高原运动对认知功能的影响.pdf
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1、心理科学进展 2024,Vol.32,No.5,800812 2024 中国科学院心理研究所 Advances in Psychological Science https:/doi.org/10.3724/SP.J.1042.2024.00800 800 高原运动对认知功能的影响*苏 瑞1,2 王成志1 李 昊1 马海林1 苏彦捷2(1西藏大学高原脑科学与环境习服重点实验室,拉萨 850000)(2北京大学心理与认知科学学院,行为与心理健康北京市重点实验室,北京 100091)摘 要 高原地区低压低氧的环境特点,会给机体生理功能带来挑战,对认知表现产生影响。有氧运动能够增加神经可塑性,改善认
2、知功能,但能否适用于高原环境,受认知任务类型、海拔高度、运动强度和暴露类型等因素的调节。目前用于解释高原运动影响认知表现涉及的因素包括:脑氧合、神经营养因子、氧化应激与神经免疫。未来研究应关注不同运动类型和运动强度对高原移、世居人群的影响,并采用神经生理手段进一步探究高原运动对认知功能的影响机制,为开具“高原运动处方”提供依据。关键词 高原,高原运动,认知功能,调节因素,作用机制 分类号 00000 1 引言 全世界大约有 1.4 亿人永久地生活在海拔大于 2500 米的高原地区(Bigham&Lee,2014)。随着交通日益便利,每年有大量人口前往高原地区工作、学习、旅游和训练。截止到 20
3、20 年,约有350 万人生活在海拔超过 3500 米的青藏高原。然而,随着海拔高度的升高,氧分压降低,动脉氧饱和度下降,导致机体供氧不足。大脑仅占 2%的体重,消耗 20%的氧气摄入(Raichle,2010),是机体耗氧量最大的器官。高原低氧暴露会导致传递到脑组织的氧气减少,影响认知功能,包括注意、记忆、表象、执行控制等(Aboouf et al.,2023;Virus-Ortega et al.,2006;Zhang&Zhang,2022)。大量研究表明,有氧运动可以有效地增加个体前额叶皮层血液中的含氧量,进而延缓认知功能衰退,改善认知功能(Stillman et al.,2020)。对
4、此,如何开具“高原运动处方”以维持或提升长期生活在高原地区个体的认知表现,备受研究者们的关注(Ando et al.,2020)。同时,高原环境暴 收稿日期:2023-10-11*国家自然科学基金(32071075,32371111,U23A20476)、中央引导地方科技发展资金项目(XZ202201YD0018C)资助。通信作者:苏彦捷,E-mail: 露几乎总伴随着体能活动和体力消耗。因此,有必要探究高原运动的作用及机制,这对人类从事高原活动,适应和习服高原环境具有重要的实践意义。高原运动(high-altitude aerobic exercise),即低氧运动,是指在高原低氧环境下进行
5、急性或慢性有氧运动。现有研究除了在真实高原环境下探究有氧运动对认知表现的影响,大多数研究采用实验室模拟高原(simulated altitudes)的方式考察运动的影响。本文将围绕图 1 的理论框架展开,从个体的心理运动能力、注意、工作记忆和抑制控制等认知方面着手,总结真实和模拟高原环境下有氧运动及相关调节变量的作用,并综述高原运动影响认知功能的生理机制。这能够为制定高原运动方案提供依据,以期提高高原人群的健康水平和生活质量。2 高原运动与认知功能 认知功能是人脑将接受到的外界信息经过加工处理转换成内在的心理活动从而获取知识或应用知识的过程。目前研究者们对高原运动与认知功能的关系进行了广泛地探
6、索,其中较受关注的有心理运动能力、注意、工作记忆、抑制控制等。2.1 心理运动能力 心理运动能力(psychomotor abilities)是一种 第 5 期 苏 瑞 等:高原运动对认知功能的影响 801 图 1 高原运动影响认知功能的理论框架 运动和心理过程的整合能力,涵盖感知、动作反应时间、运动控制和协调等方面(Welford,1984),其主要通过动作反应的速度和准确性来衡量(Virus-Ortega et al.,2006)。早期关注高原环境对心理运动能力影响的研究发现,无论是真实还是实验室条件下,低氧都会导致动作反应时间延长,并且这一现象在海拔 2500 米左右尤为明显(Hornb
7、ein et al.,1989;West,1984)。这可能是因为高海拔导致机体疲劳,进而影响了心理运动能力,如手指敲击(finger tapping)任务表现在高原暴露后下降了约 25%(Regard et al.,1989)。然而,目前关于高原运动对心理运动能力影响的研究结果并不一致。Ando 等人在模拟 2200 米的环境下,要求被试分别进行 6.5 分钟的低、中、高等强度的有氧运动。结果发现,只有高强度的有氧运动延长了动作反应时间(Ando et al.,2010)。而另一项模拟条件的研究得出了相反的结论,发现 60 分钟的中等强度有氧运动缩短了个体的反应时间(de Aquino-Le
8、mos et al.,2016)。运动剂量的差异可能是导致上述矛盾结果的原因。一项综述研究表明,4560 分钟的有氧运动能够对认知带来更有益的效果(Northey et al.,2018),因此,6.5 分钟的低、中强度运动可能不足以对认知功能产生影响。但也有研究发现,低氧暴露会导致机体疲劳感增加(Bolmont et al.,2000),过高强度的运动则会加重这一影响(Nybo&Rasmussen,2007),反而延长动作的反应时间。综上,高原运动对心理运动能力的影响需要考虑疲劳程度变化的动态过程。2.2 注意 元分析证据表明,急性缺氧导致注意功能下降(Jung et al.,2020)。同
9、时,长期移居或世居高原都会对注意功能产生负面影响:移居者注意行为加工后期存在前后部脑区间资源的补偿(Ma et al.,2018),高原世居者注意系统之间存在明显的认知资源竞争现象(Zhang et al.,2018)。但高原运动能否改善注意功能仍未得到统一结论。Shannon 等人(2017)发现在模拟3000米和4300米高原环境暴露 150 分钟后,视觉信息快速处理任务在 4300 米的海拔高度表现更差;运动干预后,注意功能进一步下降。但是,一项元分析研究发现,模拟低氧条件下,运动对注意功能有促进作用,并且效应量大于低氧运动对执行功能、记忆和信息加工速802 心 理 科 学 进 展 第
10、32 卷 度影响的效应量(Jung et al.,2020)。此外,对于长时间生活在高原的移居者,急性有氧运动也会改善他们的注意功能。近期的一项研究选取了160 名在拉萨生活至少两年的大学生,考察了低、中和高强度运动 20 分钟对注意网络测试(attention network test,ANT)表现的影响。研究结果发现,不论何种运动强度,急性有氧运动都能够显著提高个体的注意网络中执行控制子网络(Su et al.,2022),这再次证明了高原运动能够改善注意功能。上述研究结果存在冲突,其原因可能是所选实验环境不同。以往研究发现,模拟低氧环境相比真实高原环境所带来的生理反应并不一致(Mille
11、t et al.,2012),因此,运动在不同环境下所带来的影响效果也存在差异。此外,上述研究结果提示我们低氧运动能够改善注意功能,尤其是对执行控制子网络的改善作用更大(Jung et al.,2020;Su et al.,2022),这可能是因为低氧运动对不同认知能力的影响存在选择性和优先性。潜在的原因有两点:首先,以往研究发现高原暴露对视觉皮层的改变更为明显(Zhang&Zhang,2022),主要表现为视觉皮层相关脑区皮层厚度和灰质体积的增加(Zhang et al.,2023),这表明低氧暴露会优先改变注意功能。其次,有氧运动对不同认知能力的影响也存在差异。元分析的证据表明相比其它认知
12、功能,有氧运动对执行功能相关任务的改 善 作 用 更 显 著(Lambourne&Tomporowski,2010)。因此,高原运动可能会优先改善注意功能,尤其是执行控制子网络。2.3 工作记忆 低 氧 暴 露 会 导 致 工 作 记 忆 能 力 下 降。Bliemsrieder 等人(2022)对已有研究进行系统综述发现低氧环境对工作记忆有消极影响。Jung 等人(2020)的元分析研究将性别、缺氧程度、暴露时长等因素纳入考察,同样发现了短期低氧暴露会导致工作记忆能力的下降。这一结果在长期暴露于高原环境的人群中也得到了进一步验证(Li&Wang,2022;Ma et al.,2018;马海林
13、 等,2022)。已有研究表明,运动并不能抵消高原环境对个体工作记忆的负面影响。例如,Komiyama 等人(2015)让被试在模拟 2600 米的海拔高度进行 30 分钟中等强度的有氧运动,运动后立即完成空间延迟反应任务。结果表明,低氧运动不会对个体的工作记忆产生影响。Bouak 等人(2018)采用相同的任务范式,探究了 4 种海拔高度下,低、中强度有氧运动是否会对工作记忆产生影响。研究结果再次证明了不论在何种海拔高度,有氧运动均不会影响工作记忆。Lefferts 等人(2016)采用向前回忆任务(N-back)发现,在模拟的中度缺氧条件下,中等强度有氧运动后 N-back 任务的正确率有
14、降低的趋势。另一项研究采用数字符号替换任务,发现高原(4240 米)环境下进行 20 分钟的有氧运动,会降低该任务的表现(Walsh et al.,2020)。上述结果表明低氧运动会导致工作记忆能力下降,这可能是因为低氧暴露导致认知资源减少(Yu et al.,2023)。工作记忆作为一种高级的认知能力,维持其表现需要消耗相对较多的认知资源(Sweller,2016)。我们之前的研究结果发现,高原运动会改善机体自下而上的加工过程,但并不能增加认知资源,提高自上而下任务的表现(Su et al.,2022)。因此,高原环境下,运动干预可能不能满足改善工作记忆表现所需要的额外认知资源。2.4 抑制
15、控制 以往综述研究发现低氧会对抑制控制产生负面影响(Taylor et al.,2016;Virus-Ortega et al.,2006)。后续 Meta 回归分析也支持了这一结论,例如,McMorris 等人(2017)和 Jung 等人(2020)都发现,急性低氧暴露会降低个体抑制控制能力。但低氧运动对抑制控制能力的影响方向并不明确。2013 年,Ando 等人首次通过 Go/No-Go(GNG)任务发现,在模拟 1300 米和 2600 米的高原环境下,中等强度有氧运动会减少 Go 刺激条件的反应时,改善个体的执行控制能力(Ando et al.,2013)。当海拔高度增加到 3800
16、 米时,有氧运动仍可以提高GNG 任务表现(Komiyama et al.,2017)。对高原世居者的研究发现,30 分钟的急性低强度有氧运动缩短了 Flanker 任务的反应时(马强 等,2020),再次证实高原运动可以促进抑制控制能力。然而,Ochi 等人(2018)让被试在模拟 3500 米条件下进行一次 10 分钟的中等强度有氧运动,却呈现了相反的结论,即运动后个体在抑制控制的任务中表现显著下降。Dobashi 等人(2016)的研究也支持这一观点,还发现低氧运动所导致的抑制控制能力下降至少持续到运动结束 1 小时以上。此外,类似的结果同样存在于高强度间歇运动的干预研究中,Sun 等人
17、在模拟 2500 米环境下,检测高强度间歇第 5 期 苏 瑞 等:高原运动对认知功能的影响 803 运动对个体抑制控制能力的影响,发现干预后个体抑制控制任务的正确率显著下降(Sun et al.,2019)。导致上述研究结论存在冲突的原因有两点:首先,研究对象的性别不同。上述低氧运动促进抑制控制能力的研究中均选择了男性被试(Ando et al.,2013;Komiyama et al.,2017),而 Dobashi 等人和 Sun 等人的研究中同时包含了男性和女性被试(Dobashi et al.,2016;Sun et al.,2019)。高原运动的影响效果可能存在性别的差异。已有研究发
18、现,急性低氧暴露对女性的认知表现的损伤显著小于男性(Jung et al.,2020)。因此,运动可能会对认知损伤更严重的男性产生积极的影响。其次,抑制控制的任务不同。和 GNG 范式不同,Dobashi 等人和 Sun 等人的研究采用了色词 Stroop 任务(Dobashi et al.,2016;Sun et al.,2019),而不同任务类型因其所需认知负荷存在差异,也会导致运动干预效果不同。当刺激冲突较大时,个体将调用更多的认知资源以更好地控制当前试次中出现的冲突,此时的加工方式为自上而下;相反,当刺激冲突较少时,此时的加工方式为自下而上(Li et al.,2021)。最新的一项研
19、究通过改变色词 Stroop 中包含不一致试次的比例,让长期暴露高原的个体进行低、中、高强度急性有氧运动。研究结果发现,中、高强度有氧运动显著提高了高原移居人群在刺激冲突较小组块的正确率,即中、高强度有氧运动提高了个体的自下而上通路的效率(Su et al.,2022)。这可能是因为运动对机体来说是一种唤醒源,运动会增加唤醒水平,提高了个体在自下而上的加工表现。3 高原运动影响认知功能的潜在调节因素 不同条件下,高原运动对认知功能的影响效果并不相同。暴露类型、暴露时长、海拔高度和任务类型是高原运动对认知功能影响的潜在调节因素。因此,分析不同调节变量,能够为开具“高原运动处方”提供理论支持。3.
20、1 暴露类型 高原运动对认知功能的影响受暴露类型的调节。暴露类型主要包括两个维度四个方面:实验室模拟高原和真实高原,急性暴露和慢性暴露。以往研究主要探讨了两种暴露类型的影响:模拟高原环境的急性暴露和真实高原环境的长期暴露。暴露类型的调节效应主要体现在低氧对认知功能的独立影响,以及运动和低氧对认知功能的交互影响。就独立影响而言,急性模拟低氧暴露会降低认知表现,例如,反应时间延长,注意能力下降和记忆能力减弱等。但在真实高原环境长期暴露的条件下,认知表现的影响会随着暴露时间的变化而变化。安心等人(2017)通过对高原驻留一周、一个月和两年的大学生研究发现,被试的执行控制能力受低氧的影响,且随着对低氧
21、环境的适应,呈现出先下降、再恢复、再下降的变化趋势。这表明了不同类型的低氧暴露对认知功能的影响不同,主要原因可能是常压低氧的模拟环境和低压低氧的真实环境所引起生理反应和适应表现并不同。Millet 等人(2012)的研究支持了这一点,发现机体在低压低氧条件下,通气反应、新陈代谢、一氧化氮水平和运动表现等方面的表现和常压低氧均存在差异。就运动和低氧对认知功能的交互影响而言,Ando 等人综述了有氧运动在模拟高原环境下对认知表现的影响,发现有氧运动并没有抵消急性低氧暴露所带来的影响(Ando et al.,2020)。但这一结果未得到后续的元分析的支持。Jung 等人(2020)纳入了模拟的间歇性
22、的低氧暴露和老年群体(Bayer et al.,2017;Schega et al.,2016)的研究后,发现有氧运动可促进任务表现,效应量达到了中等水平(SMD=0.3)。不难看出,这些研究结论存在分歧,可能是模拟低氧暴露对认知的影响受到暴露类型、年龄等因素的调节。除此之外,真实高原环境下,以往研究均发现运动对认知表现的改善作用。马强等人(2020)的研究采用 30 分钟的急性有氧运动干预,发现低强度运动也能改善高原世居人群的抑制控制能力,中等强度的运动可以提升移居人群和世居人群的认知灵活性水平。随后,Su等人(2022)通过对移居高原2年以上的年轻男性进行 20 分钟的急性有氧运动干预,发
23、现中、高强度的运动能够改善执行控制能力。不仅如此,有研究采用长期有氧运动干预方式,发现青少年中期的高原世居群体(毕存箭,2021)和青少年晚期的高原移居群体(王成志,2023)的执行控制能力均得到了提升。因此,模拟急性高原暴露条件下,运动对认知功能没有影响,甚至有损害作用。而在长期暴露于高原环境的群体中,急性和长期运动对认知功能都具有改善作用。804 心 理 科 学 进 展 第 32 卷 3.2 缺氧程度 缺氧程度主要由海拔高度和暴露时长来决定,并且受两种不同暴露类型的影响。在急性暴露期,缺氧程度=海拔高度(km)暴露时长(hour),该值越大表明缺氧程度越严重(Jung et al.,202
24、0)。在长期暴露中,缺氧程度=海拔高度(km)/暴露时长(day),与 Zubieta-Calleja等人(2007)提出的高原适应指数相反,该值越大表明缺氧程度越严重,低氧适应水平越低。就急性高原暴露而言,海拔越高缺氧程度越严重,对认知功能的影响也更明显。在海拔高度超过 2500 米后,认知功能就会受到影响(Hackett&Roach,2001)。元分析结果表明,动脉血氧分压 60 mmHg(海拔高度约为 3048 米)是认知功能损伤的临界点(Mcmorris et al.,2017)。当机体长期暴露于高原环境,随着暴露时间的增加,出现对缺氧的生理适应性补偿,也称为“高原习服”。其中,红细胞
25、数量和血红蛋白浓度适度增加是“高原习服”的关键。血红蛋白浓度代偿性增加以维持氧气供给(Luks&Hackett,2022)。有研究表明,血红蛋白的增加能够带来认知功能的改善(Xue et al.,2022),但 Walsh 等人(2020)却发现高原运动所引起的血红蛋白浓度增加导致了认知表现的下降。这是因为高原环境中达到最佳氧气传递效率的血红蛋白浓度为 147 g/L(Villafuerte et al.,2004)。血红蛋白浓度过高则容易导致血液粘稠,反而降低氧气传递效率,损害认知表现。因此,高原运动对认知的影响需要考虑缺氧程度的调节作用。首先,在急性高原暴露条件下,海拔高度是决定缺氧程度的
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