動(dòng)對(duì)成年小鼠神經(jīng)發(fā)生的影響結(jié)果表明，面板試驗(yàn)可促進(jìn)成年小鼠齒狀回顆粒細(xì)胞神經(jīng)干細(xì)胞的生成，新細(xì)胞生長(zhǎng)和突觸生長(zhǎng)。此外，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練將促進(jìn)成人大腦網(wǎng)絡(luò)更加緊密的聯(lián)系，呈現(xiàn)大腦儲(chǔ)備的特征。研究結(jié)果表明，中年運(yùn)動(dòng)水平可維持老年人的認(rèn)知功能，減少或延緩阿爾茨海默病的發(fā)生。

2.3 老年期

長(zhǎng)期以來(lái)，衰老研究一直采用一種“衰退模型”。然而，最近的研究顯示老年人的大腦可塑性可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練在一定程度上得到改善甚至逆轉(zhuǎn)。鍛煉在老年人大腦中也具有可塑性。例如，Colcombe和Erickson使用磁共振成像掃描大腦結(jié)構(gòu)，與對(duì)照組相比，6個(gè)月有氧訓(xùn)練組認(rèn)知功能相關(guān)區(qū)域的灰質(zhì)和白質(zhì)體積顯著增加。埃里克森等人應(yīng)用磁共振成像研究老年人海馬體積與體能水平的關(guān)系。結(jié)果表明，有氧運(yùn)動(dòng)與老年人海馬體積呈正相關(guān)。VanPraag指出，體育鍛煉可以改善老年大鼠學(xué)習(xí)記憶能力和海馬。

簡(jiǎn)言之，運(yùn)動(dòng)對(duì)發(fā)育、成年和老年期間的大腦可塑性有積極影響，表明在任何時(shí)候開(kāi)始運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練都不晚，而且有積極影響。更重要的是，在生命的早期階段，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)大腦可塑性的影響將在大腦儲(chǔ)備中發(fā)揮作用，隨后增強(qiáng)大腦從衰退和損傷中恢復(fù)的能力。

3 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)動(dòng)影響大腦可塑性的機(jī)制非常復(fù)雜。運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練能產(chǎn)生大腦的正可塑性變化。除了運(yùn)動(dòng)時(shí)間和強(qiáng)度的影響外，年齡也可能是大腦可塑性的原因。這些結(jié)果提示，相同運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)不同年齡組大腦的影響可能不同，運(yùn)動(dòng)誘發(fā)腦敏感運(yùn)動(dòng)的時(shí)間和強(qiáng)度可能不同。在現(xiàn)實(shí)生活中，如何對(duì)不同人群進(jìn)行準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度刺激是一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題。

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