有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)肥胖青少兒認(rèn)知能力的應(yīng)用效率研究

摘要：肥胖在當(dāng)今社會(huì)日趨普遍，已經(jīng)被定義成一種公共健康疾病。肥胖不但會(huì)引起各種生理疾病，且會(huì)對(duì)大腦認(rèn)知功能造成負(fù)面影響。青少兒時(shí)期是認(rèn)知功能發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，此階段的肥胖會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷認(rèn)知功能，以致影響學(xué)業(yè)成績甚至降低個(gè)體生活質(zhì)量，為此積極研究如何對(duì)青少兒時(shí)期的肥胖進(jìn)行干預(yù)，進(jìn)一步改善和提高其認(rèn)知健康水平刻不容緩。因此，本文通過綜述相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，有氧運(yùn)動(dòng)不僅能提升肥胖青少兒的體質(zhì)健康，還能顯著改善其認(rèn)知能力。其改善機(jī)制可能是由于體力活動(dòng)改善中樞神經(jīng)系統(tǒng)中BDNF、IGF-1和VEGF的表達(dá)及腦結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性變化。未來的研究應(yīng)加強(qiáng)對(duì)不同運(yùn)動(dòng)類型對(duì)認(rèn)知能力影響及其影響機(jī)制的研究，以期促進(jìn)青少兒生理與心理健康發(fā)展。

關(guān)鍵詞：有氧運(yùn)動(dòng);肥胖;青少兒;認(rèn)知功能

1 前言

目前，青少年兒童超重已成為健康問題，且青少兒時(shí)期是認(rèn)知功能發(fā)展的黃金階段，此階段是大腦對(duì)外界環(huán)境刺激最敏感的時(shí)期，體重指數(shù)增加與腦容量減少密切相關(guān)，肥胖患者可能存在輕微的腦部萎縮，同時(shí)可能存在認(rèn)知功能下降，而通過健身運(yùn)動(dòng)這樣的外在刺激能對(duì)認(rèn)知功能帶來顯著影響。世界衛(wèi)生組織指出，超重和肥胖是全球引起死亡的第五大風(fēng)險(xiǎn)，全球每年“胖死”的人至少達(dá)280萬人。越來越多的研究揭示，當(dāng)前這種典型的久坐不動(dòng)、身體活動(dòng)不足的生活方式正是導(dǎo)致代謝失調(diào)、肥胖、II型糖尿病、代謝紊亂等靜坐少動(dòng)綜合征的“元兇”。不僅如此，它還將影響認(rèn)知健康。所謂認(rèn)知健康是指“清晰思考，學(xué)習(xí)和記憶的能力，涉及揭示大腦如何隨著年齡的增長而變化，以及如何保持大腦的認(rèn)知功能處于最佳狀態(tài)”。因以，為了推動(dòng)兒童健康教育的發(fā)展，提高兒童體質(zhì)水平，本研究從兒童青少年肥胖導(dǎo)致的認(rèn)知損傷、有氧鍛煉干預(yù)提高兒童認(rèn)知能力與體力活動(dòng)對(duì)兒童青少年認(rèn)知功能影響的機(jī)制三方面對(duì)現(xiàn)有的文獻(xiàn)成果進(jìn)行綜述。

2 青少兒肥胖與認(rèn)知能力關(guān)系

最近一期The Lancet Neurology發(fā)表了一篇標(biāo)題為《肥胖對(duì)神經(jīng)的影響》的綜述，明確指出肥胖對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)（包括腦和脊髓）的不良影響（如表1），尤其是對(duì)大腦認(rèn)知功能影響顯著，并引用了130篇前瞻性研究成果證實(shí)肥胖增加輕度認(rèn)知障礙風(fēng)險(xiǎn)，這一作用不受年齡限制。認(rèn)知是人類心理活動(dòng)的一種，是指個(gè)體認(rèn)識(shí)和理解事物的心理過程，在處理日常生活中的事件起著至關(guān)重要的作用，其包含了知覺、注意、學(xué)習(xí)、記憶、問題解決等子功能。認(rèn)知功能可以根據(jù)信息加工流程及其任務(wù)范式的復(fù)雜程度區(qū)分為基本認(rèn)知功能與高階認(rèn)知功能。

2.1 肥胖對(duì)青少兒基本認(rèn)知功能的影響

基本認(rèn)知功能是用以描述簡單反應(yīng)作業(yè)層面的認(rèn)知功能。Flanker任務(wù)是用以測試人類認(rèn)知功能的心理學(xué)實(shí)驗(yàn)范式，廣泛應(yīng)用于心理學(xué)研究中。該任務(wù)含有一致刺激條件與不一致刺激條件。一致刺激條件為簡單任務(wù)，要求被試進(jìn)行選擇反應(yīng)判斷（對(duì)5個(gè)方向一致的箭頭進(jìn)行左/右方向的選擇），反映基本認(rèn)知功能;而不一致刺激條件為復(fù)雜任務(wù)，反映高階認(rèn)知功能，要求被試在左右各有2個(gè)與目標(biāo)刺激方向相反箭頭的干擾下，辨別出目標(biāo)刺激箭頭的方向，該過程包括抑制優(yōu)勢反應(yīng)，抵抗令人分心的或擾亂性的競爭性刺激，選擇正確合適的反應(yīng)。解淳等為了探究肥胖青少年的認(rèn)知特點(diǎn)，從上海某減重訓(xùn)練營招募了37名青少年作為肥胖組（BMI指數(shù)大于28 kg/ m2），從上海某中學(xué)隨機(jī)抽取26名正常體質(zhì)青少年作為對(duì)照組（BMI指數(shù)介于18至24 kg/m2）進(jìn)行改編版的Flanker任務(wù)測試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在一致測試條件下，肥胖組的反應(yīng)時(shí)顯著低于正常組，且BMI越高基本認(rèn)知功能越差，BMI與認(rèn)知功能呈中等程度的負(fù)相關(guān)。此研究反應(yīng)出與正常兒童相比較，肥胖兒童的基本認(rèn)知功能更差。

2.2 肥胖對(duì)青少兒執(zhí)行功能的影響

執(zhí)行功能功能是屬于認(rèn)知能力的一項(xiàng)高階認(rèn)知功能，它包括工作記憶、抑制、敏感度與注意力等。該系統(tǒng)可以塑造多重認(rèn)知和整個(gè)壽命的行為結(jié)果，包括特定的學(xué)術(shù)技能、智商（IQ）分?jǐn)?shù)和總體學(xué)校成就。中心EF技能包括工作記憶，問題解決，設(shè)定轉(zhuǎn)移，抑制控制，靈活思考和計(jì)劃。這些技能在幼兒時(shí)期迅速出現(xiàn)，在兒童后期和青少年時(shí)期繼續(xù)發(fā)展。執(zhí)行功能除了會(huì)影響簡單的學(xué)術(shù)知識(shí)之外，對(duì)于培養(yǎng)兒童在取得其他方面的成功也至關(guān)重要。有學(xué)者對(duì)神經(jīng)認(rèn)知功能、兒童肥胖和肥胖相關(guān)行為進(jìn)行文獻(xiàn)梳理回顧發(fā)現(xiàn)，肥胖兒童與健康體重的同齡人相比，肥胖兒童表現(xiàn)出執(zhí)行功能缺陷，特別是在對(duì)自身行為的抑制能力方面，同時(shí)肥胖兒童的執(zhí)行功能缺陷是健康同齡人的兩倍。此外，肥胖可能通過調(diào)節(jié)食欲的激素和脂肪組織的產(chǎn)物影響執(zhí)行功能。有專家研究發(fā)現(xiàn)，為了調(diào)節(jié)飽腹感和食物攝入而分泌的多種激素在肥胖的情況下會(huì)發(fā)生改變，包括在兒童人群中，并且這種改變會(huì)影響認(rèn)知。胃內(nèi)產(chǎn)生的饑餓素通過向下丘腦發(fā)出信號(hào)以增加食物攝入量來誘發(fā)饑餓，而低血清胃饑餓素則與肥胖相關(guān)，肥胖人群的血漿饑餓素水平比消瘦人群低。實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型顯示胃饑餓素激活通過影響學(xué)習(xí)和記憶相關(guān)的海馬區(qū)域進(jìn)而影響執(zhí)行功能。

綜上所述，肥胖兒童青少年無論在基本認(rèn)知功能還是在高階認(rèn)知功能兩種認(rèn)知層面都比正常體質(zhì)的兒童青少年更加弱勢。同時(shí)，個(gè)體越肥胖對(duì)認(rèn)知功能的傷害就越大。

3 有氧鍛煉對(duì)青少兒認(rèn)知功能的影響

運(yùn)動(dòng)不僅可以改善身體素質(zhì)，降低肥胖青少兒的體重，還有利于心理健康，提高認(rèn)知水平?！读~刀》精神病學(xué)分刊最近刊發(fā)了一篇涉及120萬人的研究，分析不同的運(yùn)動(dòng)對(duì)精神健康的影響程度。研究結(jié)果顯示，一周3-5次，每次60分鐘的運(yùn)動(dòng)可以提升大腦轉(zhuǎn)移注意、集中注意力的能力、降低心血管疾病死亡風(fēng)險(xiǎn);此外，Sardinha研究發(fā)現(xiàn)，健康和低脂的兒童青少年與不健康、高體脂的兒童青少年相比，健康和低脂的青少年在語言和數(shù)學(xué)上取得更高的學(xué)業(yè)成績的機(jī)率更高些，但心肺健康水平通常用有氧能力表征，即最大攝氧量VO2max或峰值攝氧量 VO2 peak）和肌肉力量的增強(qiáng)可以減弱甚至抵消肥胖對(duì)在兒童青少年的學(xué)術(shù)成就的不良影響。因此，本文僅從不同時(shí)長方面綜述有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)兒童認(rèn)知能力的影響。

3.1 急性有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)青少兒執(zhí)行功能的影響

急性有氧運(yùn)動(dòng)又稱短時(shí)運(yùn)動(dòng)、一次性運(yùn)動(dòng)，指持續(xù)時(shí)間在10～60分鐘左右的、以有氧代謝提供能量的一次運(yùn)動(dòng)。有研究發(fā)現(xiàn)，急性有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)兒童青少年認(rèn)知功能具有正向效應(yīng)。如陳愛國，趙莉，李煥玉（2014）等以揚(yáng)州市某小學(xué)四年級(jí)學(xué)生為研究對(duì)象。依據(jù)籃球運(yùn)球強(qiáng)度分為小強(qiáng)度組、中等強(qiáng)度組、大強(qiáng)度組和對(duì)照組，使用Flanker任務(wù)、1-back任務(wù)、More—oddshifting任務(wù)全面評(píng)價(jià)1次30min籃球運(yùn)球訓(xùn)練干預(yù)試驗(yàn)前后小學(xué)生執(zhí)行功能的抑制、刷新和轉(zhuǎn)換3個(gè)子功能的變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1次30min不同強(qiáng)度籃球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)小學(xué)生執(zhí)行功能均具有積極影響，但效果存在差異，中等強(qiáng)度籃球運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練對(duì)小學(xué)生執(zhí)行功能改善效果最好。陳愛國，殷恒嬋，王君（2011）等為探究短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)兒童執(zhí)行功能腦激活模式的影響，從腦系統(tǒng)的角度揭示短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)影響兒童執(zhí)行功能的腦機(jī)制，其結(jié)果顯示，一次30min左右的短時(shí)中等強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)兒童執(zhí)行功能產(chǎn)生積極的改善效應(yīng)且能使兒童執(zhí)行功能腦激活模式發(fā)生變化，具體表現(xiàn)為兒童執(zhí)行功能腦激活模式中的雙側(cè)額上回、雙側(cè)額中回、雙側(cè)項(xiàng)上小葉和左側(cè)頂下小葉激活程度增加，左側(cè)前扣帶回激活減弱。

3.2 長期有氧運(yùn)動(dòng)對(duì)青少兒學(xué)習(xí)記憶的影響

長期低強(qiáng)度、中等強(qiáng)度、高強(qiáng)度的有氧運(yùn)動(dòng)均能顯著提高兒童青少年學(xué)習(xí)記憶能力。如CHANG等將6-8歲兒童分為中強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)組和低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)組，分別進(jìn)行為期8周的足球訓(xùn)練，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩組的作業(yè)發(fā)現(xiàn)均有顯著進(jìn)步（反應(yīng)時(shí)減少，正確率提高）且不存在組別差異;同時(shí)研究結(jié)果還顯示，不論強(qiáng)度如何，為期8周、訓(xùn)練頻率為2次/周、訓(xùn)練時(shí)間為35min/次的足球訓(xùn)練皆能有效提升兒童的反應(yīng)抑制。DAVIS等將7～11歲超重、坐式生活兒童隨機(jī)分為高運(yùn)動(dòng)量有氧運(yùn)動(dòng)組、低運(yùn)動(dòng)量有氧運(yùn)動(dòng)組及控制組，進(jìn)行為期3個(gè)月的隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與不參加運(yùn)動(dòng)的控制組相比較，干預(yù)組的執(zhí)行功能、數(shù)學(xué)成績顯著高于控制組。

此外，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究也從生理學(xué)與行為學(xué)角度為長期有氧鍛煉可以提高兒童青少年認(rèn)知能力的觀點(diǎn)提供了支持性證據(jù)。

4 體力活動(dòng)對(duì)青少兒認(rèn)知功能影響的機(jī)制

4.1 體力活動(dòng)改善中樞神經(jīng)系統(tǒng)中BDNF、IGF-1和VEGF的表達(dá)

腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子廣泛分布于神經(jīng)系統(tǒng)中，是對(duì)神經(jīng)起重要調(diào)節(jié)作用的蛋白，它可以增加突觸可塑性（學(xué)習(xí)記憶活動(dòng)細(xì)胞水平的生物學(xué)基礎(chǔ)）以及促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生，尤其是海馬（人體記憶系統(tǒng)）的神經(jīng)發(fā)生，在體育鍛煉促進(jìn)認(rèn)知能力的過程中起到促進(jìn)作用（如圖1）。而BDNF介導(dǎo)神經(jīng)元的形成過程中，受到胰島素生長因子和血管內(nèi)皮生長因子的共同作用。BDNF人體試驗(yàn)表明，運(yùn)動(dòng)具有改善BDNF、IGF-1和VEGF的作用。一次體育鍛煉，無論是有氧運(yùn)動(dòng)還是抗阻運(yùn)動(dòng)，都能即刻促進(jìn)循環(huán)血液中BDNF、iGF-1或VEGF水平的增加，但運(yùn)動(dòng)后一段時(shí)間，這些因子恢復(fù)到原有水平。諸多研究發(fā)現(xiàn)，一次性運(yùn)動(dòng)后，BDNF、IGF-1、VEGF恢復(fù)到原有水平的時(shí)間和程度不同，這可能是由于運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、類型以及個(gè)體身體差異所造成的。長期運(yùn)動(dòng)可以不同程度提高BDNF、IGF-1和VEGF的水平，且三者內(nèi)部之間也密切相連。Ding等通過在海馬區(qū)內(nèi)部注射抗IGF-1，發(fā)現(xiàn)空間回憶的能力減弱，抗IGF-1阻斷了運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)激活鈣調(diào)蛋白激酶II以及促分裂原活化蛋白激酶，減弱了運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)突觸蛋白I的形成。此外，阻斷IGF-1信號(hào)也就阻止了運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)海馬區(qū)BDNF的應(yīng)答，減弱了運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)突觸蛋白的表達(dá)，下調(diào)了TrkB信號(hào)，阻斷了運(yùn)動(dòng)對(duì)現(xiàn)存神經(jīng)前體細(xì)胞的促進(jìn)作用。BDNF通過激活LTP的信號(hào)重要轉(zhuǎn)導(dǎo)通路-MAPK通路，進(jìn)而促進(jìn)突觸可塑性，可能是增強(qiáng)學(xué)習(xí)和記憶的直接的內(nèi)部機(jī)制。

4.2 大腦結(jié)構(gòu)適應(yīng)性變化

體力活動(dòng)引發(fā)的細(xì)胞和突觸的變化將帶來大腦宏觀尺度的變化。影像學(xué)的研究表明，體育鍛煉能夠?qū)θ祟愡\(yùn)動(dòng)相關(guān)腦區(qū)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。Ji等的研究發(fā)現(xiàn)，6周的有氧運(yùn)動(dòng)能夠提升老年人手部運(yùn)動(dòng)皮層、紋狀體和小腦的灰質(zhì)體積。由于紋狀體可能和體育運(yùn)動(dòng)過程中的中央執(zhí)行功能（如，注意和加工運(yùn)動(dòng)相關(guān)的信息）相關(guān)，且小腦和運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)作習(xí)得和精確化相關(guān)，因此可以推測體育鍛煉能夠通過改變大腦結(jié)構(gòu)促進(jìn)個(gè)體運(yùn)動(dòng)相關(guān)的認(rèn)知能力。除了運(yùn)動(dòng)相關(guān)的腦區(qū)，體育鍛煉也能夠?qū)ｑR和新皮層等腦區(qū)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。一些研究利用彌散張量成像技術(shù)，對(duì)腦白質(zhì)纖維束的體積進(jìn)行估計(jì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有氧訓(xùn)練能夠使海馬體積提升2%～16%。此外，一些研究利用體素形態(tài)學(xué)分析法，在全腦水平對(duì)體素類型做判斷，結(jié)果發(fā)現(xiàn)6個(gè)月的有氧訓(xùn)練和拉伸訓(xùn)練均能提升老年人大腦灰質(zhì)和白質(zhì)的體積，降低背側(cè)前扣帶皮層、背外側(cè)前額葉皮層、左側(cè)顳葉和頂葉區(qū)域腦組織的流失速率。Chaddock-Heyman L等就有氧運(yùn)動(dòng)引起海馬體積增大進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究，發(fā)現(xiàn)兒童中有氧能力高均引起基底神經(jīng)節(jié)體積 等白質(zhì)微結(jié)構(gòu)、額葉前皮層、上額皮質(zhì)、顳上區(qū)和枕葉外側(cè)皮質(zhì)的灰質(zhì)厚度、血管增生和微循環(huán)等適應(yīng)性變化。因此，基于多種形式的研究表明，體育鍛煉能夠通過改變大腦結(jié)構(gòu)促進(jìn)認(rèn)知功能。

5 結(jié)論與啟示

5.1 結(jié)論

通過回顧基于有氧鍛煉對(duì)肥胖青少兒認(rèn)知能力影響研究，可得到如下結(jié)論：肥胖青少兒在基本認(rèn)知功能及高階認(rèn)知功能方面都顯著低于正常體脂的青少兒，呈現(xiàn)出肥胖對(duì)認(rèn)知功能的負(fù)面影響;而有氧鍛煉作為一種健康、有效的干預(yù)方式，可以降低肥胖青少兒的體脂水平，改善身體健康;同時(shí)，有氧鍛煉在改善青少兒體質(zhì)健康的同時(shí)還能提高其認(rèn)知水平，促進(jìn)其健康成長。通過綜述發(fā)現(xiàn)，有氧鍛煉對(duì)兒童執(zhí)行功能及記憶能力的改善相關(guān)研究最多，且結(jié)論都呈現(xiàn)積極效應(yīng)。

5.2 啟示

但此類研究依然存在以下問題：①研究的運(yùn)動(dòng)類型過于單一相關(guān)研究多集中在有氧運(yùn)動(dòng)單一運(yùn)動(dòng)類型，僅有少量研究探究阻力運(yùn)動(dòng)、靈敏運(yùn)動(dòng)等其他類型運(yùn)動(dòng)對(duì)兒童認(rèn)知功能的影響。②運(yùn)動(dòng)“劑量效應(yīng)”尚不明確，多數(shù)研究在實(shí)驗(yàn)過程中缺乏多種“劑量效應(yīng)”的變量，未設(shè)置運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度對(duì)比，無法全面了解何種強(qiáng)度的運(yùn)動(dòng)能使認(rèn)知提高達(dá)到最大化。③研究所用的運(yùn)動(dòng)處方因人而異，差異較大，所聚焦的認(rèn)知功能也不盡相同。因此，建議研究擴(kuò)大運(yùn)動(dòng)類型，并進(jìn)一步對(duì)運(yùn)動(dòng)類型進(jìn)行細(xì)分，如體能性鍛煉與技能性學(xué)習(xí)對(duì)肥胖青少兒認(rèn)知健康的影響;規(guī)范實(shí)驗(yàn)變量，針對(duì)身體活動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行明確界定與分級(jí);明確認(rèn)知功能所屬子功能，加強(qiáng)研究的針對(duì)性;進(jìn)一步探討身體活動(dòng)對(duì)肥胖青少兒認(rèn)知功能的影響機(jī)制。

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作者簡介：唐惠君（1997—），女，土家族，湖北恩施人，體育學(xué)碩士，研究方向：兒童青少年體質(zhì)健康與運(yùn)動(dòng)干預(yù)。

（作者單位：武漢體育學(xué)院研究生院）