運(yùn)動影響大腦執(zhí)行功能的機(jī)制綜述,運(yùn)動生理學(xué)論文

運(yùn)動影響大腦執(zhí)行功能的機(jī)制綜述,運(yùn)動生理學(xué)論文摘要：文章從神經(jīng)生理學(xué)角度討論了大腦特定構(gòu)造改變與執(zhí)行功能各子功能改善的關(guān)聯(lián);從分子生物學(xué)角度討論了不同分子生物學(xué)指標(biāo)在運(yùn)動影響下改善執(zhí)行功能各子功能的可能機(jī)制;從運(yùn)動劑量效應(yīng)、年齡、測試任務(wù)選擇等方面分析了實(shí)驗(yàn)設(shè)計時可能需要考慮的變量設(shè)置及實(shí)驗(yàn)控制。文章提出,將來能夠考慮從運(yùn)動對腦構(gòu)造、功能的可塑性角度出發(fā),采用多種方式方法綜合分析運(yùn)動改善執(zhí)行功能的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制和分子生物學(xué)機(jī)制,尋找與運(yùn)動改善執(zhí)行功能相關(guān)的效應(yīng)基因以及基因多態(tài)性。除此之外,實(shí)驗(yàn)經(jīng)過中,需要進(jìn)一步嚴(yán)格地控制相關(guān)變量以確保研究的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性。多學(xué)科、綜合的視角對于揭示運(yùn)動改善執(zhí)行功能的機(jī)制愈加重要。本文關(guān)鍵詞語：運(yùn)動;執(zhí)行功能;機(jī)制;變量設(shè)置;變量控制;Abstract：Thispresentpaperdiscussestherelationshipbetweenthemodificationofspecificstructureofbrainandtheoptimizationofsubfunctionsofexecutivefunctionfromtheperspectiveofneurophysiology,thepossiblemechanismthatdifferentmolecularbiologicalindicesimprovesubfunctionsofexecutivefunctionbyexercisefromtheperspectiveofmolecularbiology,andthepossiblevariablesettingsaswellasexperimentcontrolinexperimentalresearchaccordingtoexercisedosageeffect,ageandtestoption.Thispaperproposesthatresearchinthefutureshallbebasedontheplasticityofbrainstructureandfunction,aimingtoanalyzetheneurophysiologicalmechanismandmolecularbiologicalmechanismthatexerciseimprovesexecutivefunctionbycomprehensivelyusingavarietyofanalysismethods,andfindoutfromtheperspectiveofmolecularbiologytheeffectivegenesrelatedtothemechanismthatexerciseimprovesexecutivefunctionandtheirpolymorphism.Intermsofexperimentalvariablesettingandcontrol,relevantvariablesshallbecontrolledmorestrictlytoensuretheirprecisionandscientificity.Finally,itisproposedthataninterdisciplinaryandcomprehensiveperspectiveismorelikelytorevealthemechanismthatexerciseimprovesexecutivefunction.Keyword：improvementbyexercise;executivefunction;mechanism;variablesetting;variablecontrol;人類社會的進(jìn)步是在發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的經(jīng)過中實(shí)現(xiàn)的,在這一系列的經(jīng)過中,大腦的執(zhí)行功能扮演著重要的角色。執(zhí)行功能是大腦多種認(rèn)知功能的集合,主要包含抑制、刷新、轉(zhuǎn)換3個子功能,它能夠加工、控制與協(xié)調(diào)各種認(rèn)知經(jīng)過,優(yōu)化人類認(rèn)知反響形式,進(jìn)而使大腦做出適宜的反響[1,2]。良好的執(zhí)行功能水平有助于人們更好地進(jìn)行計劃、推理、判定以及做出決定,而異常的執(zhí)行功能則與兒童注意缺陷多動障礙、抑郁癥、老年癡呆等多種精神疾病相關(guān)。尋找改善執(zhí)行功能的有效手段已成為多學(xué)科研究的重要前沿和熱門課題。以往的研究中,專門的心理訓(xùn)練是改善大腦執(zhí)行功能最主要的手段。但隨著多學(xué)科穿插研究的推進(jìn),從其他領(lǐng)域?qū)ふ腋纳茍?zhí)行功能的有效手段也已經(jīng)成為學(xué)者們研究的熱門。華而不實(shí)體育運(yùn)動因本身具有成本低、花費(fèi)少、易開展的特點(diǎn)而遭到廣泛關(guān)注。大量研究已經(jīng)證實(shí),運(yùn)動在一定程度上能夠有效地改善執(zhí)行功能,但運(yùn)動怎樣改善執(zhí)行功能這一問題還需要進(jìn)一步探究。本文對運(yùn)動改善執(zhí)行功能機(jī)制相關(guān)的文獻(xiàn)進(jìn)行綜述,從分子生物學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)的角度討論運(yùn)動影響執(zhí)行功能的機(jī)制,同時分析相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究中需要考慮的變量設(shè)置及實(shí)驗(yàn)控制,為進(jìn)一步探究運(yùn)動改善執(zhí)行功能的機(jī)制提供參考。1、運(yùn)動改善執(zhí)行功能的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制1.1、運(yùn)動改善刷新功能的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制作為重要的執(zhí)行功能,記憶刷新功能會影響我們?nèi)粘Ｉ畹母鞣N活動。研究發(fā)現(xiàn),運(yùn)動能夠通過改變相關(guān)腦區(qū)不同部位的激活程度和范圍來改善記憶刷新功能[3,4]。牽涉的主要腦區(qū)有背外側(cè)前額葉、扣帶回、頂葉、顳葉、枕葉、海馬區(qū)以及小腦等[3]。已有研究表示清楚,背外側(cè)前額葉和背側(cè)前扣帶被以為是工作記憶編碼網(wǎng)絡(luò)的一部分,前者與編碼和信息操作相關(guān),后者與行為調(diào)整相關(guān)[5]。來自腦影像學(xué)的研究結(jié)果顯示,工作記憶多感覺信息編碼牽涉的相關(guān)大腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括頂葉皮層的角回和右側(cè)前楔葉、前額葉皮層的右側(cè)額上回和前扣帶回,以及感覺聯(lián)合皮層如左側(cè)枕中回、右側(cè)顳上回等[4]。另外后扣帶回在個體調(diào)節(jié)與平衡機(jī)體內(nèi)外環(huán)境導(dǎo)向中發(fā)揮著重要的作用,其激活程度的加強(qiáng)與工作記憶表現(xiàn)存在正相關(guān)[3]。這些腦區(qū)功能及其互相聯(lián)絡(luò)的改變,優(yōu)化了記憶刷新功能的腦激活形式。運(yùn)動還能夠引起記憶刷新功能相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和重組,提高腦功能局部一致性,進(jìn)而改善刷新功能[6]。Voss等人對老年人進(jìn)行為期1年的有氧運(yùn)動干涉后發(fā)現(xiàn),有氧訓(xùn)練增加了在默認(rèn)形式網(wǎng)絡(luò)和額前執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)中額、后、顳皮層之間的功能連接,而功能連接的增加與執(zhí)行功能的改善相關(guān)[7]。方曉靜的研究表示清楚,雙側(cè)背外側(cè)前額葉和背側(cè)前扣帶皮層之間,以及右側(cè)背外側(cè)前額葉和左側(cè)眶額-腦島皮層之間的靜息態(tài)功能連接與工作記憶表現(xiàn)正相關(guān)[5]。還有研究發(fā)現(xiàn),執(zhí)行功能的實(shí)現(xiàn)依靠于前額葉皮層與其他皮層及皮層下區(qū)域之間的動態(tài)交互作用[8]。以上分析提示,運(yùn)動能夠通過改變前額葉、扣帶回等相關(guān)腦區(qū)不同部位的激活程度和范圍,增加相關(guān)腦區(qū)之間功能網(wǎng)絡(luò)連接等方式來改善記憶刷新功能。1.2、運(yùn)動改善抑制功能的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制諸多的研究表示清楚,運(yùn)動能夠通過改變相關(guān)腦區(qū)激活形式、增加腦區(qū)之間功能網(wǎng)絡(luò)連接等方式改善抑制控制功能[6,9,10]。從腦區(qū)激活角度看,運(yùn)動能夠改變與抑制控制功能相關(guān)腦區(qū)的激活形式。一項(xiàng)關(guān)于身體活動改善藥物成癮戒斷者腦功能損傷的研究發(fā)現(xiàn),提高身體活動量可促進(jìn)藥物成癮者大腦功能損傷的改善,詳細(xì)表現(xiàn)為:活動組比久坐組的低頻振幅值在雙側(cè)腦島、左側(cè)眶部額下回、雙側(cè)內(nèi)側(cè)額上回、左側(cè)前扣帶回、左側(cè)枕上回、左側(cè)補(bǔ)充運(yùn)動區(qū)顯著升高,這些顯著差異腦區(qū)主要與成癮的抑制功能有關(guān)。相關(guān)的研究也發(fā)現(xiàn),右背外側(cè)前額葉和額極區(qū)富含抑制神經(jīng)元,前扣帶回富含興奮性神經(jīng)元,右側(cè)背外側(cè)前額葉和額極區(qū)均受前扣帶回的支配,在認(rèn)知控制中承當(dāng)不同的角色[10]。這些研究表示清楚運(yùn)動引起的前額葉(以背外側(cè)和腹外側(cè)為主)、前扣帶回、頂葉、紋狀體(腹側(cè))、伏隔核、運(yùn)動皮層和小腦等腦區(qū)激活形式的改變與抑制控制功能的改善有關(guān)。運(yùn)動條件下激活的腦區(qū)還能夠通過加強(qiáng)腦網(wǎng)絡(luò)之間的連接程度改善抑制控制功能[6]。已有的研究表示清楚,腹外側(cè)前額葉、前扣帶回和雙側(cè)額極協(xié)同激活加強(qiáng),支持注意控制需求增加時引起的相應(yīng)反響選擇、抑制功能和目的控制的加強(qiáng)[9]。因而,運(yùn)動改善抑制控制功能的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制主要是:運(yùn)動通過改變前額葉(以背外側(cè)和腹外側(cè)為主)、前扣帶回、頂葉、紋狀體(腹側(cè))、運(yùn)動皮層和小腦等主要腦區(qū)的激活形式,加強(qiáng)這些主要腦區(qū)之間的連接。1.3、運(yùn)動改善轉(zhuǎn)換功能的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制良好的轉(zhuǎn)換功能能夠使個體根據(jù)環(huán)境的變化改變自個的行為方式及觀念。與運(yùn)動改善認(rèn)知靈敏性相關(guān)的腦區(qū)主要有:前額葉(額極區(qū))、扣帶回、紋狀體(腹背側(cè))、下丘腦、小腦等。由這些腦區(qū)構(gòu)成的腦網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)激活能夠提升個體的轉(zhuǎn)換能力。比方,一項(xiàng)探尋求索認(rèn)知靈敏性相關(guān)腦網(wǎng)絡(luò)動態(tài)演化的研究表示清楚,認(rèn)知靈敏性主要依靠于額頂網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)激活,前額極介入任務(wù)切換前的跨試次準(zhǔn)備經(jīng)過,而背側(cè)額區(qū)介入試次內(nèi)的即時任務(wù)切換,且左右兩側(cè)額區(qū)功能不同[11]。從腦構(gòu)造角度看,運(yùn)動還能夠改變相關(guān)腦區(qū)的體積,進(jìn)而改善轉(zhuǎn)換功能。陳愛國等人發(fā)現(xiàn)11周運(yùn)動干涉提升了聾啞兒童完成執(zhí)行功能任務(wù)的能力,并且運(yùn)動干涉所導(dǎo)致的聾啞兒童執(zhí)行功能改善與聾啞兒童右側(cè)小腦前部的灰質(zhì)體積減小存在顯著正相關(guān)[12]。也有研究表示清楚,有氧能力能夠提高老年人多個腦區(qū)的灰質(zhì)體積[13]。這講明運(yùn)動能夠通過改變相關(guān)腦區(qū)內(nèi)灰質(zhì)和白質(zhì)的體積改善執(zhí)行功能。以上研究表示清楚,運(yùn)動改善認(rèn)知靈敏性(轉(zhuǎn)換功能)的機(jī)制為:激活前額葉(額極區(qū))、扣帶回、紋狀體、下丘腦、小腦等主要腦區(qū),加強(qiáng)這些腦區(qū)之間的連接以及改變相關(guān)腦區(qū)內(nèi)灰質(zhì)與白質(zhì)的體積。上述分析提示,運(yùn)動能夠改變前額葉(背外側(cè)和腹外側(cè))、扣帶回(以前扣帶回為主)、小腦、頂葉、紋狀體(腹側(cè))等腦區(qū)的激活形式,增加這些腦區(qū)之間的功能網(wǎng)絡(luò)連接,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對執(zhí)行功能三個子功能的改善。由于各子功能所負(fù)責(zé)的認(rèn)知任務(wù)不同,這也導(dǎo)致運(yùn)動在改善各子功能時所激活腦區(qū)的部位以及范圍存在一定的差異。另外,運(yùn)動改善執(zhí)行功能的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制研究更多集中于運(yùn)動對腦網(wǎng)絡(luò)功能連接以及腦激活形式影響方面的探究,而運(yùn)動通過影響腦區(qū)構(gòu)造進(jìn)而改善執(zhí)行功能的研究相對較少。相關(guān)研究應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對該方面的探尋求索,進(jìn)而愈加全面地解釋運(yùn)動改善執(zhí)行功能的機(jī)制。2、運(yùn)動改善執(zhí)行功能的分子生物學(xué)機(jī)制已有的研究表示清楚,適宜的運(yùn)動對執(zhí)行功能有促進(jìn)作用,但其潛在的分子機(jī)制尚不清楚[6,14]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),運(yùn)動能夠增加激素、生長因子、神經(jīng)遞質(zhì)等物質(zhì)的釋放,同時能夠加強(qiáng)相關(guān)腦區(qū)的基因表示出以及改善腦組織的抗氧化能力,這些分子生物學(xué)指標(biāo)的改變能夠有效的改善執(zhí)行功能[15,16,17,18,19,20,21]。2.1、運(yùn)動改善刷新功能的分子生物學(xué)機(jī)制研究表示清楚,運(yùn)動會影響某些神經(jīng)遞質(zhì)的合成和釋放,而由運(yùn)動引起的神經(jīng)遞質(zhì)的增加能夠激活不同的信號傳導(dǎo)通路,提高突觸傳遞的效能[14,15]。研究發(fā)現(xiàn),適宜負(fù)荷的運(yùn)動能夠適當(dāng)提高大鼠前額葉皮質(zhì)、海馬組織等腦區(qū)中一氧化氮及一氧化氮合成酶的含量,進(jìn)而提高大腦認(rèn)知水平[15]。另外被運(yùn)動激活的前額葉神經(jīng)活動受多巴胺水平調(diào)節(jié),華而不實(shí)前額葉多巴胺D1信號受體在維持穩(wěn)定的工作記憶表示方面起著重要的作用[16]。除此之外,多巴胺對大腦活動的影響受基因變量的調(diào)節(jié)。在工作記憶處理經(jīng)過中,某一多巴胺受體沖動劑與多巴胺D2受體基因型互相作用,能夠調(diào)節(jié)與負(fù)荷相關(guān)的前額葉活動[22]。另外,多巴胺D3受體基因rs167771位點(diǎn)的多態(tài)性對紋狀體和背外側(cè)前額葉之間的連接存在影響,而兩個腦區(qū)之間連接程度的加強(qiáng)有利于改善記憶刷新功能[14]。從相關(guān)腦區(qū)基因表示出角度看,適宜的運(yùn)動還會影響相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄,進(jìn)而促進(jìn)新突觸的聯(lián)絡(luò)。研究發(fā)現(xiàn),長期中等負(fù)荷游泳運(yùn)動能夠上調(diào)額葉ORX-AmRNA表示出,提高大鼠空間記憶能力;而過度負(fù)荷的游泳運(yùn)動則會下調(diào)額葉OX1R-mRNA表示出,損害大鼠的空間記憶能力[17]。這講明運(yùn)動能夠通過加強(qiáng)相關(guān)腦區(qū)神經(jīng)物質(zhì)的基因表示出改善記憶刷新功能。運(yùn)動還會增加神經(jīng)生長因子和神經(jīng)保衛(wèi)因子的釋放,如腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子、胰島素樣生長因子-1、N-甲基天冬氨酸受體等,這些神經(jīng)因子在運(yùn)動促進(jìn)刷新功能中起著關(guān)鍵作用[23,24]。另外,由運(yùn)動引起的一些激素的增加也會介入記憶刷新功能的改善。有研究表示清楚,前額葉皮質(zhì)具有高密度的糖皮質(zhì)激素受體,使其對壓力引起的皮質(zhì)醇濃度變化敏感,皮質(zhì)醇水平的增加極易影響前額葉介導(dǎo)的工作記憶經(jīng)過[18]。還有研究發(fā)現(xiàn),接受耐力訓(xùn)練的中老年人有較好的心肺耐力和記憶表現(xiàn),這與血液胰島素水平有一定的關(guān)系[14];運(yùn)動能夠改善胰島素的阻抗現(xiàn)象,進(jìn)而對認(rèn)知功能產(chǎn)生積極的影響[14]。另外,前額葉活性也會遭到去甲腎上腺素的調(diào)節(jié)[19]。2.2、運(yùn)動改善抑制功能的分子生物學(xué)機(jī)制研究發(fā)現(xiàn),前額皮質(zhì)紋狀體系統(tǒng)中的伏隔核介入抑制控制經(jīng)過,而該腦區(qū)中的多巴胺D1和D2受體則扮演著不同的角色[25]。伏隔核中多巴胺D1受體的強(qiáng)直激活能夠調(diào)節(jié)抑制反響控制,而由神經(jīng)興奮劑安非他命引起的沖動反響的增加更多地依靠于伏隔核區(qū)域多巴胺D2受體的激活[25]。另外,由運(yùn)動引起的去甲腎上腺素釋放的增加也會影響執(zhí)行功能的抑制功能。有實(shí)驗(yàn)研究了腎上腺素受體沖動劑對抑制反響控制的影響,發(fā)現(xiàn)去甲腎上腺素轉(zhuǎn)運(yùn)抑制劑改善了抑制反響的控制,表示清楚去甲腎上腺素介入調(diào)節(jié)抑制反響控制的經(jīng)過[26]。運(yùn)動影響激素釋放來改善抑制功能的機(jī)制還具體表現(xiàn)出在神經(jīng)肽Y上。神經(jīng)肽Y系統(tǒng)與經(jīng)典的神經(jīng)傳遞素協(xié)同作用,能夠調(diào)節(jié)自主、情感和認(rèn)知經(jīng)過在內(nèi)的多種功能。研究發(fā)現(xiàn),神經(jīng)肽YY5受體拮抗劑LuAE00654對大鼠沖動和皮質(zhì)紋狀體的回路有影響,低劑量LuAE00654(0.03mg/kg)可選擇性促進(jìn)反響抑制,而高劑量(0.3mg/kg和3mg/kg)則無影響,并且LuAE00654也加強(qiáng)了背側(cè)額葉皮質(zhì)對尾殼神經(jīng)元的抑制作用[20]。這些結(jié)果提示,神經(jīng)肽Y系統(tǒng)調(diào)節(jié)了對沖動控制重要的腦區(qū)抑制神經(jīng)傳遞。2.3、運(yùn)動改善轉(zhuǎn)換功能的分子生物學(xué)機(jī)制由運(yùn)動引起的多巴胺神經(jīng)遞質(zhì)的釋放不僅能夠改善記憶刷新、抑制控制功能而且對執(zhí)行功能中的轉(zhuǎn)換子功能也有一定的影響。研究發(fā)現(xiàn),額葉、紋狀體及前扣帶皮層區(qū)域中多巴胺的平衡對調(diào)節(jié)認(rèn)知靈敏性至關(guān)重要[27]。運(yùn)動激活的多巴胺能夠通過紋狀體和前扣帶回皮層的D2受體影響設(shè)定的轉(zhuǎn)移任務(wù)的表現(xiàn),而在前額葉中,D1受體能夠調(diào)節(jié)這一表現(xiàn)[27]。表示清楚多巴胺的D1和D2受體在調(diào)節(jié)認(rèn)知靈敏性任務(wù)中所發(fā)揮的作用有所差異不同,華而不實(shí)D2受體與認(rèn)知靈敏性不同方面的調(diào)節(jié)關(guān)系愈加密切。另外腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子信號可能通過維持紋狀體多巴胺能谷氨酰胺的互相作用來影響認(rèn)知靈敏性[28]。相類似的因子還有N-甲基天冬氨酸受體和5-羥色胺受體,N-甲基天冬氨酸受體能夠影響前額葉皮層的正常功能,該受體的高表示出是前額葉皮層選擇性學(xué)習(xí)和靈敏性行為轉(zhuǎn)換功能所必需的[29]。而運(yùn)動能夠使5-羥色胺受體6高度表示出進(jìn)而提高策略切換的性能[21]。上述分析表示清楚,運(yùn)動能夠通過加強(qiáng)神經(jīng)信息傳遞改善執(zhí)行功能,華而不實(shí)多巴胺是重要因子。多巴胺的不同受體不僅在執(zhí)行功能各子功能扮演著重要而又不同的角色,而且由運(yùn)動引起的多巴胺基因多樣性以及相關(guān)生長因子的變化也介入到執(zhí)行功能改善中。另外運(yùn)動干涉導(dǎo)致的相關(guān)不同激素和不同生長因子的釋放也會選擇性地影響執(zhí)行功能的各子功能,進(jìn)而到達(dá)改善執(zhí)行功能的目的。3、運(yùn)動改善執(zhí)行功能相關(guān)研究的變量設(shè)置與控制3.1、運(yùn)動改善執(zhí)行功能相關(guān)研究的變量設(shè)置3.1.1、運(yùn)動項(xiàng)目不同運(yùn)動項(xiàng)目對執(zhí)行功能的影響主要具體表現(xiàn)出在運(yùn)動項(xiàng)目本身的動作技術(shù)特點(diǎn)以及所處的運(yùn)動情境兩個方面。認(rèn)知介入度高、背景環(huán)境復(fù)雜的運(yùn)動不僅能夠促進(jìn)人的生理喚醒,還能更大程度地激活與認(rèn)知相關(guān)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而改善執(zhí)行功能水平。從運(yùn)動技術(shù)本身的復(fù)雜程度來看,簡單與精細(xì)運(yùn)動存在著相對特異性的腦機(jī)制:與簡單運(yùn)動相比,手足的精細(xì)運(yùn)動需要更多腦區(qū)介入[30]。從運(yùn)動情境對認(rèn)知影響的角度看,進(jìn)行情境復(fù)雜的運(yùn)動時,由于需要更高層次的認(rèn)知介入,需要調(diào)動更多的神經(jīng)回路,提高前額葉區(qū)域的活性水平,最終使執(zhí)行功能得到提高。上述分析表示清楚,技術(shù)動作認(rèn)知介入高、背景環(huán)境復(fù)雜的運(yùn)動項(xiàng)目更有利于執(zhí)行功能的改善。3.1.2、運(yùn)動強(qiáng)度當(dāng)前關(guān)于不同運(yùn)動強(qiáng)度對認(rèn)知表現(xiàn)的影響有兩種理論假講;一種是喚醒理論假講(倒U假設(shè)),另一種是驅(qū)動理論假講。喚醒理論假講以為,中等負(fù)荷的運(yùn)動比高強(qiáng)度或低強(qiáng)度的運(yùn)動更有利于認(rèn)知。詳細(xì)表現(xiàn)為中等負(fù)荷的運(yùn)動能夠使兒茶酚胺(如多巴胺、去甲腎上腺素和5-羥色胺)得到最佳的釋放,增加中樞神經(jīng)系統(tǒng)普遍的生物喚醒效應(yīng),合理分配認(rèn)知資源[31]。而驅(qū)動理論則以為高強(qiáng)度運(yùn)動能夠得到認(rèn)知改善的最大效果。相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn),與低強(qiáng)度運(yùn)動方案相比,高強(qiáng)度的方案使腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子含量增幅更大,有利于發(fā)揮其對神經(jīng)構(gòu)造和功能可塑性的調(diào)節(jié)作用[32]。3.1.3、運(yùn)動時間長期運(yùn)動能夠通過提升神經(jīng)信息處理、影響相關(guān)的腦區(qū)功能連接、調(diào)節(jié)相關(guān)重要生長因子以及提高腦區(qū)活化程度等機(jī)制來提升認(rèn)知表現(xiàn)[14]。Voss等人報告了經(jīng)過12個月的有氧(步行)干涉后,副海馬與雙側(cè)顳葉皮層以及枕部和頂骨區(qū)域之間的連接加強(qiáng)。心血管健康假講以為,長期運(yùn)動會通過加強(qiáng)心血管健康而影響執(zhí)行功能[33]。長期的體育鍛煉能夠增加集中在前額葉、頂葉與部分顳葉等腦區(qū)的氧飽和度和腦血流量[34];而這些部位都與執(zhí)行功能存在直接關(guān)系。另外,體育鍛煉能夠改善機(jī)體的血管密度,促進(jìn)毛細(xì)血管的生成,這在一定程度上有利于腦的可塑性[35]。上述分析表示清楚,運(yùn)動時間的控制在運(yùn)動改善執(zhí)行功能的研究中發(fā)揮著重要作用。3.2、運(yùn)動改善執(zhí)行功能相關(guān)研究的變量控制3.2.1、性別固然到當(dāng)前為止還沒有證據(jù)直接證明運(yùn)動對不同性別在認(rèn)知上的影響不同,但有少數(shù)研究支持性別差異確實(shí)存在。研究報道,女性的執(zhí)行功能更能從鍛煉中獲益[36]。近期在成年小鼠和人類身上的研究初步表示清楚不同性別進(jìn)行運(yùn)動時誘導(dǎo)的腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子量的增加存在差異,但詳細(xì)哪種性別的加強(qiáng)效果更好仍然存在爭議[37]。腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子某些功能和機(jī)制在性別上存在差異[38],講明運(yùn)動對大腦和潛在機(jī)制的影響可能與性別有關(guān)。運(yùn)動對執(zhí)行功能影響在性別上的差異可能與不同性別之間腦部體積和連接差異有關(guān)。對人類和嚙齒類動物的研究結(jié)果表示清楚,運(yùn)動后,雌性和雄性的杏仁核、海馬、前額葉構(gòu)造和電路會有不同的反響[39]。通過分析能夠揣測,性別在運(yùn)動改善執(zhí)行功能機(jī)制中有重要的調(diào)節(jié)作用,并且這種調(diào)節(jié)作用的發(fā)揮與運(yùn)動引起的不同性別之間腦部體積和連接的差異有關(guān)。3.2.2、年齡就年齡而言,盡管有研究表示清楚運(yùn)動能夠激活兒童、大學(xué)生和老年人大腦皮層的額葉和頂葉等相關(guān)腦區(qū),但運(yùn)動對不同年齡人群腦區(qū)的激活形式存在一定的差異。比方,Tsujimoto等人考察了成人和5～6歲兒童在完成一樣的工作記憶任務(wù)時雙側(cè)前額葉(與執(zhí)行功能相關(guān)的腦區(qū)域)皮質(zhì)的活動狀況,結(jié)果顯示成人在工作記憶經(jīng)過中左側(cè)前額葉起主導(dǎo)作用,而兒童在記憶經(jīng)過則是右側(cè)前額葉起主導(dǎo)作用[40]。另外,與老年人相比,年輕人的皮層關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有更大的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)功能連接[41]。通過以上的分析能夠得出,由年齡導(dǎo)致的腦區(qū)激活形式和腦部網(wǎng)絡(luò)連接差異是客觀存在的,而這些差異會影響不同年齡人群執(zhí)行功能的發(fā)展,這反映出年齡是影響運(yùn)動改善執(zhí)行功能的重要因素。除此之外,探究不同年齡人群關(guān)于運(yùn)動改善執(zhí)行功能的特點(diǎn)是有必要的。3.2.3、被試者身體狀況先前研究表示清楚,與較差的身體狀況相比,較好的身體狀況通常預(yù)示著更好的執(zhí)行功能[42]。另外,肥胖可以能會影響運(yùn)動對執(zhí)行功能的改善效果。研究發(fā)現(xiàn),有氧運(yùn)動可通過激活肥胖大鼠前額葉相關(guān)通路抑制細(xì)胞凋亡,促進(jìn)神經(jīng)可塑性相關(guān)蛋白質(zhì)表示出,而高脂飲食可導(dǎo)致肥胖大鼠前額葉神經(jīng)可塑性相關(guān)蛋白質(zhì)表示出下降[43]。相關(guān)研究還發(fā)現(xiàn),心肺耐力與相關(guān)皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的功能連接具有正相關(guān)關(guān)系,華而不實(shí)在默認(rèn)形式網(wǎng)絡(luò)中效果最強(qiáng)[41]。提示運(yùn)動可能通過提高心肺耐力進(jìn)而影響與執(zhí)行功能相關(guān)的皮質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的連接。3.2.4、被試者文化程度受教育的程度也會影響個體的執(zhí)行功能水平。研究發(fā)現(xiàn),文化程度越高的個體執(zhí)行功能總體水平越高,而執(zhí)行功能水平不同的個體遭到運(yùn)動影響的效果也會不同[44]。文化程度對執(zhí)行功能的影響可能與認(rèn)知儲備的增加有關(guān),認(rèn)知儲備是能夠改變的,并且教育、職業(yè)素質(zhì)、業(yè)余活動等能夠增加認(rèn)知儲備[44]。這提示我們被試者的文化程度也是影響運(yùn)動改善執(zhí)行功能的重要調(diào)節(jié)因子。3.2.5、測試任務(wù)在多數(shù)相關(guān)研究中,運(yùn)動改善執(zhí)行功能的效果主要具體表現(xiàn)出在相關(guān)測試任務(wù)的完成情況。有研究發(fā)現(xiàn),在不同的執(zhí)行功能測試任務(wù)中,激活的神經(jīng)部位也不完全一樣。Stroop任務(wù)(英語文字處理)能夠使右側(cè)半球出現(xiàn)更多的神經(jīng)激活,而箭頭Stroop任務(wù)(空間處理)則使左側(cè)半球出現(xiàn)更多的神經(jīng)激活[45]。神經(jīng)活性表現(xiàn)出的差異講明了腦區(qū)在應(yīng)對不同難度認(rèn)知任務(wù)時所動用的神經(jīng)資源存在差異不同[46]。這些問題會不同程度地影響到實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果,在實(shí)驗(yàn)設(shè)計時需要盡量減少這一問題的出現(xiàn)。4、總結(jié)與瞻望4.1、關(guān)于運(yùn)動影響執(zhí)行功能的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制諸多的研究從不同層面討論了運(yùn)動與腦功能的關(guān)系,這有利于揭示運(yùn)動改善執(zhí)行功能的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制。將來的研究能夠考慮更多地借用影像學(xué)手段,從運(yùn)動對腦構(gòu)造、功能的可塑性角度出發(fā),對運(yùn)動改善執(zhí)行功能的神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制進(jìn)行多層面的分析(如大腦網(wǎng)絡(luò)整合性、腦皮層厚度[47]、灰質(zhì)體積[12]、腦局部激活[3]等)。除此之外,應(yīng)進(jìn)一步完善相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計,通過觀察不同認(rèn)知任務(wù)下大腦的影像學(xué)變化客觀地揭示運(yùn)動改善執(zhí)行功能的機(jī)制。4.2、關(guān)于運(yùn)動影響執(zhí)行功能的分子生物學(xué)機(jī)制盡管諸多的研究運(yùn)用與腦部認(rèn)知相關(guān)的分子生物學(xué)指標(biāo)討論了運(yùn)動改善腦部認(rèn)知功能的分子生物學(xué)機(jī)制并獲得了一定的成果,但是對運(yùn)動改善執(zhí)行功能分子生物學(xué)機(jī)制的研究還特別有限,并且獲得的成果量呈現(xiàn)非平衡性。將來應(yīng)進(jìn)一步研究運(yùn)動怎樣提高神經(jīng)信息傳遞的效率以及運(yùn)動引起的激素分泌變化的機(jī)制。除此之外,還要考慮尋找與運(yùn)動改善執(zhí)行功能相關(guān)的效應(yīng)基因以及相關(guān)基因的多態(tài)性。4.3、關(guān)于相關(guān)研究的變量設(shè)置與控制將來還需要進(jìn)一步探究其他因素對運(yùn)動改善執(zhí)行功能的影響,進(jìn)而更嚴(yán)格地控制相關(guān)變量以確保實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性和科學(xué)性。研究發(fā)現(xiàn),腦內(nèi)一些微量元素的含量會影響執(zhí)行功能的發(fā)展。比方,早期鐵缺乏會通過損傷髓鞘化、多巴胺等單胺類神經(jīng)遞質(zhì),海馬、前額葉和紋狀體的代謝和功能影響認(rèn)知的發(fā)展[48];白藜蘆醇(一種具有血管擴(kuò)張的多酚)的攝入也會導(dǎo)致前額葉皮層血容量的增加。類似的元素還有葉酸、維生素B12、鋅、維生素D等[48,49],這些元素或物質(zhì)都能夠從食物中獲取。這講明運(yùn)動對執(zhí)行功能的改善同樣也受膳食的影響。除此之外,近十年來在運(yùn)動和非運(yùn)動人群中利用營養(yǎng)補(bǔ)充劑來調(diào)節(jié)認(rèn)知能力的研究越來越流行。合理的膳食與適宜的運(yùn)動相結(jié)合對改善執(zhí)行功能將會有更好的效果。提示將來也需要從飲食變量控制的視角進(jìn)行探究。4.4、關(guān)于運(yùn)動改善執(zhí)行功能機(jī)制的整體考慮綜上所述,運(yùn)動改善執(zhí)行功能是極其復(fù)雜的現(xiàn)象,受多種因素的影響。因而要想完全地揭示運(yùn)動改善執(zhí)行功能的機(jī)制就需要從心理學(xué)、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)、生物學(xué)以及社會學(xué)等多個學(xué)科綜合的視角進(jìn)行整合的研究。以下為參考文獻(xiàn)[1]HILLMANCH,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