有氧運動改善甲基苯丙胺成癮者執行控制能力的腦機制研究

容浩 劉佳寧 劉旭東

摘????? 要：探究不同強度急性有氧運動對甲基苯丙胺類（methamphetamine，MA）成癮者前額皮層活性及其執行控制能力的影響，并明確能夠最大程度改善MA成癮者執行控制能力的短時有氧運動干預方式。通過行為測量和功能性近紅外光譜技術（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS），將MA成癮者分為兩組，分別接受30 min中等或高強度功率自行車運動干預，以探測干預前后MA成癮者在Stroop任務中的行為表現和前額皮層活動變化。結果顯示：（1）行為層面上不同強度急性有氧運動間無顯著差異，均顯著降低了Stroop效應的反應時;（2）神經層面上兩組被試者間存在差異，中等強度組被試者右側DLPFC的[HbO]顯著高于高強度組;而高強度組被試者左側DLPFC及右側VLPFC的[HbO]在運動干預后顯著增加。結論：30 min的中等、高強度有氧運動均能夠提高MA成癮者執行控制的任務表現，但高強度帶來了更多前額皮層的活性增強（包括左側DLPFC及右側VLPFC），推測高強度急性有氧運動更有利于成癮個體恢復執行控制能力。

關? 鍵? 詞：甲基苯丙胺成癮;急性有氧運動;執行控制;功能性近紅外光譜技術

中圖分類號：G804.2??? 文獻標志碼：A??? 文章編號：1006-7116（2019）03-0138-07

Abstract： In order the probe into the effect of different intensities of acute aerobic exercise on the prefrontal cortical activity and execution control ability of methamphetamine （MA） addicts， and to specify the way of short-term aerobic exercise intervention that can improve the execution control ability of MA addicts to the maximum extent， the authors， by means of behavior measurement and functional near-infrared spectroscopy （fNIRS）， divided MA addicts into two groups， which accepted 30min medium or high intensity cycle ergometer exercise intervention respectively， so as to detect the changing of behavior performance and prefrontal cortical activity of MA addicts during the Stroop task before and after intervention. The results showed the followings： （1） in terms of behavior， there was no significant difference between different intensities of acute aerobic exercise， both reduced the response time of the Stroop effect significantly; （2） in terms of nerve， there was a difference between the testees in the two groups， the [HbO] of the right DLPFC of the testees in the medium intensity group was significantly higher than that of the testees in the high intensity group; while the [HbO] of the left DLPFC and the right VLPFC of the testees in the high intensity group increased significantly after exercise intervention. Conclusions： 30min medium and high intensity aerobic exercise can improve the task performance of execution control of MA addicts， but high intensity aerobic exercise brought the activity enhancement of more prefrontal cortex （including the left DLPFC and the right VLPFC）. It was speculated that high intensity acute aerobic exercise is more conducive to MS addiction individuals recovering their execution control ability.

Key words： methamphetamine addiction;acute aerobic exercise;executive control;fNIRS

藥物成癮是一種表現為持續性渴求和強迫性覓藥行為的慢性復發性腦病[1]。眾多研究發現，執行控制缺陷在藥物成癮的發展和維持中起著關鍵作用[2]。執行控制是對任務活動的監控、調節并做出計劃的認知控制加工過程，其功能失調是成癮的核心特征之一[3]。大量影像學研究已證明，成癮人群的執行控制等功能存在異常，與長期使用成癮物質致使的前額皮層受損有關[4]。受損后的成癮個體無法正確做出計劃、決策，進行自我調整等[5]，難以控制強迫性的藥物尋求，即使戒斷后仍然容易出現復吸[6]。近年來有研究者提出，通過針對性地提高成癮個體的認知功能來治療藥物成癮[7]，有助于提高戒斷成功率。而有氧運動作為一種常見的康復治療手段，已經被眾多的研究證明能夠有效改善個體的執行控制功能[8]。有氧運動能夠通過促進腦區血管發生和血流量增加改善腦組織血液循環[9]，從而增強腦區活性、提高神經功能。因此，有氧運動也被認為是治療藥物成癮的一種潛在模式：有氧運動能夠通過恢復成癮個體腦區功能，改善其執行控制能力以減緩藥物成癮者對成癮物質的依賴，而其中前額皮層功能的恢復可能是關鍵。

目前對于有氧運動改善藥物成癮者執行控制的研究還比較少，先前研究內容普遍為成癮者渴求度、情緒等方面的變化[10]，而成癮藥物也多為尼古丁[11]、酒精[12]等，對甲基苯丙胺（Methamphetamine，MA）這類濫用最為廣泛的毒品研究還比較少。僅有的一些研究多采用電生理技術探究有氧運動對MA成癮者抑制能力的影響[13]，但該技術無法直接探測到前額皮層如何受到運動影響從而改變了激活情況。因此，本研究采用了功能性近紅外光譜技術（functional near-infrared spectroscopy，fNIRS），一種通過監測腦組織血氧信號的變化來反映局部腦區血氧動力學信號變化的非介入性腦成像技術[14]，其允許監測運動環境中的皮層血液動力學變化特點也為運動負荷對認知表現及腦激活模式影響方面的研究提供了現實條件。認知任務則選擇了經典的色-詞Stroop任務，該范式是考察執行控制能力的經典范式[15]，并且主要相關腦區為外側前額皮層（lateral prefrontal cortex，LPFC）和前扣帶回（anterior cingulate cortex，ACC）[16]。盡管fNIRS的測量范圍僅限于外側皮層表面，無法監測到ACC的激活情況，但已有研究采用該技術成功探測到與Stroop任務相關的LPFC激活[17]，而且也有研究觀察到色-詞Stroop任務并不總是涉及ACC的激活[18]。因此，本研究采用該任務來探測前額皮層在有氧運動對MA成癮者執行控制影響中的激活變化，并將fNIRS的探測區域全部布置在了外側前額皮層。

此外，不同強度有氧運動對執行控制的改善效果也存在著差異：有理論認為運動強度與執行控制呈倒U型曲線關系，采用中等強度的有氧運動會最大限度地提高執行功能;而驅動理論則認為，在高強度下將得到最大收益[19]。眾多實證研究也有發現中等或高強度的有氧運動均能提高個體執行控制功能[8]，但是對于MA成癮者的作用及兩種運動強度間是否存在效果差異還不清晰。因此，本研究擬從行為和腦機制兩方面的角度，驗證有氧運動能夠提高前額皮層活性，增強MA成癮者的執行控制能力;并在此基礎上，以期明確能夠最大程度改善MA成癮者執行控制能力的短時有氧運動方式。

1? 研究方法

1.1? 實驗對象

從浙江十里坪強制隔離戒毒所篩選了35名處于教育矯治期的男性MA成癮者參與本次實驗。篩選標準為：（1）年齡在20～40歲之間;（2）當前處于監禁狀態并經歷了3個月以上的強制戒斷康復;（3）根據DSM-IV依賴綜合診斷標準為MA依賴者，排除其他物質（如大麻、海洛因和可卡因等）共用依賴;（4）沒有身體殘疾或醫療問題而被阻止或禁止參加中、高強度有氧運動;（5）無精神病史和腦部創傷及酒精依賴等影響大腦結構或功能的疾病，近期未服用精神類藥物;（6）文化程度在小學及以上;（7）右利手;（8）非色盲。所有被試者均知曉實驗任務并簽署知情同意書，本實驗通過上海體育學院倫理委員會批準。將被試者隨機分為中等強度（18人）和高強度（17人）有氧運動干預組，采用獨立樣本t檢驗對兩組被試者的基本信息進行對比，結果顯示年齡、復吸次數、吸毒年限、體質量、身高、體質量指數（BMI）及受教育年限均無顯著性差異（P>0.05）。

1.2? 實驗任務

1）Stroop任務。

實驗刺激通過一臺與被試者觀察距離為80 cm的電腦屏幕呈現（分辨率為1920×1080像素，刷新率為60 Hz），呈現背景為黑色。在每個試次中，屏幕中央首先會呈現一個白色“+”注視點1 000 ms，之后隨機出現一個大小為7°×4°視角的實驗刺激1 000 ms，要求被試者根據實驗刺激的顏色盡量快速而正確地按鍵，記錄被試者在2 500 ms內的反應。每個試次間隔9 000 ms（實驗流程見圖1）。實驗開始前進行適當練習，以確保被試者能夠理解實驗任務。刺激材料包括“紅”“黃”“綠”3個字，分別呈現紅、黃、綠3種顏色，組成3個字色一致類型的刺激和6個字色不一致類型的刺激，其中字色一致的刺激重復呈現4次，字色不一致的刺激重復呈現2次，最終字色一致與字色不一致的刺激各12次，呈現比例為1∶1。

2）有氧運動干預方案。

中、高強度組完成30 min的功率自行車運動，其中核心運動25 min：中等強度組運動中心率需維持在最大心率的65%～75%，高強度組則維持在最大心率的75%～85%，最大心率通過（206.9-0.67×年齡）來界定[20]。有氧運動過程中，運動強度的調控主要通過調節功率自行車（型號SHUA_SH_5000U）阻力大小，及被試者自我控制運動頻率來完成。運動中通過SUUNTO Smart Sensor藍牙心率帶監控被試者心率變化。實驗開始前，被試者先進行5 min的熱身運動，當心率水平達到相應數值后再開始30 min的有氧運動。有氧運動結束后，被試者進行5 min左右的整理運動。

1.3? fNIRS數據測量

本研究采用美國NIRx公司研制的NIRScout臺式近紅外腦功能成像系統，以檢測被試者認知任務期間局部腦區的血氧動力學信號。使用8個發射器（波長為780 nm和830 nm）和7個探測器，一個發射器和一個探測器間的連線形成一個通道，共形成20個通道分布在前額葉。傳感器（包括發射器與探測器）根據10～20腦電圖系統進行排列，將D4、S4和S5分別與AFZ、FZ和FPZ重合，并進行一些調整以確保每個發射器離其相應的探測器3 cm（圖2a）。通過Okamoto等[23]和Tsuzuki等[22]研究最終確定了fNIRS通道位置與特定腦區之間的對應關系（圖2b），具體信息見表1。通過佩戴壓縮帽和調整傳感器與被試者頭皮接觸程度使每個通道信號的增益系數（Gain）低于7，以確保通道的信號保持較高質量，采樣頻率為7.81Hz。

a. fNIRS通道分布 圖中深色圓形代表探測器，白色圓形代表發射器，一個發射器和一個探測器之間的連線代表一個通道，數字表示通道序號。發射器和探測器位于國際10～20標準位置。 b. fnirs通道對應腦區分布 圖中數字表示1～20個通道。

1.4? 實驗流程

被試者首先完成Stroop任務的前測，時長約5 min。為了減少練習效應的干擾，被試者在一周之后完成了30 min的有氧運動干預，休息15 min之后被試者完成后測。在每個階段的測試中，被試者在靜息狀態下進行Stroop任務，并通過fNIRS監測Stroop任務過程中的大腦活動情況。

1.5? 數據處理

1）行為學數據。

為了考察急性有氧運動對行為表現的影響，接下來對Stroop任務的干擾效應（簡稱Stroop效應）進行分析。Stroop效應是指當被試者被要求去確定一個顏色單詞的顏色時，會受到字色不一致的干擾，對比一致情況時出現反應時更長的現象，通常通過計算不一致刺激與一致刺激的行為學數據差值來表示Stroop效應[23]。反應時數據僅統計反應正確的試次，且為了盡量減少極端值的影響，反應時小于150 ms或大于1 500 ms的試次也被剔除。此外，平均值±3個標準差范圍以外的數據也被刪除，沒有進入后續的統計分析。借助SPSS 20.0軟件，首先分別對所有一致或不一致條件下的正確率與反應時（截尾平均數）使用配對樣本t檢驗進行比較，以期發現Stroop效應;隨后，再對Stroop效應的數值進行了運動強度（中等強度與高強度）和前后測的重復測量方差分析。若出現交互作用則采用Bonferroni方法進行簡單效應分析，顯著性水平設為P<0.05，行為數據的變異程度用標準誤報告。

2）fNIRS數據。

fNIRS數據借助NIRScout系統，通過Beer-Lambert定律[24]對采集的光學數據進行解算，這是一種分光光度法的基本定律，是描述物質對某一波長光吸收的強弱與吸光物質的濃度及其液層厚度間的關系，最終得到含氧血紅蛋白濃度（[HbO]）、脫氧血紅蛋白濃度（[Hb]）和總血紅蛋白濃度的變化量3組數據。由于含氧血紅蛋白信號對任務的刺激更加敏感，相對脫氧血紅蛋白和總血紅蛋白而言有較高的信噪比[25]，因此在當前研究中只利用了[HbO]數據。

對20個通道的原始信號預處理則是通過基于Matlab（Mathworks，Natick，MA，United States）環境下的Homer工具箱（MGH-Martinos Center for Biomedical Imaging，Boston，MA，United States）進行的。為了消除頭動等帶來的影響，使用Spline interpolation方法對有運動偽跡的試次進行矯正[26];接著，頻率大于0.7 Hz和頻率小于0.04 Hz的成分被濾除，以消除高頻生理信號和低頻基線漂移的影響。隨后平均各任務條件下所有試次的[HbO]數值，得到了各任務條件下每個通道在單位時間內（刺激呈現前1 s至刺激呈現后9 s）每個采樣點的[HbO]均值。根據預處理的時間序列數據結果，對各任務水平均進行了以下處理：刺激呈現后4～8 s內所有采樣點數據進行了平均并記為峰值，刺激呈現前0～1 s內所有采樣點的數據進行了平均并記為基線，后用峰值減去基線，最終獲得各任務條件下各通道的[HbO]數據。根據各通道在前額葉皮層對應位置（見表1），共劃分出7個感興趣區（region of interesting，ROI）：左側VLPFC（包括通道1、3、4），右側VLPFC（包括通道18、19、20），左側DLPFC（包括通道2、5、7、8），右側DLPFC（包括通道9、10、14、15、17）、FPA（包括通道6、12、16）以及OFC（包括通道11、13）。然后將ROIs所包含的一個或多個通道的[HbO]數據進行平均，該均值即為該ROI的血氧信號。同行為學數據，fNIRS數據的Stroop效應用不一致條件與一致條件的[HbO]數據差值來表示。隨后借助SPSS 20.0軟件，對Stroop效應的[HbO]數據進行了運動強度和前后測的重復測量方差分析。若出現了交互作用則采用Bonferroni方法進行簡單效應分析，顯著性水平設為P<0.05，[HbO]數據的變異程度用標準誤報告。

2? 結果與分析

2.1? 行為學結果

首先對實驗任務是否有效誘發出Stroop效應進行驗證。對所有被試者在前、后測時的一致與不一致條件下的反應時、正確率數據分別進行配對樣本t檢驗，結果顯示：不一致條件下的反應時顯著長于一致條件（不一致條件：（936.93±21.49） ms;一致條件：（832.27±19.47） ms;t=-8.83，df=69，P=0.00）;不一致條件下的正確率顯著低于一致條件（不一致條件：（0.95±0.012）;一致條件：（0.98±0.0052）;t=2.50，df=69，P=0.015）。結果表明該任務誘發了顯著的Stroop效應，被試者對刺激顏色的判斷反應受到了刺激字義的干擾，出現了反應時增長。

接著分別對Stroop效應的反應時及正確率進行運動強度和前后測的重復測量方差分析。反應時結果顯示（如圖3）：前后測主效應顯著（F（1，33）=20.19，P=0.00），兩組被試者后測時的Stroop效應量顯著小于前測（前測（149.67±16.68） ms;后測（59.66±13.12） ms）;運動強度主效應和交互效應則未達到顯著性水平（P>0.05）。此外，正確率方面主效應和交互效應均不顯著（P>0.05）。上述結果表明不同強度急性有氧運動均促進了MA成癮者Stroop任務的行為表現，強度間無顯著差異，且反應時比正確率能更有效地反映Stroop效應的變化。

2.2? fNIRS結果

分別對各ROI的Stroop效應的[HbO]數據進行運動強度和前后測的重復測量方差分析。結果顯示：在右側DLPFC，運動強度主效應顯著（F（1，33）=4.23，P=0.048），中等強度組的[HbO]顯著高于高強度組（見圖4a）。此外，在右側VLPFC及左側DLPFC發現了運動強度與前后測的交互效應顯著（右側VLPFC：F（1，33）=5.07，P=0.031;左側DLPFC：F（1，33）=6.42，P=0.016）。簡單效應分析發現（見圖4b、4c）：相較于前測，后測時高強度組左側DLPFC的[HbO]顯著增加（F（1，33）=4.90，P=0.034），右側VLPFC的[HbO]則有顯著增加的趨勢（F（1，33）=3.02，P=0.092）;而中等強度組前測時左側DLPFC的[HbO]顯著高于高強度組（F（1，33）=5.98，P=0.020），但后測時兩組并無顯著性差異。此外，后測時中等強度組右側VLPFC的[HbO]也有顯著低于高強度組的趨勢（F（1，33）=2.99，P=0.093）。上述結果表明在Stroop任務中，不同強度急性有氧運動帶來了不同前額皮層的[HbO]變化。中等強度主要增強右側DLPFC的活性，而高強度則主要增強左側DLPFC和右側VLPFC的活性。

3? 討論

本研究旨在通過行為實驗和神經影像學方法來驗證有氧運動能夠提高前額皮層活性，增強MA成癮者的執行控制能力。實驗借助Stroop效應的行為數據和血氧信號來反映成癮者執行控制功能及前額皮層活性的前后變化，并對中等和高強度組進行了對比，以期明確能夠最大程度改善MA成癮者執行控制能力的短時有氧運動方式。

行為學結果顯示：被試者對一致條件的反應時顯著短于不一致條件，正確率也更高，并且這種差異出現在組別和前后測的各個水平。因此，可以通過反應時在各變量水平上的差異來評價不同強度有氧運動對MA成癮者執行控制功能的影響。其中，反應時的Stroop效應量越小，說明不一致條件的干擾越小，相應的執行控制功能也更好。對反應時的Stroop效應量進行運動強度和前后測的重復測量方差分析后發現，中等和高強度組后測的Stroop效應量均顯著低于前測，說明30 min的中等和高強度有氧運動均可以提高MA成癮者的執行控制，并且兩種不同強度有氧運動的影響效果并無顯著差異。此外，正確率在各變量水平上變化不顯著，這一結果可能是因為正確率的變化不如反應時那么敏感。

其次，fNIRS結果發現了急性有氧運動對被試者在Stroop任務過程中的HbO信號產生了顯著影響。首先研究發現了強度間的顯著差異，中等強度相較于高強度更多地增加了右側DLPFC區域的[HbO]。另外，研究還發現了前后測與組別間的交互效應：相較于中等強度，高強度更多地增加了后測時左側DLPFC和右側VLPFC的[HbO];而中等強度組則在左側DLPFC和右側VLPFC區域出現了較之前測，后測時該區域的[HbO]下降現象。上述結果表明，不同強度急性有氧運動對被試者完成Stroop任務時的前額皮層活性有著不同程度的增強，而前額皮層活性增強與Stroop任務過程中行為表現提高同步出現，也為急性有氧運動有效提高成癮者執行控制功能提供了神經層面的證據。

此外，研究也發現了不同強度有氧運動對被試者完成Stroop任務時的腦區活動模式有著顯著差別：中等強度的激活偏向于背外側前額皮層的右背側，而高強度則集中于外側前額皮層的左背側及右腹側。根據前人研究，右側DLPFC與維持注意、調整行為以解決沖突干擾有關[27]。中等強度組被試者右側DLPFC活性較強表明被試在任務過程中意在減少注意力沖突，分開任務相關信息與無關信息，將注意焦點置于刺激的顏色而非單詞[28]，從而降低抑制優勢反應（判斷字義）的需求;右側VLPFC激活較低的現象也證明了該點。有研究認為腹側額葉加工的抑制表明被試者減少了對視覺言語信息的加工，與任務無關的語義編碼被抑制了[29];而左側DLPFC出現活性降低，推測可能有兩個原因：一是右側DLPFC區域的[HbO]上升后的代償反應;另一個可以用Dietrich的“額葉瞬間激活降低假說”解釋——有氧運動過程中或者之后一段時間內的大腦某特定區域會存在瞬時抑制現象[30]。

而高強度組被試者與中等組表現相反，干預前后出現了左側DLPFC及右側VLPFC活性顯著上升的現象。左側DLPFC的激活上升表明被試者提高了對Stroop任務中即將可能出現的不一致沖突干擾的預知，從而開始注意力的集中[31]。此外，已有大量研究發現右側VLPFC是動作控制的關鍵腦區[32]，并且與維持刺激的特征信息（如顏色等）有關[33];并且能夠將注意力重新轉移到當前注意焦點之外的事物上[34]。該區域活性增強則代表被試者的抑制功能及對亞目標控制的增強[29]，表明被試者在Stroop任務中能夠控制對刺激語義進行自動化反應，抑制對其進行加工判斷，而將注意資源重新轉移到刺激的顏色上來。

綜合行為與fNIRS結果發現，兩種強度干預方式均對MA成癮者產生了顯著影響。在行為表現上，均有效提升了MA成癮者的執行控制能力。但兩者在神經層面上有著差異：中等強度傾向于增強右背外側前額皮層的活動，而高強度則帶來了更強的腦區活動，主要集中于左背外側及右腹外側前額皮層。研究推測：接受中等強度干預的被試者可能在Stroop任務中偏向于策略控制加工[15]，選擇將更多的注意力集中于任務相關的刺激顏色上，忽略對刺激語義的加工以減少字色不一致情況的干擾;而接受高強度干預的被試者在任務中則偏向于反應抑制加工[35]，更多地是去提前預知沖突并集中注意力，主動抑制對刺激語義的加工，最終將注意力轉移到任務相關的刺激顏色上。

本研究驗證了30 min的中等、高強度有氧運動能夠提高前額皮層活性，增強MA成癮者的執行控制能力。并且神經層面上，高強度帶來了更多前額皮層的活性增強：高強度更多地增強了左側DLPFC及右側VLPFC的神經激活水平，而中等強度的效應則集中于右側DLPFC。推測高強度的急性有氧運動可能會引起更多的前額腦區活動，更有利于成癮個體恢復執行控制能力，降低戒斷后的復吸率。

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