健身运动对老年人认知功能的影响及其作用机制

雷雪梅

1 引言

中国是较早进入老龄社会的发展国家之一。根据调查显示，自1982年第三次人口普查以来，中国老年人口平均每年增加302万，年平均增长速度为2.85%。国家统计局发布最新的老人口数据，2018年末，60周岁及以上人口24949万人，占总人口的17.9%，其中65周岁及以上人口16658万人，占总人口的11.9%［1］。认知功能衰退是老年人生活的常见现象，还常常伴随记忆和理解能力的下降，严重时会引发多种慢性疾病，包括与增龄有关的神经退化性疾病［2，3］。因此，提高老年人认知功能水平，有效延缓衰老，对防止认知功能障碍的发生和发展具有重要意义。运动作为预防和控制各种慢性疾病的重要手段，它不仅可以直接改善认知功能，同时可以间接透过降低高血压、心血管疾病与糖尿病等风险，以及强化睡眠、能量消耗、饮食及疼痛等身体层面的资源，压力、忧郁及自我效能等心理层面的资源，进而协助认知功能的改善［4，5］。综合而言，本文的目的在探讨健身运动对老年人认知功能的影响机制，并从神经营养因子（BDNF）、生长激素（GH）、第一类型胰岛素生长因子（IGF－1）、大脑氧合功能和炎症反应等机制来说明其效益。希望对于不同运动类型促进脑健康以及改善认知的相关研究提供参考，并有助于相关人员规划设计更合适老年族群运动的训练计划。

2 研究方法

本研究使用的文献数据库主要包括Elsevier、Springer、Web of science、CNKI中文资料总库、万方数据以及台湾学术文献数据库，搜寻2021年3月以前出版的所有研究，搜寻关键词包括“认知功能、健身运动、老年人”及对应的英语表述“cognition function、exercise、elderly”。

3 认知功能对老年人的重要性

认知功能是高级的脑功能，是指人在对客观事物的认知过程中对感觉输入信息的获取、编码、操作、提取和使用的过程，它包括了大脑精神或智力活动的各个方面，如感知觉、记忆力、语言、抽象思维等，可理解为接受、记忆和学习、思维、表达等功能，反映了大脑的功能状况［6，7］。随着年龄的增长，老年人的身体神经、肌肉骨骼及心肺等各系统的构造发生改变，相关机能也产生一定程度的影响［8］。其中，对于中枢神经系统的影响是最为明显的，会使大脑重量减少10至20%、血流量减少30至40%和脑神经微纤维缠绕及老化斑的形成，这些构造的改变造成老年人记忆力减少、学习能力降低以及认知功能退化等相关疾病的盛行，进一步影响老年人日常生活独立自主的能力，更造成家庭及社会长期照顾和医疗资源负担的问题［9，10］。

4 健身运动促进老年人认知功能的可能机制

健身运动改善老年人认知功能的可能机制主要是通过大脑神经系统来实现的。健身运动可诱导神经营养因子（BDNF）增加，并刺激生长激素（GH）、第一类型胰岛素生长因子（IGF－1）分泌，从而增强大脑氧合功能，减缓老年人认知功能下降；健身运动还能调节促发炎细胞激素或抗发炎细胞激素等相关机制，进而改善老年人认知功能。

4.1 健身运动可诱导神经营养因子（BDNF）增加

BDNF是一种主要由脑组织合成、能够维持中枢神经系统多种神经元存活及促进神经纤维生长的碱性蛋白［11］。BDNF可促进突触可塑性与神经存活，并在中枢神经系统扮演重要角色。

动物实验中发现运动强度对神经增生BDNF是有关键性的影响，老鼠在学习复杂运动技能或执行中等强度运动时会调节小脑和运动皮层，并增加了BDNF因子和它的受体，以及TrkB的蛋白质［12］。研究还发现14天的阻力运动可活化比目鱼肌里的蛋白质合成信息路径（protein synthesis signaling pathway），并且与在海马体的BDNF表现呈正相关。此外，结果亦显示阻力运动提升学习与记忆的表现。因此，阻力运动可能肌肉的蛋白质路径的活化与增进海马体的BDNF，进而对认知功能产生效益［13］。建立在动物研究的基础上，许多健身运动对BDNF的影响已经在人体研究层面有了很大的进步。Aguia等［14］指出，健身运动训练可能是透过海马体的丝胺酸／苏胺酸蛋白激酶（serine／threonine protein kinase，AKT）、cAMP反应单位结合蛋白（cAMP response eement binding protein，CREB）信息传递，以及海马体内的BDNF蛋白质，进而改善老化引起的认知衰退。

4.2 健身运动可刺激生长激素（GH）、第一类型胰岛素生长因（IGF－1）分泌

运动能刺激血管内皮生长因子与脑下垂体分泌生长激素（GH），并促进肝脏分泌生长激素介质，即第一类型胰岛素生长因子（IGF－1），可在生长发育期促进骨骺软骨的形成，并使海马体内的神经增生，进而提高神经突触的可塑性与记忆功能［15］。

GH是一种由垂体细胞产生和分泌的蛋白激素，IGF－1是一类介导合成代谢的重要细胞因子［16］。GH对中枢神经系统中学习和记忆、心智机敏度、动机和工作记忆容量等功能有益，具有很强的促进IGF－1的分泌作用［17］。IGF－1是一类促进细胞生长、具有胰岛素样代谢效应的因子［18］。GF－1可以促进学习记忆能力，运动刺激能够改善大脑学习和记忆能力，其可能机制是：在突触前膜，IGF－1通过先后激活p－CAPK II（丝裂原活化蛋白激酶）和p－MAPK II（钙调蛋白激酶Ⅱ）信号联级，使突触素－1（Synapsin－1）mRNA和蛋白增加，突触素－1又可以促进Glutamate释放，增强突触间信息传递，以形成长时程记忆（LTB）；在突触后膜，IGF－1通过其受体（TRKB－R）激活p－CAMK II和p－MAPK II信号级联，进而在p－CREB调控下合成新的IGF－1［19］（图一）。研究证实，从事肌力训练似乎可以透过提升IGF－1或降低同半胱胺酸等生化机制，间接地影响大脑认知功能［20］。研究还发现，有氧运动或抗阻运动之GH值在运动后20－30分钟之间会达到最高点，而在IGF－1方面，运动后20分钟抗阻运动显著高于有氧运动，在此说明了抗阻运动比有氧运动对GH、IGF－1的刺激、分泌有较大的效益［21］。

图一 运动刺激GF－1的可能机制

4.3 健身运动增强大脑氧合能力

研究证实长期的健身运动训练可以提升心肺功能，增加脑血流量及神经传导物质分泌，提升大脑氧合状态，改善大脑认知处理能力［22］。

研究表明，年龄与脑血流量呈反比，年龄越大，大脑海马体的脑血流量越少，脑血管中的氧化血红素（HbO2）和总血红素（total HbO2）渐减，减低血红素的氧化能力，影响脑部的氧合功能而脑血流量与大脑认知反应的时间也呈反比，脑血流量越少，大脑认知反应的时间越长［23］。研究发现，有氧运动训练有助于老年人改善脑血流及氧合状态，对于有从事规律有氧训练的人，在非常激烈运动情境下，有较高的脑皮质摄氧量，总血红素与脱氧血红素皆显著高于无训练者。没有训练者其激烈运动时，其摄氧量会明显下降，脱氧血红素上升，而总血红素下降，脑血流量呈下降趋势［24］。

4.4 健身运动可调节炎症反应

炎症反应增加是认知功能下降的危险因子之一。病理学的研究指出，健身运动能调节促发炎细胞激素或抗发炎细胞激素等相关机制，进而改善MCI老年人认知功能［25］。根据Misiak等研究发现，低度系统性发炎与MCI认知功能下降间有极高的相关性。系统性发炎会诱发小胶质细胞进而堆积会产生大量促发炎因子，如肿瘤坏死因子－α（tumor necrosis factor alpha，TNF－α）、C反应蛋白（C－reactive protein，CRP）、介白质素－6（interleukin－6，IL－6）等，使中枢神经系统发生神经退化，进而降低MCI老年人的认知功能［26］。在降低发炎细胞激素反应部分，Colbert等［27］指出，高强度健身运动与降低TNFα、CRP，及IL－6有其正相关，说明健身运动介入可能使发炎反应趋于平稳，进而改善认知功能的可能。另在抗发炎反应方面，Geffken等［28］研究发现，健身运动会抑制TNF－α堆积等，意味着健身运动介入可降低发炎反应的发生。

5 结论与展望

5.1 结论

健身运动改善老年人认知功能的可能机制主要是通过大脑神经系统来实现的，包括健身运动可诱导神经营养因子（BDNF）增加，并刺激生长激素（GH）、第一类型胰岛素生长因子（IGF－1）分泌，从而增强大脑氧合功能，减缓老年人认知功能下降；健身运动还能调节促发炎细胞激素或抗发炎细胞激素等相关机制，进而改善老年人认知功能。

5.2 展望

1.有氧运动，如步行、慢跑、游泳、打太极拳、跳健身舞等是大多数老年人健身的首要选择；阻力训练对于行动不便和患有疾病的老年人难度较大。有氧和抗阻综合性训练能够更好地提升老年人的锻炼效果。因此，在未来研究中，应尽可能对老年人进行分层研究，区分运动对健康老年人和非健康老年人的影响，并且保证运动的安全性和有效性。

2.不同的健身运动类型可能对大脑的影响机制有差异，但是也会有交互作用。未来研究可进一步进行差异分析和联系分析，以更好地揭示健身运动对老年人认知功能的可能机制。