運動影響個體執(zhí)行控制的神經(jīng)機制：基于腦成像研究的ALE元分析

崔蕾 殷恒嬋 申其淇 朱麗娜

摘? ? 要：采用激活似然估計法（ALE）研究運動影響個體執(zhí)行控制的神經(jīng)機制，為運動與腦科學研究提供認知神經(jīng)科學的理論基礎，為運動促進個體身、心、腦健康發(fā)展提供理論依據(jù)。方法：基于關鍵詞在Web of Science、PubMed、CNKI數(shù)據(jù)庫進行檢索，得到445篇文獻，根據(jù)篩選標準最終納入8篇文獻，樣本量共計343人，通過GingerALE2.3軟件，對符合要求的8篇文獻進行激活似然估計元分析，計算每個體素跨實驗激活的可能性。結(jié)果：共獲得6個激活峰值點，分布在大腦兩側(cè)。其中，右側(cè)額下回有1個簇（BA9，峰值坐標52/14/26），左側(cè)額下回有1個簇（BA47，峰值坐標-32/20/-8），右側(cè)枕下回有1個簇（BA18，峰值坐標34/-84/-14），右側(cè)楔前葉有2個簇（BA19，峰值坐標28/-72/40;BA19，峰值坐標22/-76/38），右側(cè)前扣帶回有1個簇（BA32，峰值坐標8/20/38）。結(jié)論：1）運動促進執(zhí)行控制激活相關腦區(qū)具有一般性，主要表現(xiàn)在運動增強了左側(cè)額下回、右側(cè)額下回、右側(cè)楔前葉、右側(cè)枕下回及右側(cè)前扣帶回的激活;2）運動對執(zhí)行控制的改善并非引起了單一腦區(qū)激活的改變，可能是多個腦區(qū)的協(xié)同變化。

關鍵詞：運動干預;執(zhí)行控制;腦成像;激活似然估計元分析

中圖分類號：G 804.8? ? ? ? ? 學科代碼：040302? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A

Abstract：Objective： The present study used the activation likelihood estimation? to? explore the neural mechanisms of exercise intervention on executive control， so as to provide the rationale of cognitive neuroscience for motor and brain science research， and scientific reference for promoting the healthy development of individuals body， mind and brain by means of exercise. Methods： Relevant studies were identified through a systematic database search for articles published on Web of Science， PubMed and CNKI with keywords. This search yielded 445 papers， 8 literatures were finally included according to the screening criteria， with a total of 343 participants. ALE value of 8 literatures was calculated through Ginger ALE 2.0 software to create the ALE map. Results： The results from the ALE analysis across 8 literatures demonstrated concordance in six main clusters： right Inferior frontal gyrus（BA9， Peak Foci52/14/26）， left Inferior frontal gyrus（BA47， Peak Foci -32/20/-8），right Inferior occipital gyrus（BA18， Peak Foci 34/-84/-14）， right Precuneus（BA19， Peak Foci 28/-72/40; BA19， Peak Foci 22/-76/38）， right anterior Cingulate Gyrus（BA32， Peak Foci 8/20/38）. Conclusions：1） The neuromechanism of exercise intervention on executive control is general， mainly in that exercise enhances the brain activity in the left inferior frontal gyrus， right inferior frontal gyrus， right precuneus， right inferior occipital gyrus， right anterior cingulate gyrus by exercise intervention. 2） The improvement of exercise on executive control does not result in the change of activation of a single brain region， but may be the cooperative change of multiple brain regions.

Keywords：exercise intervention; executive control;neuroimaging; ALE meta-analysis

執(zhí)行控制是指人在認知過程中有意識地抑制自動的、占主導地位的優(yōu)勢反應，使個體能夠抵抗內(nèi)源性和外源性刺激的干擾，通過自制力來控制自身的行為和情緒反應，堅持完成任務，實現(xiàn)延遲滿足[1]。執(zhí)行控制是個體認知、情緒和社會功能的核心，是學習、推理等智力活動的重要過程，執(zhí)行控制不良的個體不僅學習能力受損，還常繼發(fā)行為和情緒方面的問題。越來越多的研究探討執(zhí)行控制健康對個體發(fā)展的重要性，關于執(zhí)行控制的發(fā)展規(guī)律、神經(jīng)機制、測量與評價、影響因素及促進執(zhí)行控制發(fā)展的干預方法和教育措施等研究迅速成為心理學、認知神經(jīng)科學、體育學等領域的研究熱點。

已有研究表明，運動干預能夠促進個體的執(zhí)行控制[2-11]，但大多數(shù)研究僅在行為學層面進行了探討，采用腦成像技術探討運動干預影響個體執(zhí)行控制神經(jīng)機制的研究較少。在已有的腦成像研究中，存在被試樣本量較小， 各個研究采用的測量工具不一致，選取的運動項目、每次運動持續(xù)時間、強度、干預周期等主要指標也各不相同，等等，這些問題均可能導致統(tǒng)計檢驗力和效應量較低[12]，甚至是研究結(jié)果的不一致。目前，運動心理學領域關于運動促進個體執(zhí)行控制的神經(jīng)機制尚未有共識性研究結(jié)論，沒有明確闡釋運動改善個體執(zhí)行控制的神經(jīng)機制。

為了回答上述問題，克服單一研究的局限性[13-15]，進一步闡明運動促進個體執(zhí)行控制的神經(jīng)機制，基于大量數(shù)據(jù)的腦成像元分析技術有必要被引入到體育科學研究中，促進運動與腦科學研究的發(fā)展。激活似然估計法（ALE）是近年來腦成像領域研究最常用的元分析方法之一[16]。ALE的基本原理是計算每個實驗中每個體素在某種條件下被激活的可能性并對此進行統(tǒng)計[17]，以激活可能性為指標，可以計算每個體素跨實驗激活的可能性，并對這種可能性進行假設檢驗，從而得到多個實驗中執(zhí)行控制相關腦激活區(qū)域的一般性結(jié)論[18]。

本研究旨在通過對國內(nèi)、外運動與執(zhí)行控制的研究文獻進行梳理，采用ALE對納入的文獻進行分析，探討運動影響執(zhí)行控制的神經(jīng)機制，為運動與腦科學研究擴展研究視野，深化認知神經(jīng)科學發(fā)展，為運動促進個體身、心、腦健康發(fā)展提供理論依據(jù)。

1? ?方法

1.1? 文獻的檢索

在國內(nèi)、外的大型數(shù)據(jù)庫中檢索有關文獻，文獻發(fā)表日期為2008年1月—2018年8月。

1.1.1? 中文文獻檢索

檢索數(shù)據(jù)庫為CNKI。關鍵詞為“體育”“運動”“鍛煉”“身體活動”“抑制”“執(zhí)行控制”“磁共振”“fMRI”。

1.1.2? 英文文獻檢索

檢索數(shù)據(jù)庫為PubMed、Web of Science。關鍵詞為“exercise”“sport”“physical activity”“aerobic”“fitness”“cognitive control”“executive control”“inhibition”“Flanker”“stroop”“Stop Signal”“go/no-go”“fMRI”“functional magnetic resonance imaging”“functional imaging”“functional MRI”“brain”“neuroimaging”。

1.1.3? 檢索結(jié)果

在數(shù)據(jù)庫中檢索以上關鍵詞，共檢索到445篇文獻。

1.2? 文獻的篩選

1.2.1? 文獻篩選的標準

1）本研究探討的是運動對身心健康人群執(zhí)行控制影響的神經(jīng)機制，只選擇研究對象為身心健康人群的文獻（被試的年齡、性別不限）;2）本研究關注的是運動對執(zhí)行控制影響的因果關系，只選擇實驗設計中包含運動干預的縱向研究文獻;3）本研究僅探究執(zhí)行控制的認知神經(jīng)機制，只選擇國內(nèi)、外普遍認可的經(jīng)典執(zhí)行控制測量任務（Flanker任務、Stroop任務、Go/nogo任務、Stop Signal任務等），采用任務態(tài)功能磁共振成像（fMRI）方法的文獻;4）本研究采用ALE進行元分析，只選擇研究結(jié)果中使用標準化后的MNI（montreal neurological institute，MNI）或Talairach坐標，表示腦區(qū)峰值坐標的文獻;5）納入文獻只選擇在期刊上正式發(fā)表的研究論文。

1.2.2? 篩選結(jié)果

按照上述標準對檢索到的445篇文獻進行篩選，通過閱讀題目和摘要，排除不符合標準的文獻393篇，對剩余52篇文獻進行全文精讀，排除不符合標準的文獻44篇，最終，納入本研究元分析的文獻共8篇。

1.3? 數(shù)據(jù)分析工具及數(shù)據(jù)分析過程

1.3.1? 數(shù)據(jù)分析工具

本研究采用GingerALE 2.3軟件和Mango軟件對數(shù)據(jù)進行分析。

1.3.2? 數(shù)據(jù)分析過程

采用GingerALE 2.3軟件進行ALE元分析，ALE元分析在Talairach空間標準下進行，將以MNI空間標準報告的坐標通過Lancaster轉(zhuǎn)換為Talairach坐標[19]。根據(jù)激活坐標，采用三維高斯模型，建立ALE地圖。根據(jù)ALE使用指導手冊建議，本研究將激活似然估計圖示的閾值定為P<0.001并且使用未校正的P值方法進行糾正，簇像素最小值設為200 mm3，得出腦區(qū)激活簇及其最大ALE值（最大ALE值代表腦區(qū)的激活概率）。

采用Mango軟件，將ALE元分析得出的腦區(qū)激活簇坐標重合到一個標準大腦中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的可視化。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? 納入ALE元分析文獻的基本信息

納入元分析文獻的基本信息見表1，8篇文獻中共有英文文獻7篇，中文文獻1篇?？倶颖玖繛?43人，運動增強激活的坐標85個，運動減弱激活的坐標2個，但由于僅有2篇文獻各自報告了1個運動減弱激活的坐標點，結(jié)果代表性較低，故不進入分析。

2.2? 運動增強執(zhí)行控制相關腦激活區(qū)域的ALE元分析結(jié)果

通過對運動增強執(zhí)行控制激活腦區(qū)的坐標點進行分析，獲得6個激活峰值點，分布在大腦兩側(cè)。其中，左半球有1個激活峰值點，右半球有5個激活峰值點（見表2）。右側(cè)額下回有1個簇（BA9，峰值坐標52/14/26），左側(cè)額下回有1個簇（BA47，峰值坐標-32/20/-8），右側(cè)枕下回有1個簇（BA18，峰值坐標34/-84/-14），右側(cè)楔前葉有2個簇（BA19，峰值坐標28/-72/40;BA19，峰值坐標22/-76/38），右側(cè)前扣帶回有1個簇（BA32，峰值坐標8/20/38）。

對元分析激活簇的數(shù)據(jù)結(jié)果進行可視化，得出激活腦區(qū)結(jié)果圖，如圖1所示。6個激活峰值點聚集在以下5個腦區(qū)：右側(cè)額下回（如圖1A所示）、左側(cè)額下回（如圖1B所示）、右側(cè)枕下回（如圖1C所示）、右側(cè)楔前葉（如圖1D所示）及右側(cè)前扣帶回（如圖1E所示）。

3? ?討論

本研究使用ALE元分析發(fā)現(xiàn)運動使個體在5個腦區(qū)的激活增強，分別是左側(cè)額下回、右側(cè)額下回、右側(cè)楔前葉、右側(cè)枕下回和右側(cè)扣帶回。那么，這5個腦區(qū)與執(zhí)行控制的加工過程存在怎樣的關系，這些腦區(qū)激活強度的增加是否意味著運動促使執(zhí)行控制加工過程發(fā)生變化？

3.1? 運動對個體執(zhí)行控制中額下回的影響

來自認知神經(jīng)科學的研究表明，額下回是前額葉皮層的重要區(qū)域[28-29]，在執(zhí)行控制中主要功能是抵抗干擾，在干擾下抑制無關信息，解決沖突等過程[30-31]。有關運動與額下回灰質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)：高水平運動員與非運動員相比，額下回的灰質(zhì)體積更大[32];專業(yè)運動員相較久坐的老年人，額下回等腦區(qū)的腦容量更大，認知表現(xiàn)更好[33]。這2項研究均表明長期的運動訓練使得額下回腦區(qū)發(fā)生了可塑性變化，還可以延緩隨年齡增長導致的執(zhí)行控制衰退和腦結(jié)構(gòu)的萎縮。由此看來，運動使得額下回發(fā)生可塑性變化，有可能通過增強額下回處理抵抗干擾、在干擾下抑制無關信息、解決沖突的能力，進而改善執(zhí)行控制的行為表現(xiàn)。

3.2? 運動對個體執(zhí)行控制中前扣帶回的影響

前扣帶回主要是監(jiān)控和解決沖突，如糾正錯誤、抑制無關想法或抑制與威脅相關干擾物的反應[34-35]。前額葉與前扣帶回在執(zhí)行控制加工過程中的關系非常緊密[36]。執(zhí)行控制的雙系統(tǒng)模型理論指出，前額葉與前扣帶回通常在執(zhí)行控制中會同時激活，前額葉是抑制不相容反應的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，前扣帶回是沖突監(jiān)控或錯誤檢測系統(tǒng)[37-38]。運動與前扣帶回相關的研究發(fā)現(xiàn)，6個月有氧運動干預顯著降低老年人雙側(cè)前扣帶皮層萎縮體積，且前扣帶回體積萎縮風險平均降低42.1%[39]。Rosano等[40]的研究發(fā)現(xiàn)，長期、規(guī)律性堅持中等強度運動的老年人，前扣帶回激活程度顯著高于不經(jīng)常參加運動的老年人。運動使得前扣帶回發(fā)生可塑性變化，有可能通過增強前扣帶回糾正錯誤或抑制干擾信息的能力，進而提升執(zhí)行控制的正確率表現(xiàn)。

3.3? 運動對個體執(zhí)行控制中視覺聯(lián)合皮層的影響

枕葉與視覺搜索、視覺注意等基本認知加工過程高度相關[41]。楔前葉位于頂葉皮層，而頂葉與注意力選擇和反應沖突的解決有關，枕葉與頂葉構(gòu)成了視覺聯(lián)合皮層，是個體完成多個認知加工過程的重要皮層系統(tǒng)。運動與視覺聯(lián)合皮層（由楔前葉和枕下回共同構(gòu)成）功能的研究發(fā)現(xiàn)，運動訓練可以使得初級和次級視覺皮層（BA17、BA18和BA19）發(fā)生可塑性改變[42]。Claudia等[43]發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)訓練后老年人完成視覺搜索任務的表現(xiàn)更好;高水平排球運動員在排球運動情境中進行信息加工時尋找關鍵信息的能力具有明顯的優(yōu)勢[44]。鑒于運動的獨特性，個體在運動過程中會根據(jù)接收到的不同視覺刺激信息，不斷地調(diào)整和變換身體動作，以適應當前的任務要求。由此可見，運動對于楔前葉和枕下回共同構(gòu)成的視覺聯(lián)合皮層的整合能力要求非常高。運動使得視覺聯(lián)合皮層發(fā)生可塑性變化，有可能通過增強個體的視覺信息整合的能力，提升執(zhí)行控制的行為表現(xiàn)。

從以上分析可以發(fā)現(xiàn)，本研究的元分析結(jié)果中的額下回、楔前葉、枕下回和前扣帶回腦區(qū)均是個體完成執(zhí)行控制加工過程的重要腦區(qū)。以往有關運動與腦可塑性的研究[32-44]從各自的角度探討了運動對腦可塑性的影響，可是單一研究存在局限性，目前關于運動促進個體執(zhí)行控制神經(jīng)機制的探討尚未有一個共識性的研究結(jié)論。本研究對納入的8篇文獻進行了ALE元分析，取得了跨實驗的一致性，既克服了單一研究的局限性，也增加了統(tǒng)計效能，明確了運動改善個體執(zhí)行控制的神經(jīng)機制，即運動增強了左、右側(cè)額下回、右側(cè)楔前葉、右側(cè)枕下回及右側(cè)扣帶回的激活，進而促進了個體執(zhí)行控制行為表現(xiàn)。

本研究納入的8篇文獻的運動干預雖然涉及功率自行車運動、耐力訓練、力量訓練、運動技能訓練、抗阻訓練、跑步、跳繩、協(xié)調(diào)訓練、足球及游泳等多種運動項目[20-27]，且運動時長及強度也不一致;但結(jié)果仍表明，運動影響執(zhí)行控制的腦激活模式存在一般性，這提示運動對執(zhí)行控制的改善并非引起了單一腦區(qū)激活的改變，可能是多個腦區(qū)的協(xié)同變化。

4? ?局限與展望

本研究納入了8篇符合要求的縱向運動干預與執(zhí)行控制腦激活模式的研究，但整體來看，文獻數(shù)量較少，這說明目前關于運動與腦可塑性的實證研究相對較少。本研究為探索性研究，數(shù)據(jù)分析依據(jù)ALE指導手冊建議及相關心理學領域的腦影像研究，將閾值定為P<0.001，并采用非校正P值的方法，隨著運動領域神經(jīng)成像研究的數(shù)量逐漸增多，可進一步納入更多的文獻，使用更嚴格的多重比較校正方法，如錯誤發(fā)現(xiàn)率法（false discovery rate， FDR）和族錯誤率法（familywise error rate，F(xiàn)WE）等，加以驗證。還可采用ALE元分析方法，從腦功能和腦結(jié)構(gòu)的層面，探討運動對不同人群腦可塑性的影響，拓展運動與腦科學研究領域，為運動促進個體身、心、腦健康發(fā)展提供更多的理論依據(jù)。

5? ?結(jié)論

1）運動促進執(zhí)行控制激活相關腦區(qū)具有一般性，主要表現(xiàn)在運動增強了左側(cè)額下回、右側(cè)額下回、右側(cè)楔前葉、右側(cè)枕下回、右側(cè)前扣帶回的激活。

2）運動對執(zhí)行控制的改善并非引起了單一腦區(qū)激活的改變，可能是多個腦區(qū)協(xié)同變化的結(jié)果。

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