有氧运动综合干预前后肥胖儿童脑代谢的质子磁共振波谱变化研究*1

孙 剑陈 平陈 烨

(1.新疆师范大学体育学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2.吕梁学院，山西 吕梁033000)

有氧运动综合干预前后肥胖儿童脑代谢的质子磁共振波谱变化研究*1

孙 剑1陈 平2陈 烨1

(1.新疆师范大学体育学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2.吕梁学院，山西 吕梁033000)

目的：探讨有氧运动综合干预前后肥胖儿童额叶和海马感兴趣区脑代谢的变化特点。方法：对象为2013年北京市金色湖畔儿童夏令营的小学生。采用有氧运动综合干预措施对8名肥胖儿童进行饮食、运动、教育联合干预治疗，测定干预前后人体测量指标（体重、BMI、腰围、腰臀比、3处皮脂厚度、体脂百分比、脂肪含量）、推理智商、脑部海马和额叶部位脑代谢的变化特点。结果：有氧运动综合干预后，肥胖儿童体重、BMI、腰围、腰臀比、3处皮脂厚度、DEXA测定的体脂百分比及脂肪含量的均数均降低（p＜0.05）；推理智商、额叶部位的氮-乙酰天门冬氨酸(NAA)、额叶胆碱类复合物（Cho）浓度、额叶肌酸（Cr）、颞叶氮-乙酰天门冬氨酸与肌酸比值（NAA/ Cr）均较干预前显著升高。结论：肥胖可能影响到儿童的脑代谢过程；有氧运动综合干预可能通过影响中枢神经系统和外围器官(肝脏、胰脏、脂肪组织)之间的双向神经信息交流模式，进而对肥胖青少年脑部额叶代谢起到积极的影响。

有氧运动；肥胖儿童；磁共振波谱；研究

随着社会和经济的发展，人民的生活水平逐渐提高，饮食结构和营养水平有了很大程度的改变，尤其是现阶段，我国正处于一个向西方饮食看齐，与城市化生活方式转型的阶段，大众饮食习惯从传统饮食方式（如以谷物和块茎类植物为主）向营养过剩的高能量饮食方式（高脂肪、高糖、高盐食物和动物来源食物）转变。快餐食品、动物来源食品和含糖软饮料消费量大幅增加，再加上生活方式的变化，日常性的身体活动与主动的体育锻炼的急剧减少，导致了近十余年来我国儿童肥胖发生率逐年迅猛上升[1]。肥胖不仅影响儿童身体和心理发育，还能够引起累及全身几乎所有代谢系统的代谢异常，导致糖尿病、代谢综合征、高血压、心血管疾病、睡眠呼吸暂停、哮喘、肿瘤等与肥胖相关的其他慢性非传染性疾病。最新研究发现，肥胖不仅会引起各种健康问题，还可能对认知能力产生负面的影响，使认知能力下降[2]；肥胖者特定脑区的灰-白质比例明显较小[3]；肥胖者比消瘦者更容易患脑萎缩，并且伴随着年龄的增长呈更快的趋势；肥胖对青春期前儿童心理认知能力、大脑工作能力有干扰作用；中心性体脂分布可能影响青少年脑代谢过程，并可能对注意力分布和工作记忆负荷产生负性影响[4]。研究发现，减肥不仅可以降低罹患多种与肥胖相关疾病的风险，还有助于提高记忆力，并且还能够使肥胖者认知能力（操作能力、组织能力）也得到提高[5]。而有氧运动被广泛认为是一种合理而有效的减肥手段之一。那么，有氧运动对肥胖儿童脑代谢产生怎样的影响，很少有研究报道。本研究旨在通过对肥胖儿童进行有氧运动综合干预，探讨有氧运动综合干预前后其脑代谢的变化。

1 研究对象和方法

1.1 研究对象

选取2013年克拉玛依健康少年夏令营的学生作为研究对象。对所有研究对象按照2004年国际生命科学学会中国肥胖问题工作组确定的《中国学生超重、肥胖BMI筛查标准》筛查超重、肥胖。在向其介绍本次研究的目的和内容后，严格按照纳入标准和排除标准，知情同意原则的基础上，选取愿意参加者11例儿童（男8例，女3例）。同时按l：l配对的原则，选取体脂量正常，而年龄 、身高 、性别相匹配的健康对照组11例儿童（男8例，女3例）。研究对象均为右利手。所有研究对象均无精神、神经疾患及家族史，无脑外伤、脑手术病史，无高血压、糖尿病。基本情况见（表1）。

表1 实验组与对照组基本情况（±SD）

表1 实验组与对照组基本情况（±SD）

注：与对照组相比, **: P ＜0.01

组别 人数/人 年龄（y） 体重（kg） BMI（kg/m2）肥胖组对照组11 11 12.24±1.08 11.67±1.23 53.12±10.62** 42.69±6.26 26.06±8.52** 17.27±7.48

1.2 方法

1.2.1 人体测量学指标

被检测者脱去鞋帽，空腹并排空膀胱，采用身高坐高计、杠杆式体重计分别测量身高和体重，分别精确到0.1cm和0.1kg，测量前用标准码矫正。并计算BMI值(kg/m2)；采用皮褶厚度计分别测量皮脂厚度（腹部、肩胛下角、上臂），每处均测量3次，取平均值，读数精确到小数点后一位；采用mm刻度的软尺分别测量腰围(WC)、臀围(HC)，每项指标均测量3次，取均值，读数精确到小数点后1位；计算腰臀比(WHR)。

1.2.2 体成分的测定

采用双能X线吸收法（Dual-energy X-ray

Absorptiometry，DEXA）测量体脂百分含量、瘦体重等体成分。测试前要求受试者不能大量饮水并排尿，测量在进食3 h后进行。

1.2.3 智商测验

本研究采用有氧运动综合干预措施对肥胖儿童进行运动干预：

所有受试参照文献[6]均进行智商评估测验。每种测试都由经过严格培训的主试者向测试对象详细讲解示范，并经3次预试验，使受试者掌握方法后进行正式测试。

1.2.4 脑代谢活动测定

脑代谢活动测定在新疆医科大学磁共振实验室完成。采用1H-MRS法，使用高场强全身MR扫描仪（2.0T，Prestige）和标准头线圈，测定额叶、海马NAA、Cho、Cr波谱。MRS检测主要技术参数包括：单容积波谱定位序列，激励回波探测法，扫描参数TR2000ms；TE144ms，FOV180mm×180mm，感兴趣区取20mm×20mm×20mm，激励次数256，采集时间390s。应用Elscint/GE仪器公司提供的数据分析软件对所得谱线进行相位、基线矫正，分别得到NAA、Cho、Cr的波谱峰值及波峰曲线下面积。取样部位为额叶、海马，取样容积为2cm3。额叶、海马的波谱定位图如图1、图2。

1.2.5 有氧运动综合干预措施

表2 肥胖青少年有氧运动综合干预措施

在整个干预过程中，由专业人员随时进行全面医务监督，并每周进行人体测量学、体成分和生理等指标检测，及时了解他们对运动负荷和饮食处方的反应，及时调整处方。1.2.6 统计学处理

2 结果

2.1 干预前后肥胖儿童体重、BMI、3处皮质厚度变化的比较

与对照组相比，肥胖儿童体重、BMI、3处皮脂厚度均显著高于对照组（P＜0.01）；有氧运动干预后，肥胖儿童体重、BMI、3处皮脂厚度均较干预前降低（P＜0.01），差异具有非常显著性（表2 ）。

表2 干预前后肥胖儿童体重、BMI、3处皮质厚度变化的比较（±SD）

表2 干预前后肥胖儿童体重、BMI、3处皮质厚度变化的比较（±SD）

注：与对照组相比, *: P ＜0.05, **: P ＜0.01；与干预前相比,#: P ＜0.05,##: P ＜0.01

组别 体重（kg） BMI（kg/m2） 上臂皮脂（/mm） 肩胛下角皮脂（/mm） 腹部皮脂（/mm）干预后干预前对照组42.69±7.87##53.12±10.62** 39.98±6.26 18.25±2.57##26.06±8.52** 17.47±7.48 9.01±3.10##13.74±5.54** 8.30±2.26 12.99±4.53##16.32±5.89** 11.26±5.21 7.09±3.29##14.13±5.92** 8.50±2.89

2.2 干预前后肥胖儿童腰围、臀围、腰臀比变化的比较

与对照组相比，肥胖儿童腰围、臀围、腰臀比均显著高于对照组（P＜0.01）；有氧运动综合干预后，肥胖儿童腰围、臀围、腰臀比均较干预前降低（P＜0.01），差异具有非常显著性（表3 ）。

表3 干预前后肥胖儿童腰围、臀围、腰臀比变化的比较（±SD）

表3 干预前后肥胖儿童腰围、臀围、腰臀比变化的比较（±SD）

注：与对照组相比, *: **: P ＜0.01；与干预前相比,#: P ＜0.05,##: P ＜0.01

组别 腰围（cm） 臀围（cm） 腰臀比干预后干预前对照组55.48±5.79##74.56±8.45** 56.12±4.57 66.11±5.85##80.25± 4.18** 66.39±5.36 0.84±0.06##0.92±0.05** 0. 85±0.02

2.3 干预前后肥胖儿童DEXA检测结果变化的比较

肥胖儿童脂肪百分比、脂肪含量显著高于对照组（P＜0.01），瘦体重与对照组相比，无统计学意义（P＞0.05）；有氧运动综合干预后，肥胖儿童脂肪百分比、脂肪含量较干预前降低（P＜0.01），差异具有非常显著性（表4 ）。

表4 有氧运动干预前后肥胖儿童DEXA测定结果的比较（±SD）

表4 有氧运动干预前后肥胖儿童DEXA测定结果的比较（±SD）

组别 脂肪百分量（/%） 脂肪含量（/kg） 瘦体重（/kg）

注：与对照组相比, *: **: P ＜0.01；与干预前相比,#: P ＜0.05,##: P ＜0.01

2.4 干预前后肥胖儿童推理智商变化的比较

肥胖儿童推理能力所得推理IQ总分均低于正常对照组，但差异无统计学意义(P ＞0.05)；有氧运动综合干预后，肥胖儿童瑞文推理测试所得推理IQ总分升高，差异无统计学意义(P ＞0.05)。

2.5 干预前后肥胖儿童额叶、海马代谢的质子波谱变化比较与对照组相比，肥胖组额叶部位NAA、Cho、肌酸C r水平均显著低于对照 组（P＜0.01），NA A /C r高于对照组，但差异无统计学意义(P ＞0.05) ；海马部位 NAA、C r、NAA /C r 、Cho均较对照组较高，但均无统计学差异(P ＞0.05)；有氧运动综合干预后，肥胖组额叶部位NAA、Cho、C r水平均较干预前显著升高（P＜0.01）；海马部位NAA、C r、NAA /C r 、Cho变化较干预前无统计学意义(P ＞0.05)（表5、6）。

表5 干预前后肥胖儿童额叶代谢的质子波谱变化的比较±SD）

表5 干预前后肥胖儿童额叶代谢的质子波谱变化的比较±SD）

注：与对照组相比, *: **: P ＜0.01；与干预前相比,#: P ＜0.05,##: P ＜0.01

组别 NAA Cr Cho NAA/ Cr Cho/ Cr干预后 158.89±11.67##71.53±9.44##105.63±14.61##2.22±0.39 1.47±0.23干预前 123.76±15.35** 51.83±5.58** 82.57±12.54** 2.38±0.47 1.59±0.30对照组 162.30±30.54 73.45±10.16 103.35±15.75 2.20±0.36 1.40±0.46

表6 干预前后肥胖儿童海马代谢的质子波谱变化的比较

2.6 额叶、海马兴趣区波谱取样部位（见图1 2）

图1 额叶兴趣区取样部位

图2 海马兴趣区取样部位

3 讨论

近年来，随着神经影像检查技术的飞速发展，国际上已有大量的学者利用磁共振波谱分析技术来研究肥胖、抑郁症、2型糖尿病、焦虑症和强迫症等患者与健康对照者的大脑结构、功能以及代谢物之间有无潜在的差异。氢质子磁共振波谱分析（1H-MRS）是利用磁共振显像和化学位移作用，检测活体脑组织能量代谢、生化改变以及化合物定量分析的一种无创性影像学检测技术，是中枢神经系统疾病鉴别诊断的重要方法之一。本研究通过1H-MRS成像技术对有氧运动综合干预前后肥胖儿童额叶、海马组织N-乙酰天门冬氨酸（NAA）、胆碱（Cho）、肌酸（Cr）3种代谢物进行定量分析，旨在探讨有氧运动综合干预前后肥胖儿童脑代谢的变化特点，为运动干预肥胖的神经生物学基础研究提供新的思路，为有氧运动综合干预能够为肥胖儿童的脑代谢带来积极的影响提供更客观的依据。

NAA是由天门冬氨酸和乙酰CoA在神经细胞内的线粒体产生，在脑内的含量仅少于谷氨酸[7]。在成人的脑中，NAA峰呈特异性的高浓度，但在脑中的分布不是均匀的，主要存在于神经细胞的胞质中。NAA不仅可以作为反映神经细胞、突触的数量和生存能力的标志物，它的浓度的变化意味着神经细胞、轴突的受损程度或功能的变化（变性），是神经细胞损伤严重程度的一项生化指标[8]。在MRS研究中，神经元的数目、密度以及代谢的变化都会影响NAA浓度改变。即使是神经元或（和）轴突发生凋亡或者轻微的代谢异常，MRS也能敏感检测到NAA的变化[9]。

Cho信号反映了大脑内胆碱的总量。胆碱既是合成乙酰胆碱的重要前体，同时又是合成磷脂、卵磷脂、溶血卵磷脂、胆碱缩醛磷脂、神经鞘磷脂等重要膜成分的前体，是动物和人脑发育的必需营养素，参与细胞膜、髓鞘的生物合成[10]。因此，Cho可以作为细胞膜受损和神经胶质细胞增生的标志物。

Cr反映了胶质细胞和神经细胞密集程度，它在大脑中的浓度相对稳定，并且和大脑的能量储备有关[10]。由于Cr是能量储存利用的主要代谢物，总量相对恒定，而且在病理状态下变化较少，所以通常将其作为内标准来比较变动较大的NAA和Cho。

研究发现，中重度肥胖儿童、中心性肥胖青少年额叶部位NAA、Cho、Cr、NAA/Cr均较正常儿童青少年显著降低[11]。另据研究发现，早期病态肥胖者MRS显示大脑白质受到损伤，与认知功能的下降显著相关[11]；超重和肥胖可能导致大脑颞叶萎缩[12]；腰臀比过大可能与大脑神经变性、脑部血管及代谢过程直接有关，能潜在地影响大脑机构，最终导致认知功能的下降及痴呆的发生[13]；长期患高血压的老年人还会导致大脑结构改变[14]。本研究结果发现，肥胖儿童额叶部位NAA、Cho、Cr、NAA/ Cr、Cho/ Cr均较对照组显著降低，提示肥胖可能通过大脑以及外围组织器官如肝脏、胰脏、脂肪组织等之间存在的双向神经信息交流模式而对儿童的脑代谢产生影响，使肥胖儿童可能存在额叶神经元数量减少和（或）代谢受损害的现象；并可能影响儿童的白质髓鞘化过程，使肥胖儿童的白质髓鞘化过程减慢，额叶代谢受限、降低。

大量研究结果表明，适量运动对神经系统神经细胞的形态和功能能够产生积极的影响。动物实验证明，适量运动负荷可促使生长发育期小白鼠脊髓前角神经元细胞核与核仁都增大；促使生长发育期小白鼠大脑皮质神经元树突棘增多；促使大鼠脊髓前角神经元的线粒体数量增多，嵴多而致密；耐力训练使大鼠椎体细胞层变厚，神经元密度增加[15]。长期适宜的运动可使肥胖大鼠载脂蛋白E4等位基因频率降低，从而使淀粉样多肽对神经元的胞体和突起生长的毒性作用降低；降低神经元钙离子水平，增强神经元膜的流动性，提高神经元功能和可塑性[16]。长期有氧运动使肥胖青少年脑血氧饱和度提高、血液循环改善，神经元的营养和氧供给充分[17]。长期参与有氧运动，可使脑源性神经营养因子及其受体在脑内的表达与利用增加，中枢神经元形态结构发生改变[18]；运动还能够提高肥胖者肌肉中代谢调节分子 PGC-1α的活性，这种分子又刺激FNDC5表达量的增加，反过来促进与大脑健康相关的蛋白质—脑源性神经营养蛋白的升高，从而维持神经元以及突触的健康生长[19]。本研究结果发现，有氧运动综合干预后，肥胖儿童额叶部位的氮-乙酰天门冬氨酸(NAA)、额叶胆碱类复合物（Cho）浓度、额叶肌酸（Cr）、额叶胆碱类复合物与肌酸的比值（Cho/Cr）、颞叶氮-乙酰天门冬氨酸与肌酸比值（NAA/ Cr）较干预前显著升高。表明运动可能通过影响外围器官如肝脏、胰脏、脂肪组织、骨骼肌等与中枢神经系统之间的双向神经信息交流模式，进而对肥胖青少年脑部额叶代谢下降的逆转起到积极的影响。

4 小结

肥胖儿童可能存在大脑代谢过程受限的现象；运动可能通过影响外围器官如肝脏、胰脏、脂肪组织、骨骼肌等与中枢神经系统之间的双向神经信息交流模式，进而对肥胖青少年脑部额叶代谢下降的逆转起到积极的影响。

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Proton Magnetic Resonance Spectroscopy Changes before and after Aerobic Exercise Comprehensive Intervention of Cerebral Metabolism in Obese Children

SUN Jian, etal.
(PE college of Xinjiang normal university, urumqi 830054, Xinjiang, China)

[Objective]To investigate the characteristics of aerobic exercise changes before and after comprehensive intervention in obese children in frontal lobe and hippocampus. [Methods]the object for the 2013 summer camp for the children of primary school students. Using aerobic exercise comprehensive intervention measures on 8 obese children's diet, exercise, education combined intervention therapy, measured before and after the intervention of body mass index (body weight, BMI, waist circumference, waist hip ratio, cortical thickness, 3 physique percentage content, fat content), change characteristics of reasoning IQ, hippocampus and frontal area of the brain, the brain metabolism the. [Results]aerobic exercise comprehensive intervention in obese children body weight, BMI, waist circumference, waist hip ratio, DEXA determination of sebum thickness, 3 percent body fat and fat content were all decreased significantly (p＜0.05); reasoning IQ, frontal part of the N-acetylaspartate (NAA), frontal lobe choline compound (Cho) concentrations of creatine (Cr), frontal lobe, temporal lobe of N acetyl aspartic acid and creatine ratio (NAA/ Cr) were significantly increased after the intervention. [Conclusion]obesity may affect a child's brain metabolism process; aerobic exercise comprehensive intervention may affect the central nervous system and the peripheral organs (liver, pancreas, adipose tissue) two-way neural information exchange mode between，then the brain metabolism in obese adolescents frontal downward reverse play a positive effect.

aerobic exercise; obese children; magnetic resonance spectroscopy; research

教育部人文社会科学研究青年基金项目（No.13YJC890032）。新疆自治区重点学科体育人文社会学招标课题阶段性成果（No.14XSQZ0404）。

孙剑（1979-），新疆人，硕士，副教授，研究方向：运动人体科学。