有氧運動和抗阻運動是否通過獨特的機制影響情景記憶

宋彥霖，白榮雁，馬繼政

1 引言

有氧運動和抗阻運動都可有效改善身體健康狀況，包括降低癌癥和心血管疾病的發病率并與全因死亡率密切相關[1]。但這兩種運動方式可能對健康起著截然不同的作用。部分研究表明這兩種運動方式與健康獨立相關，但也有證據表明這些運動方式對健康有潛在的協同效應[1]。基于此，大量體育工作者對不同運動形式對認知功能的影響進行了深入研究，涉及記憶功能在內的多個關鍵參數[2]。情景性記憶，往往在空間或時間背景中進行[3]，屬于記憶功能中前瞻性記憶與回顧性記憶中的后者，包括對過去事件或情節的回憶。本文簡要討論了急性、慢性有氧運動和/或抗阻運動對情景記憶的獨立或聯合作用的研究進展，并在此基礎之上討論其潛在機制。

2 急性運動對記憶的影響

Labban等人[4]評估了30分鐘快速中等強度有氧運動對青年人記憶性能的影響。研究表明，在記憶編碼之前進行有氧運動可以有效提高長期記憶的表現。Etnier等人[5]評估了青年人有氧運動對記憶功能的強度特異性影響。結果表明，與進行低于通氣閾值的急性運動相比，在記憶編碼前進行急性極量運動能更加高效地改善24小時識別記憶和源記憶。此外，Etnier等人[6]的研究證實青年人在記憶編碼之前進行30分鐘中等強度有氧運動能夠有效增強長期記憶。

除了急性有氧運動，部分研究表明急性抗阻運動也可能影響記憶。Loprinzietal[7]的研究結果表明，15分鐘的抗阻訓練在增強情景記憶方面是有效的，主要表現在時空情景記憶任務中的空間信息提取上。

3 長期運動對記憶的影響

Iuliano等人[8]對80名中老年人進行了一項為期12周的隨機對照研究，所有運動干預組的預后主觀記憶不良問題均較少，客觀測量的記憶不良表現無明顯變化。但是，記憶障礙的減少可能是由于運動引起的情緒、自信心和自我效能感的改善。因此，長期的運動訓練干預研究結果有待商榷。此外，在老年人群受試者中，Best等人[9]發現52周的抗阻訓練能有效地增強列表學習范式中的情景記憶。這與Jonasson等人[10]的研究結果一致，但他們發現有氧運動組相較于抗阻運動組，認知能力改善程度有所提高。

總的來說，急性和長期有氧運動可以改善不同年齡個體的情景記憶功能。但兩種運動方式的結合是否會對記憶產生疊加效應仍未可知。但如果有所改善，這將表明兩種鍛煉方式可以通過相同的或獨特的機制來影響記憶。

4 組合訓練對記憶的影響

Komulainen等人[11]的研究發現，相較于有氧訓練，組合訓練可有效改善老年人的最大攝氧量與即時情景記憶功能。相較于抗阻訓練組，組合訓練組的最大攝氧量的提高和情景記憶的關聯可能是由于參與者進行了有氧運動。因此，在抗阻訓練組進行有氧運動可能推動心肺功能改善和記憶功能的關聯。盡管干預組心肺功能的改善與更好的記憶表現相關，但研究組之間的記憶變化沒有統計學上的差異。

Aquino等人[12]在慢性阻塞性肺疾病患者中進行了一項隨機對照試驗，患者被隨機分為高強度有氧運動訓練組和組合訓練組。結果表明，兩組的長期記憶均有顯著改善，但組合訓練組的變化幅度更大。

Bossers等人[13]在老年癡呆癥患者中進行了為期9周的隨機對照試驗。結果顯示，組合訓練組的視覺記憶和言語記憶均有改善。將組合訓練運動組與單純有氧運動組進行比較，組合訓練運動組在記憶功能方面有稍大的改善。

5 運動方式對記憶的作用機制

與單獨的運動方式相比，在時間進度相同的情況下，進行有氧運動和抗阻運動相結合的運動訓練方案似乎有更好的改善效果[12]。有證據表明，對于相同類型的運動，在改變運動方式后可能在特定的大腦區域中具有獨特的神經適應機制[14]。因此，這種疊加效應可能是這些運動行為激活兩種相似或獨特的適應機制的結果。有氧運動和抗阻運動都被證明有利于腦血流[15]和神經發生[16]，從而促進情景記憶功能改善。急性運動可引起腦血流的短暫增加，而長期運動可增加毛細血管形成并誘導神經發生。此外，在細胞和分子水平的機制上對于這些運動模式如何影響記憶提供了一些方向。在這些不同的機制中，神經電位和神經元間通訊方式的改變起到了關鍵作用。

有氧運動和抗阻運動模型可能對海馬記憶功能有所改善。有氧運動可能會增加腦源性神經營養因子前體分子(pro Brain derived neurotrophic factor,proBDNF)和海馬腦源性神經營養因子(Brain derived neurotrophic factor,BDNF)的產生，除了谷氨酸能蛋白(N-Methyl-D-aspartate receptor,NMDA)的上調外，還可能增強環磷腺苷效應元件結合蛋白(cAMP-response element binding protein,CREB)的磷酸化。抗阻運動除了增加胰島素樣生長因子-1(Insulin-like growth factor-1,IGF-1)的產生外，還有助于減少白細胞介素-6(Interleukin- 6,IL-6)。因此，可以推測IL-6抑制NMDA活性。此外，除了蛋白激酶Cα(Protein kinase C alpha,PKCα)之外，抗阻訓練還可以增加神經營養生長因子受體(Neurotrophic growth factor receptor,TrkB)的上調。最終，這些途徑的激活導致基因表達和蛋白質產生，這對記憶具有重要意義(見表1)。而其中一些蛋白質是外周產生的，比如有部分蛋白來自骨骼肌，并且可能穿過血腦屏障發揮作用。

5.1 神經電參數

Ozkaya等人[17]評估了有氧運動和抗阻運動對影響記憶功能的神經電相關性。兩種干預都改善了不同事件的相關電位參數，例如大腦對刺激的電生理反應。但抗阻訓練組在P2-N2時產生了更短的潛伏期，在N1-P2、P2-N2和N2- P3時產生了更大的振幅。這些發現表明，抗阻訓練對注意力的分配可能會產生一定的變化，這可能有助于優化信息處理和內存編碼[18]。有氧運動和抗阻運動都可以改善與記憶功能潛在參數；然而，與有氧運動相比，抗阻運動引起的變化潛伏期短，各種事件相關電位的振幅更大。

5.2 長期增強作用及相關參數

記憶的重要潛在細胞機制是長期增強(Long-term Potentiation,LTP)[19]或持續的興奮性突觸后增強。換句話說，LTP的持續增強是由高頻突觸前活動引起的突觸連接。情景記憶被認為是神經元的時空模式存儲[20]，并且這些神經元之間的交流程度越高，存儲和檢索記憶的能力就越增強[21]。

各種蛋白(如BDNF、CREB、IGF-1、β-CaMKII、PSD-95、PKCα、IL6)和受體(如NMDA、TrkB)在影響LTP中起關鍵作用。有關這些蛋白和受體如何影響記憶的描述見表1。

表1 關鍵蛋白和受體在影響長時程增強中的作用

AMPA：α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸；β-CaMKII：鈣/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶II型亞基β；BDNF：腦源性神經營養因子； CREB：cAMP反應元件結合蛋白； E-LTP：早期長期增強；IGF-1：胰島素樣生長因子-1；L-LTP：后期長期增強；MAPK：有絲分裂原激活的蛋白激酶；NMDA：N-甲基-D-天冬氨酸；PI3K：磷酸肌醇3-激酶；PKC：蛋白激酶C；PLCy：磷脂酶C(Y結構域)；PSD-95：突觸后密度蛋白95；TrkB：Tropomyosin受體激酶B。

由于細胞因子的神經突觸特性，能夠進而影響LTP。例如，在Ⅱ型糖尿病患者中，進行12周的抗阻運動而不進行有氧運動，IL-6水平有所降低，但運動方式間IL-6差異無統計學意義[30]。其他蛋白也在維持LTP中發揮重要作用，可能是通過改變關鍵膜受體和激活影響晚期LTP的下游細胞通路，如CREB、cAMP反應元件結合蛋白。IGF-1可能在循環中通過血腦屏障，從而在中樞介導抗阻運動對記憶功能的作用。相對于有氧運動而言，抗阻運動可能對外周IGF -1的產生有更大的影響，而有氧運動可能對BDNF的產生有更大的影響。無論是有氧運動還是抗阻運動都顯示BDNF表達增加[31]。

Cassilhasetal等人[32]對大鼠進行8周有氧跑臺訓練(30分鐘/天)或抗阻運動(爬梯20-30分鐘)。兩種訓練模式都以類似的方式改善了學習和空間記憶。同樣，兩種訓練方式均能增加突觸素1和突觸素(神經遞質釋放和囊泡融合的必需蛋白)的表達。基于鍛煉方式存在不同的分子信號傳導，有氧運動使海馬IGF-1、BDNF、TrkB 、β-CaMKII水平升高，而抗阻訓練則使外周和海馬IGF-1水平升高，同時使海馬IGF-1受體和Akt激活[32]。也就是說，8周的有氧或抗阻運動既增強了空間記憶能力，也增加了CREB和BDNF的表達。此外，有氧運動增加谷氨酸能蛋白(NMDA受體和PSD-95)，減少DNA脫氧核糖核酸損傷，而抗阻訓練增加PKCα水平。Lee等人[33]的實驗表明，在有阻力和無阻力的情況下進行4周的轉輪運動都可以改善空間學習和記憶力并上調BDNF的表達。然而，與無阻力的輪轉不同，有阻力的輪轉也增加了TrkB和CREB蛋白水平。后面的發現與唐量等人的研究結果一致,唐量等人[34]發現，6周有氧跑臺運動或負重爬梯運動改善了學習記憶能力，但進行爬梯訓練的動物TrkB和CREB水平較高。總的來說，這些研究表明，訓練期間的能量消耗程度可能對運動性記憶的分子機制產生獨特的影響。

所進行的動物研究揭示了類似結果，即改善學習和記憶能力，但可能是通過激活不同的途徑來誘導這些結果。這些不同通路的激活也可能具有不同的認知效應，如Akt對血管生成、神經發生和神經細胞存活至關重要，而β-Ca MKII可能是NMDA調節和記憶鞏固所必需的[32]。

5.3 其他潛在的機制

其他潛在機制包括神經元振蕩和氧化參數的改變。改善大腦振蕩能夠促進信息神經電路的編碼，存儲和檢索[35]。研究表明，重復的5-10Hz(θ頻率)的重復脈沖是誘導海馬LTP的最佳方法[36]。然而，急性有氧運動和抗阻運動在多大程度上引起類似的或不同的神經元振蕩效應還需要進一步研究。值得注意的是，有實驗表明，跑臺以及爬梯運動都能誘發節律性的慢神經元活動(例如，θ波)[37]。

關于氧化參數，Feter等人[38]發現中等強度有氧和抗阻運動均能改善記憶能力，與對照組相比，兩組海馬中亞硝酸鹽含量均降低。然而，有氧運動通過增加海馬催化酶的活性來提供海馬的抗氧化保護，而抗阻運動則增加了反應性氧的種類，這在IGF-1信號通路中起著重要的作用[39]。

6 結論

急性和慢性有氧和/或抗阻運動以及兩者結合的組合訓練可以潛在地改善記憶功能。同樣，由于有氧運動和抗阻運動的共同作用，運動對記憶功能的影響可能是由于一種累積效應激活了與運動方式相似或獨特的機制。這種累積效應在一定程度上可能是由抗阻訓練有關的神經適應所引起的。神經適應是由LTP加強的因素介導的，從而增強情景記憶。BDNF、CREB、PKCα和NMDA受體等蛋白的增加，或炎癥標志物IL-6的減少，可在早期和晚期影響LTP。研究結果清楚地表明，運動能夠引發記憶增強的分子機制。未來的研究可以評估這些發現在不同程度的抗阻訓練時是否成立。例如，利用比體重低的外負荷和利用比體重高的外負荷時，由于神經營養和激素變化可能會影響這些運動誘導通路的激活，并由此產生不同的認知效應。此外，使用變化的外負荷可能會影響外周或海馬BDNF的基因表達，可能會減少運動對記憶功能的影響。綜上，我們認為有氧運動和抗阻運動通過激活類似和獨特的機制途徑來改善記憶功能。應繼續探索這一新的研究路線，這可能有助于開發可應用于神經和記憶相關疾病的運動干預方案。