中等強度運動對健康女青年智力的影響
——一項基于近紅外光譜的研究

劉俊明,方蕊,楊偉偉,曹可心,趙雨楠,王林平,康靖,黃富表

智力是指認(rèn)識和理解客觀世界,并利用已有知識和內(nèi)隱知識解決問題,改變世界的能力[1]。研究表明高智商人群具有在多種思維模式之間切換的能力,能快速地調(diào)用與當(dāng)前任務(wù)緊密相關(guān)的腦區(qū),這表明智力與大腦網(wǎng)絡(luò)存在動態(tài)的相互作用[2-3]。既往研究利用數(shù)據(jù)集探討了靜息狀態(tài)下大腦網(wǎng)絡(luò)重塑與Wechsler成人智能量表評分之間的關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn),豐富的刺激可能會調(diào)整大腦的功能成熟度[4]。而運動之所以成為重要因素,可能是由于其可以啟動大腦神經(jīng)的可塑性。學(xué)者們的大量研究證實運動對兒童和青少年、老年和智力障礙者改善大腦相關(guān)認(rèn)知皮層功能具有積極影響[5-6]。研究人群聚焦在老人兒童和智力障礙者偏多,健康成年人的相關(guān)研究較少。本研究為了去除性別因素的干擾,擬探討運動對健康女青年的智力水平的影響,尋找運動與智力的關(guān)系及其大腦機制。

功能性近紅外光譜技術(shù)(functional near infrared spectroscopy, fNIRS)是一種非侵入性,安全,便攜的大腦活動監(jiān)測系統(tǒng),與其他影像學(xué)技術(shù)相比,其存在空間分辨率較低等問題,但它對運動偽影處理能力更強,能提供更好的時間分辨率[7-9]。因此,本研究采用fNIRS作為衡量標(biāo)準(zhǔn)進行腦功能網(wǎng)絡(luò)的機制研究。

1 資料與方法

1.1 一般資料 選取2021年6月～2022年12月在中國康復(fù)研究中心實習(xí)和進修的20～25歲健康女治療師60例為被試者。按照體育活動等級量表(physical activity rating scale, PARS-3)進行分組[10]。本研究選擇時間為研究進行前12個月。運動強度和頻次按照從少到多分為1～5分,運動時間從短到長分為0～4分。最終得分(運動強度×運動時間×運動頻次=100分),劃分為3個級別:0～19分為小運動量,20～42分為中等運動量,43～100分為大運動量。中等運動量(PARS-3評分20～42分)為運動組,小運動量(PARS-3評分0～19分)為久坐組,每組30例。入組標(biāo)準(zhǔn):20～25歲健康女青年,視力或矯正敏銳度高于1.0,沒有色盲;根據(jù)運動問卷調(diào)查,此前12個月的運動強度符合要求;愛丁堡利手篩查被用作篩查工具為右利手,即得分>40(右撇子);參與者以前無心血管、肺、腎、神經(jīng)、精神或其他嚴(yán)重疾病的病史,并且在開始之前沒有食用含咖啡因的食物或飲料;參與者在以前均未進行手眼協(xié)調(diào)等系統(tǒng)性任務(wù)訓(xùn)練或手游訓(xùn)練;本科及以上學(xué)歷。排除標(biāo)準(zhǔn):無法理解或配合研究者;近1個月服用抗精神病藥物者;臨床醫(yī)師根據(jù)受試者實際情況認(rèn)為不適合接受方案治療者。退出和終止標(biāo)準(zhǔn):已經(jīng)入組的受試者并發(fā)嚴(yán)重軀體和精神疾病;臨床醫(yī)師根據(jù)受試者實際情況認(rèn)為不適合接受方案治療者,有權(quán)隨時終止或退出試驗;主動要求退出者。本研究經(jīng)中國康復(fù)中心倫理審查委會審查通過(2022-152-1)。2組受試者均簽署知情同意書且完成研究,年齡、靜息心率、血氧指數(shù)和受教育年限方面無統(tǒng)計學(xué)差異。見表1。

表1 2組一般情況比較

1.2 方法 2組受試者均采用中國韋氏智力量表評價受試者的行為學(xué)表現(xiàn);執(zhí)行持續(xù)操作性測試(X-continuous performance test, X-CPT)時,于大腦前額葉進行fNIRS測試。

1.2.1 中國修訂韋氏成人智力量表(Wechsler adult intelligence scale-revised in China, WAIS-RC) 韋克斯勒1955年編制韋氏成人智力量表[11],而中國修訂韋氏成人智力量表則由龔耀先等人修訂[12]。由同一研究者利用韋氏智力測量箱對所有受試進行韋氏成人智力量表評估。其內(nèi)容分為言語測驗部分和操作測驗部分。計算智商時,首先將分測驗的原始分轉(zhuǎn)為量表分,查詢對應(yīng)的言語智商、操作智商和總智商。

1.2.2 功能性近紅外光譜技術(shù)

1.2.2.1 激活任務(wù) 本研究使用X-CPT為激活任務(wù)[13]。受試者舒適地坐在椅子上,下頜放置在托架上以避免頭部晃動,眼睛與桌子上筆記本的屏幕保持約70cm的水平距離。任務(wù)期間,屏幕上以隨機順序出現(xiàn)數(shù)字1～9,其中單個數(shù)字的呈現(xiàn)時間為1000ms,兩個相鄰數(shù)字之間的時間間隔為1500ms,間隔期間屏幕上呈現(xiàn)黑色空屏。要求受試者在屏幕出現(xiàn)數(shù)字7時盡快按下“空格鍵”做出反應(yīng),在出現(xiàn)7以外的其他數(shù)字時抑制反應(yīng)。利用數(shù)字閃現(xiàn)測試系統(tǒng)記錄受試者執(zhí)行任務(wù)期間的正確率、命中率、平均反應(yīng)時間等相關(guān)成績。

1.2.2.2 數(shù)據(jù)采集 利用功能性近紅外光譜技術(shù)監(jiān)測受試者執(zhí)行數(shù)字閃現(xiàn)任務(wù)期間的局部腦皮質(zhì)激活情況。試驗采用事件相關(guān)設(shè)計。X-CPT時間為5min,任務(wù)前后有30s休息期以確定基線,總用時6min。在休息期間要求受試者閉上雙眼,大腦停止思考。我們使用研究型近紅外腦功能成像系統(tǒng)Light-NIRS,具有三種波長的近紅外光,分別為780、805和830nm。采樣率為13.33Hz。根據(jù)國際10-20參考系統(tǒng),使光極覆蓋大腦前額葉皮質(zhì)。將光極以2×8排布在光纖帽,由8個發(fā)射極、8個接收極組成,共22個通道;發(fā)射極和接收極間距為3cm,探測深度約為頭皮下2～2.5cm。根據(jù)修正的比爾-朗伯定律[14],可將原始光強數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為氧合血紅蛋白(oxy-Hb)、脫氧血紅蛋白(deoxy-Hb)和總血紅蛋白(total-Hb)的相對濃度變化。在統(tǒng)計分析時,我們關(guān)注oxy-Hb信號變化,因為oxy-Hb信號對腦血流變化更加敏感,且有更高的信噪比和重測信度。

1.2.2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理 我們使用島津數(shù)據(jù)分析軟件對fNIRS數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和分析。使用0.1Hz的低通濾波去除呼吸、心跳等高頻噪聲的干擾。將平滑點數(shù)設(shè)置為5,使用Savitzky-Golay法對數(shù)據(jù)進行1次平滑處理。取任務(wù)開始前15s范圍內(nèi)血氧信號變化強度的平均值,進行基線校正。提取血流動力學(xué)數(shù)據(jù)進行計算之前,存在明顯運動偽跡和信號質(zhì)量較差的通道被舍棄。將位于大腦縱裂的通道4和19排除在分析之外,我們分別計算左側(cè)和右側(cè)前額葉皮質(zhì)感興趣區(qū)域(region of interest,ROI)內(nèi)兩側(cè)所含通道血紅蛋白平均值的積分值和重心值,并進行平均。左、右側(cè)ROI分別由通道5、6、7、12、13、14、15、20、21、22和通道1、2、3、8、9、10、11、16、17、18組成。重心值(centroid value)為整個測試期間內(nèi)(包括前后休息期),fNIRS信號曲線下面積達到變化區(qū)域總面積50%的時間,較小的值意味著腦區(qū)與任務(wù)相關(guān)的反應(yīng)更迅速。積分值描述了300s執(zhí)行任務(wù)期間信號變化的總和,更高的值意味著腦區(qū)與任務(wù)相關(guān)的激活的強度更大[14]。

2 結(jié)果

2.1 韋氏成人智力 2組韋氏智力成績比較,運動組的木塊、圖片拼湊、言語智商、操作智商以及總智商均高于久坐組(P<0.05),其他各項評分差異無統(tǒng)計學(xué)意義。見表2。

表2 2組韋氏智力成績比較 分,

2.2 任務(wù)態(tài)持續(xù)操作性測試 對2組受試的任務(wù)執(zhí)行時反應(yīng)的正確率,反應(yīng)命中率,反應(yīng)時間進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),3個分項目測驗成績均差異無統(tǒng)計學(xué)意義。見表3。

表3 2組CPT成績

2.3 任務(wù)態(tài)下各組的fNIRS數(shù)據(jù) 對2組間的重心值和積分值進行統(tǒng)計學(xué)分析后發(fā)現(xiàn),僅有久坐組左半球的重心值高于運動組(P<0.05),2組其他部位的比較差異無統(tǒng)計學(xué)意義。見表4。

表4 2組fNIRS比較

3 討論

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)長期中等程度運動對健康女青年智力有益,尤其是執(zhí)行操作智商的提高具有一定程度的積極作用。在韋氏成人智力的操作任務(wù)中,2組間的總智商、言語智商以及操作智商均存在統(tǒng)計學(xué)差異,且操作智商具有顯著效應(yīng);這可能是因為運動過程中多感官協(xié)同工作,需要大腦高度集中完成特定的任務(wù),進一步促進個體智力水平的提升。這與既往的國內(nèi)外研究達成了一致,Ludyga等[15]通過對青少年維持8周的每天20min有氧運動干預(yù),以stroop測驗作為任務(wù)態(tài)測驗,發(fā)現(xiàn)受試的執(zhí)行操作功能有明顯的提升。2015年的一項研究[16],對干預(yù)組進行維持52周的每周2次中高強度的運動干預(yù)后發(fā)現(xiàn),受試的操作能力、抑制控制能力明顯提升。運動對于操作智商的提高可能是由于腦網(wǎng)絡(luò)連接或激活水平在運動過程中呈現(xiàn)不斷地增強,個體的肌骨系統(tǒng)接受的指令不斷完善,從而進一步促進操作智商的改善。Williams等[17]對187名老年人進行了運動組與對照組反應(yīng)時長、數(shù)字廣度、肌肉力量的比較研究,在運動組內(nèi),三者的改善是同時發(fā)生的,這與本研究結(jié)果類似:在反應(yīng)時長方面,運動組明顯優(yōu)于久坐組,說明中等強度的運動可增強被試者在時間壓力下執(zhí)行反應(yīng)的能力。Singh等[18]觀察了運動對10308名國家公務(wù)員認(rèn)知功能的影響,發(fā)現(xiàn)缺乏體育運動是引起認(rèn)知功能低下,尤其是智力水平低下的危險因素。總體來說,長期的運動可以改善個體的智力水平,對于反應(yīng)能力的提高具有積極作用。

影像學(xué)結(jié)果發(fā)現(xiàn)長期中等強度運動可以增加健康女青年大腦前額葉oxy-Hb的濃度。本研究將任務(wù)態(tài)fNIRS作為衡量標(biāo)準(zhǔn)進行大腦功能的分析。神經(jīng)與血管匹配的機制為大腦通過新陳代謝為神經(jīng)元活動提供氧,而氧的消耗刺激血管舒張,促使毛細血管血流量增加,導(dǎo)致局部腦血流和腦血容的增加,從而進一步促進腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子水平的提高[19-20]。因此,通過特定大腦區(qū)域的oxy-Hb和deoxy-Hb的變化,來反映神經(jīng)元的活動也成為了研究大腦功能網(wǎng)絡(luò)的重要方法,fNIRS正是在此理論基礎(chǔ)的支持下進行大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的探索[21]。相對于fMRI來說,fNIRS對時間的敏感性較好,能夠較好地觀察到靜息態(tài)和任務(wù)態(tài)大腦結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的變化[22-23]。在本研究中,觀察存在較多差異通道的血流動力學(xué)響應(yīng)函數(shù)(hemodynamic response function,HRF)曲線可知運動組大腦內(nèi)oxy-Hb濃度水平相對高于久坐組,且任務(wù)期間內(nèi)oxy-Hb濃度的峰值也高于久坐組。2組間的oxy-Hb濃度僅在個別的時刻點和通道內(nèi)存在顯著性差異;從數(shù)據(jù)分析,2組間左側(cè)額葉的重心值也具有統(tǒng)計學(xué)差異,這也意味著大腦相關(guān)腦區(qū)與任務(wù)態(tài)相關(guān)的反應(yīng)更加迅速。根據(jù)通道投射在大腦皮層位置可知,運動組左側(cè)前額葉背外側(cè)激活水平相對較高。這也表明運動可以通過改善左側(cè)額葉的激活水平來改善腦網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),進一步改善個體的智力水平。與既往研究相似[24],本研究中觀察受試在任務(wù)態(tài)進行過程中,其操作指數(shù)與背側(cè)注意力網(wǎng)絡(luò)功能連接模式的更大時間變異性有關(guān),揭示了表現(xiàn)智力與涉及注意力選擇、空間定位和認(rèn)知控制的大腦網(wǎng)絡(luò)的高度可變性之間的密切關(guān)系。前人研究結(jié)果也表明,長期運動干預(yù)(通常維持9～12個月)可能促進神經(jīng)生長因子分泌,神經(jīng)細胞增殖,神經(jīng)發(fā)生和突觸可塑性,進一步促進大腦的功能網(wǎng)絡(luò)連接,從而改善智力、記憶力、執(zhí)行功能等認(rèn)知功能[25-26]。

本研究表明中等程度的運動是增強健康青年大腦前額葉血流動力反應(yīng)的有效方法。此結(jié)果可以將對前額葉的激活作為對青年對智力有益影響的潛在機制。近些年通過人類和動物研究來解釋運動對于大腦功能的主要保護機制研究發(fā)現(xiàn),運動可以調(diào)節(jié)淀粉樣蛋白β周轉(zhuǎn)、炎癥、神經(jīng)營養(yǎng)因子的合成和釋放,在改善腦血流量方面存在潛在作用[27]。在癥狀前和癡呆癥前期階段促進生活方式的改變,有可能延緩全球三分之一的癡呆癥。與其他方式相比,運動作為干預(yù)措施的好處在于不會產(chǎn)生額外經(jīng)濟負擔(dān),且對認(rèn)知功能退化有預(yù)防作用。因此,支持中等程度運動作為干預(yù)方式,通過其對前額葉的積極影響可以進一步改善和預(yù)防輕度認(rèn)知障礙、阿爾茨海默的癥狀。

本研究僅是總體探討了運動對于健康女青年智力的影響,但并未對運動成分進行分層研究,相較于既往研究,本研究也存在樣本較小、分組單一等不足。因此,在未來的研究中,希望能夠具體探討的不同形式的運動對于智力的影響。