运动增强老年人脑的认知能力

段英梅 商秀海、2

运动增强老年人脑的认知能力

段英梅1商秀海1、2

（1.郭里园小学，江苏 南通 226000；2.祥明大学，韩国 首尔 03016）

运动可以通过增加大脑体积、改善情景记忆力、增强执行能力、提高注意力和处理速度等机制来对大脑认知能力进行改善。在细胞分子水平上，运动可以增加神经元、增强突触可塑性以及提高脑源性神经因子生成量来刺激大脑，改善大脑衰老造成的认知能力下降等问题。

运动；认知能力；老年人；大脑

老年人随着年龄的增加，大脑机能也随着衰老，不可避免的造成老年人认知能力下降以及记忆方面的障碍。在衰老过程中变化包括脑体积变小、脑细胞丢失、神经突触刺激活性下降以及活性氧累积增加。如此复杂的变化，在不同的情况下有可能会导致痴呆。通过查阅文献可知，由年龄增加而造成的大脑衰老从而导致的痴呆症，是全球最为严重的医学难题之一，目前为止没有较好的解决方案。

大脑会随着年龄的增加而衰老，但是其学习能力与记忆能力并不会消失。据查阅资料得知，某些个体大脑虽然会出现大脑衰老的变化，但是认知能力几乎不会下降。在大脑衰老过程中，一些措施可以起到作用，其中坚持运动可以有效的预防或减缓痴呆病症，在Barnesand Yaffe的文章中，这一措施得到了证明[1]。

在本文中，主要讨论老年人大脑衰老导致认知能力下降的原因，进而探析大脑与体育运动的关联，并对运动如何激发大脑可以改善老年人认知能力进行深度剖析。

1 老年人大脑衰老的变化

世界医学发展，各国研究人员通过研究，发现了较多关于大脑衰老或者各种神经性疾病发生后大脑产生变化的信息。其中最为重要的关键性变化有以下几条：大脑体积变小，特别是在涉及到学习和记忆的区域，例如前额叶皮层和海马区；大脑中血管发生变化。由于动脉变得较窄，而且新生毛细血管的数量变少，造成血流量变少；脑细胞缺失严重，特别是神经元的缺失；神经递质功率的降低，髓鞘降解以及神经突触受体缺失，从而导致神经突触的连接功能缺失；体内活性氧的积累增多，从而导致脑中活性氧也较多；产生慢性炎症的症状。

2 运动能够增强大脑认知能力

在过去的岁月中，研究人员对运动如何对大脑产生积极影响的研究越来越深入。如今，我们已经了解到运动能够促进大脑健康生长并且延缓大脑衰老，还能降低阿尔兹海默症认知能力下降的发生率。经查阅文献资料，坚持运动能够增加大脑的体积，提高神经突触的可塑性，减少活性氧的积累，提高脑源性神经营养因子的效率等等。所有的这些不但能改善脑的认知能力，而且可以改善学习能力和记忆能力。

2.1 运动增大大脑体积

大脑中负责学习功能和记忆功能的两个关键区域为前额叶皮层以及海马区。随着年龄的增长，前额叶皮层和海马区中的白质能够减少1%-2%[2]。即便是白质减少与大脑认知能力的下降没有直接关系，间接上也能够使得大脑产生认知能力下降风险增加。那么这两个区域内的白质的减少，有没有办法避免呢？答案是肯定的，通过中等强度的运动能够预防白质的减少。在Erickson与同事所做的一项研究中得知，进行了1年的有氧运动使海马区体积增大了2%。老年人的大脑衰老过程中，海马区每年减少1%-2%，而运动能够增加海马区体积2%，相当于在老龄化的人群中，海马体的价值增加了1%-2%[3]。

海马区的主要作用在于参与各种记忆功能，例如各种情景记忆以及空间记忆等等。因此我们能够得出一个结论，海马区体积的增大，能够改善大脑在这些方面的认知能力。有研究可知，运动能力与水平较高的人相比于运动能力与水平较低的人来说，前者拥有更大的海马区和更好的记忆能力。我们通过探索性分析得知，海马区体积的变化介导了认知能力与记忆能力之间的关系。

从运动中受益的不仅仅是海马区，还有前额叶皮层。前额叶皮层的减少，同样可以通过运动来进行弥补，坚持两年中等强度的有氧运动，能够有效的抵消大脑衰老带来的前额叶皮层减少。而且，即使运动停止半年，其带来的益处也能够持续的存在，阻止认知能力的下降[4]。具体来讲，则是指注意力的转移和记忆力的改善，与前额叶体积变化成正比。

众所周知，运动并不能改善影响大脑内的所有区域。但是运动是少数可以选择性的对与年龄有关认知下降最敏感的大脑区域干预策略之一。总之，老年人从事体育运动，能够促进大脑重建1立方毫米。

2.2 运动改善情景记忆力

上述我们已经知道了由于年龄造成的大脑体积变小，我们可以通过运动来对其进行缓解修复。这种形式的脑体积增加，是指大脑产生新的脑细胞，并且在新的脑细胞之间建立新的连接，这是认知能力的重要影响因素。认知能力是指关于认知功能的总称，期中包含了情景记忆力、注意力、执行能力、处理速度、工作记忆力、语言能力、阅读能力等等[5]。通过人体研究和动物研究所得到的数据可知，认知功能的所有能力都会随着年龄的增长而下降，但是体育运动能够提高大脑的抵抗力，减少与年龄有关的大脑衰老造成的伤害，进而可以在这些领域内维持认知能力。

运动能够改善情景记忆力，情景记忆力是指能够记住关于某个人的信息以及所经历的事情的能力[6-7]。

情景记忆力中最为常见的认知需求是记住某件特定事情的发生地点、时间等等，这种能力的主要作用为区分相似事件。研究显示，运动对人类和动物，具有重大的影响。我们可知，关于依靠海马区进行记忆的动物文献，显示自愿奔跑与记忆力的表现成正相关关系[8-9]。大多数的语言记忆以及延迟处理、情景记忆以及人脸、名称相关的人类研究显示出，老年人坚持运动，这些都会得到改善提升。

2.2.1运动增强执行能力

与情景记忆类似，执行能力还指多种认知能力通过组合，上下协调共同完成目标。执行能力包含了多个不同的部分，有集合移动、潜在的响应抑制、更新记忆、处理速度[10]。

多项研究表明，运动对执行功能具有一定的改善作用。Colcombe and Kramer（2003）进行了相关的荟萃分析，结果显示，运动能够改善提高认知相关的多个方面，其中在执行能力的控制机制方面是最为明显的。这是一个非常重要的关键点，执行能力的控制是认知能力最为重要的一部分，几乎涵盖了个人日常生活的全部。执行能力能够帮助人们更好的运动，但是，如果想要从中看到效果，这就需要人们通过刻苦的训练。比如，在尝试一种新的运动方式时，要努力克服短期效果不明显、心里压力大等困难，从而获得后期的回报，例如减肥、改善身心健康等等。因此，执行能力的各个方面对于开始和坚持体育运动是必不可少的。进行体育运动并坚持下去，需要有效的执行能力，而且要在运动与执行能力之间建立有效的双向积极关系。

不仅仅是人类能够对运动进行反应，动物同样能对运动表现出良好的执行能力。比如，一条经过训练并且可以在跑步机上跑步的成年狗，每天进行10分钟的运动，就能够有效改善执行能力，而且在学习任务中的表现更好[10]。有趣的是，经过观察，狗学会了在跑步机上跑步之后，每天都会期待跑步，这说明了上文所述的积极地双向关系。在人类身上，动力是坚持运动的关键因素，运动与执行能力之间的双向关系应当鼓励支持。

2.2.2运动提高注意力和处理速度

与老年人执行能力密切相关的两个方面，注意力和处理速度，从而运动与这两个方面同样高度相关。老年人的注意力和处理速度下降，通常是通过反应时间来进行测量得到的结论。处理速度下降会导致控制行为、反应能力甚至日常活动能力受到影响。因此，提高人类处理速度，对于研究人口老龄化至关重要。这方面的临床研究非常少，通过荟萃分析得到的研究表示，有氧运动能够有效的提高人类的认知能力，尤其是执行能力[4，11]。在研究中评估了有氧运动对执行能力的影响，最后对数据进行荟萃分析，运动与非运动对照组之间的处理速度的差异较为明显。在这项研究中，选择的运动为太极拳、有氧运动以及抗阻运动。荟萃分析得出的结论为：将有氧运动与抗阻运动、柔韧性训练相结合可以改善执行能力的效率，其中包含了注意力、工作记忆、处理速度。

对老年人进行运动干预，在之前已经有较多的研究者对其进行了研究。其中一项实验表明，在对老年人进行为期4个月的有氧运动干预后，与对照组进行比较得知，运动干预对于改善老年人的反应时间，具有明显的作用[12]。Hawkins等人获得了类似的结果。他的报告指出，在老年人中，适量运动可以有效改善与大脑衰老有关的各项能力（Hawkins等，1992）。还有一项研究表明，对老年人的运动干预中，进了有氧训练与抗阻训练相结合的训练方式，得到结果，注意力得到改善的程度更大[13]。有研究者指出，在大多数的执行能力的指标上，运动具有更好的改善效果。有较多的研究者都认为，非常多的证据能够表明运动能有效改善处理速度，进而提升执行能力。这些说明了运动是改善老年人脑的有效而且成本低廉的干预措施。

2.3 运动改善记忆力

多项研究表明，长期运动可以改善认知功能，少量的运动也可以改善大脑功能，增强记忆。记忆一种学习后现象，指的是把新知识从不稳定变为稳定。检查记忆整合的一种有效方法是，在学习新的内容之后，用运动的方式进行干预，然后有选择的测试运动对于记忆力的影响。如今使用这种方法进行的研究表明，体育运动可以有效改善人类、狗以及老鼠在内的不同物种之间的记忆[10，14-15]。在改善过程中，突触前和突出后伴随着蛋白水平增加。总的来说即使是少量的运动同样能够触发蛋白水平的增加，并改善认知功能，但是其不能相比于长期高水平的运动带来的益处。

3 实验的不足

根据流行病学、神经影像等研究的证据，这些都表明的体育运动能够改善老年人的认知功能，但是通过仔细比对，各对照组实验数据很大程度上不一致。造成数据不一致的原因有很多种，包括入选标准的差异、参与者的认知状态、运动干预的强度、频率、时间等等。

入选标准的差异包含了较多的因素，例如一部分研究者再招募时，会选择一些运动爱好者，但是也有一部分研究者在招募时，会选择身体比较弱小或者久坐的人。这样对于数据的比较毫无疑问，运动干预对于身体较弱或者久坐的人来说，效果较为明显。对于那些招募没有认知障碍的人进行的干预，同样也可以得到类似的结果，但是数据差异较小。另外对照组实验的持续时间也会影响数据。因为对照组的认知能力会随着时间而下降，而运动干预组的认知能力则会随着时间而改善或者持平。短期的实验可能不足以实现运动所带来的改善。通过研究，发现短期的运动干预带来的改善，很有可能是由身体之外的机制来促成的[16-18]。在以后的研究中方向，将会研究那些因素可以再短期内介导体育运动与认知功能。

另外，对照试验中运动干预内容，不符合当前针对老年人的公共卫生建议。老年人的运动建议为每周运动150分钟，保持中等强度的有氧运动。而在试验中，活动组的参与者每周进行运动时间长达4-7小时。上述内容与先前提到的关于潜在混杂因素，对于研究对照试验数据，具有一定的说服力。

4 分子水平上的促进机制

通过上述内容，我们可以得到体育运动能够有效改善老年人大脑衰老造成的认知障碍。那么对于其有效改善的机制进行研究说明就显得非常重要。运动可以通过这种机制来调节大脑并且促进神经元的功能。运动对于行为的影响可以在人体的研究和临床试验中得到结果，但是在细胞甚至分子水平上的影响，只能借助于动物试验模型来进行。接下来，我们要对关于动物试验模型的研究进行总结，得出以下观点：体育运动能够在不同的水平上对大脑进行重塑，包括基因以及蛋白质表达的变化，还有最终能够影响生理过程的细胞水平的修饰。能够引起我们注意的是，运动通过神经元回路的反映，对基本的生理过程产生积极影响，从而保护认知能力的改善。体育活动对脑的影响，产生最大变化的是海马区，所以我们将重点研究体育运动在海马区分子和结构重塑、突触重塑以及分子连接中产生的影响。

4.1 运动促进神经元的生成

长期以来，人们一直认为神经元是从出生开始存在，并且伴随着年龄的增长而不断消逝。但是，经过试验研究，发现神经元可以在人的大脑中生成[19]。神经元的生成随着人的衰老而变弱，从而影响人的认知能力。另有研究者发现，啮齿类动物在进行了连续几周的跑轮情况下，其神经元的生成量增加，而且学习能力得到改善[20]。我们得知跑步能够影响神经元生成的许多方面，包括了细胞的增殖、存活以及神经元的分化等等。有研究者提到，运动过程中，神经元能够保持生成，主要是由于海马区血管增加，促进了生长因子和营养因子的获得。运动过程中，能够使生长因子VEGF和IGF-1上升，通过血液到达大脑，促进神经元的生成与存活。

4.2 运动增强突触可塑性

大脑适应新环境或者新的经历的变化，主要是以突触可塑性作为基础。研究海马区突触可塑性分子机制的最广泛使用的模型之一是LTP。越来越多的数据表明，LTP与潜在的记忆突触过程有因果关系。实际上，对LTP的分析通常用于对与年龄有关的记忆问题进行行为和药理干预的初步评估，因为通常认为记忆缺陷是由突触功能障碍和突触可塑性下降引起的。在啮齿动物中，存在海马LTP损伤和突触脆弱性，这正解释了记忆力丧失的原因。体育运动可以使随年龄增长的LTP下降。另外，在老年转基因小鼠模型中，同样观察到了跑步机运动对海马LTP的影响。

尽管在人体中研究LTP的方法尚未出现，但是使用创新的方法，在脑网络水平上，同样可以研究体育运动对突触可塑性的影响。例如，有文献可以证明，体育运动可以增加老年人大脑网络的连贯性[21-22]。在一项为期一年的实验中，使用有氧运动的方式进行干预后，磁共振成像对大脑网络的连贯性和稳定性评估显示，运动增强了衰老性脑公能障碍两个最为重要的认知网络的连接性，这两个脑网络为默认模式网络和额叶执行网络。

4.3 运动促进大脑与有益分子的连接

有研究表明，运动能够在分子水平上促进脑中神经元生长、发育以及存活，最主要的物质为脑源性神经因子。运动最为重要的作用之一，就是促进海马区脑源性神经因子的产生。由Cotman等进行的一项长达20年的实验研究表明，体育运动能够导致脑源性神经因子的上升，即使运动仅仅持续两天，脑源性神经因子的上升也可以长达一周[23]。海马区大多数功能中，脑源性神经因子起到了极为重要的作用。运动给大脑带来的好处都可以通过脑源性神经因子的传导进行阐述，例如神经元的生成、血管生成、突触可塑性等等。因此，脑源性神经因子是运动和各项能力之间最稳定的分子连接。

5 结论

综上所述，体育运动会触发一些分子和细胞的连锁反应，从而支持并维持大脑的可塑性，提高老年人大脑的认知能力。另外，运动的有效性，同样包含了身体活动与执行能力之间的相互关系，从而使体育运动引起的执行功能变化，能够随着时间的推移增强和促进身体运动。运动水平的变化能够改善未来学习能力，防止记忆力下降。

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Physical Exercise Enhances the Cognitive Ability of the Elderly Brain

SHANG Xiuhai, etal.

(Guoliyuan Primary School, Nantong `226000, Jiangsu, China)

段英梅（1988—），硕士，中小学一级教师，研究方向：体育课程教学方法。