神经可塑性是大脑编码日常生活和运动场上的经验和学习新技能、行为和习惯的机制。大脑细胞称为神经元形成一个通信网络,作为大脑信息处理的基础。大脑的神经网络具有重新排列和加强通信效率的能力。正是通过这种重新排列(神经可塑性)的过程,我们才能体验到思维、感觉和行为方式的变化。这包括在高尔夫或网球中改变你的后摆,为击球准备发展一个新的心理程序,或在生物力学或神经系统受伤后恢复功能。因此,当神经可塑性的能力达到最大时,就能获得最佳的表现、技能学习和恢复。研究表明,体育锻炼可以提高大脑的可塑性,这在一定程度上反映在动物模型和人类的运动训练后大脑结构和功能的变化上。由于衰老会导致神经逐渐退化,或脑细胞丧失和功能障碍,神经元可塑性下降,年龄样本(如60-80岁)为研究提高大脑可塑性的方法提供了平台。这篇文章回顾了关于运动对智力表现和大脑影响的研究,并强调了年龄样本的结果。
运动对认知能力的影响
自20世纪60年代以来,研究表明,与物理上不那么活跃的同行相比,身体更活跃的人对认知性能的测试更好。The first studies examined performers’ ability to successfully complete dual tasks by primarily measuring simple response time, the speed to respond quickly and accurately to a flash of light, and discrimination time, the speed to press one key if stimulus A appears and another key if stimulus B appears. Over time, more complex cognitive processes have been examined, such as the ability to switch between tasks, the ability to selectively pay attention and block out distractions, or the ability to inhibit automated responses or habits. Importantly, in these early studies the physically active groups were comprised primarily of competitive athletes. This may present interpretive problems due to the possibility of self-selection, such that athletes may seek and continue sports participation, in part, because of their natural superiority in cognitive processes that benefit sport performance, such as fast response time or the ability to focus amidst distraction. Thus, the best understanding of the effects of physical activity and exercise on mental performance and the brain comes from studying samples that have been well-matched on all characteristics other than physical activity level.
现在,通过荟萃分析的研究,一些评论已经量化了体育锻炼对心理表现的影响。荟萃分析试图聚集许多研究的结果和类似的结果变量分组为目的的确定和可复制的效果进行比较研究的水平测量(影响复制为一个特定的任务吗?)或构造(跨任务都是复制的影响理论上可以用来衡量相同的结构吗?)例如,运动训练的效果简单响应时间可以计算在不同的研究,包括培训和pre和测试后简单的响应时间,然后平均可以计算在研究确定运动结果一致的改善独立于任何一项研究或实验室。
审查了运动训练如何影响训练的问题的荟萃分析已经表明,运动对在寿命周围的一系列认知能力方面具有很小的效果。在老年人中,已经显示了一致的益处速度的处理,如简单的响应时间;探索和选择性的关注,比如比较线形图的能力,或者不受干扰地选择性地注意环境中的刺激或物体的能力;执行功能,一组能力,与抑制不必要的行为、同时处理多项任务或在头脑中反复处理信息(如在心里进行长除法)有关;和陈述内存,它指的是记住之前发生的事情的能力,比如你上周在派对上遇到的人的面孔和名字。通过对55到80岁的老年人的研究,已经确定了几个调节变量,这些变量可能会导致锻炼对智力表现的更大影响。就运动类型而言,力量训练和有氧训练结合起来比单独进行效果更好。关于参与者的特点,女性似乎比男性受益更多,66岁至70岁的参与者可能比年轻或年长的成年人受益更多。在持续时间方面,在6个月的时间里,30到45分钟的锻炼比短时间的锻炼产生了更大的好处。由于这些研究中很多都包括以前久坐不动的参与者,所以这些益处很快就会显现。然而,这种益处能持续多久,以及哪种锻炼方式最有利于保持认知益处,这些问题仍有待未来的研究。值得注意的是,诸如此类的调节变量仍然是运动神经科学研究的活跃领域。
运动对人类大脑结构的影响
运动在一定程度上通过增强大脑的结构特性来影响表现。例如,衰老通常会导致额叶和颞叶联合皮质体积的萎缩。这可以用在活的有机体内脑成像技术称为磁共振成像(MRI)。However, studies have shown that greater physical activity (e.g., distance walked) or moderate aerobic exercise training over 6 months (walking at 60%–70% HR max) among older adults is associated with greater gray matter volume in the frontal and temporal cortices and greater white matter volume in the frontal cortex. Gray matter refers to where neurons expend their energy for information processing and form their connections with communication points called突触。白质是大脑不同区域之间传递神经元活动的部分,它主要由髓磷脂组成,髓磷脂隔离了传递神经的“线”(称为“线”)轴突)神经元并增加神经通信的速度。
因此,运动导致的灰质增加可能是由于神经元与其他神经元沟通时形成的结缔组织分支数量的增加。在大脑的某些区域,比如海马体,锻炼可能会加速新神经元的正常生成(神经发生)。相反,白质的变化可能是由于髓鞘生成或修复的增加,或神经元分支轴突数量的增加。血管数量和厚度的增加也可能导致人类脑容量的增加;血管穿过灰质和白质,在目前大多数研究中使用的典型脑部扫描中并没有很好地识别。然而,有证据表明,运动训练增加了人类海马区的脑血流量,这与动物研究是一致的。血液流动增强的一个重要原因是,神经元处理的能量,因此信息处理,通过血液流动的增加传递到脑细胞。因此,更大的静息脑血流被认为预示着对信息处理的能量需求更大的响应。
总而言之,虽然老化导致灰色和白质量下降的额度和时间结合区域,但已经证明了通过神经塑性的机制来衰减这种萎缩的萎缩,这增加了神经元的结缔组织,绝缘髓鞘,突触的密度连接,并通过海马中脑细胞的出生和存活。未来的研究将继续检查运动训练后人脑体积变化的细胞和分子机制。
运动对人脑功能的影响
对比脑结构,脑功能是指神经元及其支持系统如何协调活动,以支持正在进行的思想,情绪,感知和行为。使用MRI,通过检查大脑的不同部分如何应对信息处理的需求,研究了对脑功能的影响,我们通过呼叫任务诱发的功能MRI(FMRI)或通过检查不同地区大脑激活我们知道支持协调的心理表现的团队(功能网络)。一些研究还使用更直接的神经元刺激方法,如经颅磁刺激(TMS),以研究常规运动和突触可塑性之间的联系。
当用任务诱发功能磁共振成像(fMRI)检查时,衰老研究检查了执行功能任务期间的激活。执行功能任务之所以令人感兴趣,是因为人们知道它们需要用到前额皮质,而随着年龄的增长,前额皮质会变得功能失调。反过来,研究发现,更适合有氧运动的老年人在执行功能表现时,前额叶大脑的活动更多。例如,一项研究发现,在Stroop任务中,更强的有氧健身与更强的前额叶激活有关,该任务要求对一个词的墨水颜色做出反应,而不管这个词说什么。由于阅读的自动性,Stroop任务是需要认知的,它需要前额叶和视觉皮层协调的大脑活动。重要的是,更强的适应性只与更强的前额叶活动有关,而与视觉皮层活动无关。
类似地,一项训练研究发现,对于久坐不动的老年人,进行6个月的步行训练后,在需要注意力集中和抑制控制的任务中,前额叶皮层活动增加,而前额叶活动越活跃,任务表现就越出色。这些研究表明,有氧运动在一定程度上通过增强前额叶皮质功能来提高智力表现。最近的研究也支持阻力训练对大脑激活的有益影响,这与依赖于前额叶皮层外区域的抑制和记忆过程有关,表明阻力训练可能在支持终生大脑功能方面起到补充作用。
证据表明,展示了有氧运动与大脑活动的更大协调相关 - 对宽脑网络和特定神经元电路中的突触可塑性。大脑网络是物理上遥远的地区的团队,在协调方面工作,为大脑提供一个技术,以实现高度具体的,当地的过程,这些过程归因于协调,复杂的流程;神经可塑性是这些功能网络维持协调团队合作的基础。在一项研究中,具有更大好氧健身的老年人在称为称为的脑网络中具有更大的功能共同默认的网络,谁的恶化对认知老龄化,痴呆风险以及许多发育精神病疾病的影响具有显着影响。运动效果在侧向和口腔前额叶区域和颞型皮质中最强,包括海马。重要的是,该研究还表明,默认网络中的更大功能协调与一些与有氧健身相关的一些认知益处相关,这表明该网络可能是如何改善认知的重要组成部分,并降低晚期痴呆症的风险。它也可能表明,运动将有利于与违约网络功能受损相关的发育障碍。
最后,有证据表明,更大的有氧健身与更大的tms诱导的突触可塑性相关。学习的基础是大脑在经验的基础上形成新的神经连接或加强现有通路的能力。一种研究方法是将手部肌肉的刺激与运动皮层相应区域的电磁刺激配对。通过配对训练后手部肌肉对运动皮层激活的反应性增加,可以测量出该回路的突触可塑性的能力。一项研究表明,更活跃的成年人在所研究的特定运动回路中具有更强的突触可塑性。虽然这是一项横断面研究,但它为有氧健身和增强突触可塑性之间的联系提供了补充证据,这可能是锻炼对协调大脑功能和提高学习和表现的影响的一个普遍机制。
总体而言,运动潜力有令人兴奋的证据,以衰减与年龄相关的大脑功能障碍,这些结果对提高大脑的能力有影响,以便在任何年龄均适应伤害伤害。然而,如何发生这种情况的机制尚不完全理解,并且将来应该通过了解这些益处的细胞和分子基础的需要指导。
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