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来源：BME康复工程分会
导 语
随着人们对于健康生活的向往，针对认知衰退和痴呆症等疾病的预防、早筛和诊疗引起了研究人员的广泛关注。四川大学华西医院李康教授、江宁教授，对基于虚拟现实技术的“认知-运动互增强”理念的新型认知系统进行了研究总结。相关研究成果发表于IEEE Transactions on Human-Machine Systems、BMC Neurol、Journalof Visual Communication and Image Representation等国际期刊上。
01
研究背景
《降低认知衰退和痴呆症风险指南》中，WHO提出了12条防治建议，其中有一项是“身体活动”，也就是运动。此外瑞士苏黎世联邦理工学院ETH团队近10年的研究也印证了这一趋势1。运动不仅能塑造健康的身体，还能大幅提升认知能力，达到一个认知-运动互增强的作用。但是运动量达到多少才能产生改善效应呢？身体的运动和大脑又是如何交互作用进而改善认知？以及如何实现精准的认知-运动互增强？
图1：同时进行认知-身体训练：
视频游戏舞蹈（A）和跑步机记忆训练（B）1
（图片来源于论文）
02
研究概述
运动剂量和认知的关联——只要运动就有益处
一项纳入44项文献（4793名受试者;102种不同的效应量）的研究分析结果表明2：运动对认知的有益影响没有最低阈值，与2020年世卫组织关于身体活动和久坐行为的指南中的“做一些体育活动总比不做更好”的说法相呼应。
此外，他们的研究支持低剂量运动对改善老年人认知的临床效用（即每周724 METs-min）略高于WHO推荐的身体活动水平的下限（即每周600 METs-min;相当于150分钟/周的中等强度或75分钟/周的剧烈活动）。这对许多老年人具有实质性的健康益处，对于最不活跃的群体来说可能特别令人鼓舞。
图2：老年人总体体力活动剂量与认知功能变化之间的剂量反应关联2
（图片来源于论文）
运动改善认知的作用机制：从微观到宏观层面
从运动到大脑认知功能的影响途径是广泛而复杂的，运动锻炼从微观到宏观层面的不同机制影响大脑和认知功能。充分了解运动与认知功能的联系机制，有助于老年人群认知功能的改善、正常人群健康认知状态的维持,以及精准的认知-运动处方的制定。
图3：运动可以通过不同机制
影响大脑和认知能力3
（图片来源于论文）
（1）基于细胞和分子层面的相关机制
运动对认知的改善作用涉及多种分子和细胞机制，其中一些主要机制包括：神经递质调节：运动可以调节多巴胺、血清素、脑源性神经营养因子（BDNF）等神经递质的水平和活性。这些神经递质在认知功能（如学习、记忆、注意力）和情绪调节中起着重要作用；炎症调节：体育锻炼促进包括骨骼肌在内的外周组织和器官分泌细胞因子和激素分子，其中，激素因子可穿过血脑屏障后作用于大脑中的神经元，从而促进神经营养因子的分泌，减少免疫炎症反应，缓解颅内压力，提高突触可塑性和对神经元的保护作用。目前，这些因子包括鸢尾素、簇集素和糖基磷脂酰肌醇特异性磷脂酶D1等；此外，运动可以通过促进神经发育、增加神经营养因子释放、改善血液循环和氧合水平，以及降低炎症水平等途径，增加突触的可塑性。这种突触可塑性的增强有助于学习记忆、运动技能的提高以及神经系统的恢复和适应。
图4：运动可以刺激体内各器官分泌相应的细胞因子，减少免疫炎症反应，缓解脑组织压力，提高突触可塑性和对神经元的保护作用4
（图片来源于论文）
（2）运动对大脑结构、功能的影响
运动可以改变大脑的体积，适度运动可以增加海马体、额叶、颞叶以及其他脑区的灰质体积和白质纤维束数量。这些脑区对于学习、记忆、感官信息处理和情感调节等认知功能有着关键作用。此外尽管在随机对照实验中基于运动的大脑功能和结构进行的研究较少，但是最近的研究显示运动会对大脑的结构功能网络产生影响进而影响认知功能的改善。例如，运动通常会导致默认网DMN内功能一致性的增加，以及功能不同的网络的跨网络特异性增加，进而增强大脑的功能可塑性改善认知。
图5：轻度认知障碍的老年人进行为期12周的步行运动干预后，静息状态功能连接的变化5
（图片来源于论文）
（3）基于社会心理的运动机制
运动是一种可能的心理社会机制，运动可以通过调节情绪、睡眠等途径来改善认知。例如，运动干预后中老年人的睡眠质量（最常见的是效率和持续时间）有所改善。睡眠对运动特别敏感的大脑区域（如前额叶皮层和海马体）具有恢复作用。因此运动对认知功能提升的基础途径之一可能就是睡眠引起的海马体等脑组织的改变进而影响大脑和认知功能。
图6：睡眠对于海马的影响，午睡后
海马激活增强6
（图片来源于论文）
综上这些机制之间相互作用是复杂且多样的，而不同类型、强度和持续时间的运动可能对认知产生不同的影响。此外，个体差异也可能对运动和认知之间的关系产生影响。因此，深入的研究仍在进行中，以完全揭示运动对认知改善的机制。
认知-运动互增强——运动训练和认知训练的组合效果叠加
认知问题是身体和大脑的整体性问题，大脑并不是孤立存在的，它和身体的其他器官之间存在着密切的关系和相互作用。目前体育锻炼与认知训练结合也是痴呆预防试验和指南中流行的干预措施，运动训练和经典的认知训练结合起来可以相互补充，在不同方面发挥着重要作用，起到一加一大于二的叠加效果。证据来源于在一项纳入41项研究的Meta分析7，研究比较了三种主要类型的联合策略（体育锻炼与认知训练同时、顺序、以及单独）干预对老年人的认知功能以及身体健康有效性。他们的研究结果建议：无论是对于认知改善还是身体健康，体育锻炼与认知训练同时进行是最有效果的，其次是顺序训练最后是单独训练方式。这意味着运动训练和认知训练相结合可能是预防以及延缓认知衰退的最佳手段。
图7：a.不同干预措施对认知的相对排名和效果估计。b. 不同干预措施对身体的相对排名和效果估计。Sim:同时，Seq:顺序，CT：认知训练，PE:运动锻炼7
（图片来源于论文）
未来新趋势——基于虚拟现实技术的运动认知协同干预
随着虚拟现实技术的发展，其应用越来越广泛，不仅在娱乐、游戏领域有广泛应用，在医疗健康领域也带来了全新的改变。虚拟现实技术具有模拟真实体验、个性化定制、实时反馈、增强动机与参与度以及可控性和安全性等优势，可以将动训练和认知训练更有效的结合起来，达到更精准的认知干预效果。在一篇Meta文章表明8，虚拟现实技术结合认知和运动干预提高了轻度认知障碍患者的整体认知能力。他们的研究结果验证了虚拟现实结合的运动认知协同干预在老年人的认知以及身体康复具有一定的潜力。
图8：训练对整体认知的影响8
（图片来源于论文）
长时间持续——基于虚拟现实技术的运动认知协同干预效果
此外来自瑞士苏黎世联邦理工学院团队表明基于虚拟现实技术的多成分体育锻炼协同认知训练不仅能提高老年人的认知能力，这种认知的提升还能持续到一年以后1。71名老年人被随机分配到三组：1）虚拟现实视频游戏舞蹈，2）跑步机行走与同步语言记忆训练（MEMORY），或3）跑步机行走。47名完成了培训，在1个月内每周进行两次6小时的培训课程。在基线、3个月和6个月后以及1年随访时评估认知表现。他们研究主要结果是，首先，同步的运动-认知训练比单独的训练更有优势;其次，这些训练后的认知表现，包括执行功能、长期视觉记忆（情景记忆）和处理速度，可以一直保持到1年的随访。这些发现很重要，因为执行功能、情景记忆和处理速度尤其受到与衰老相关的衰退影响。因此，他们建议多成分同时进行认知-运动训练计划，以增强老年人的特定执行功能（包括转移注意力和工作记忆）。
图9：包括1年随访测量在内的四项测试中的
认知表现发展1
（图片来源于论文）
随着人们使用VR/AR眼镜成本的逐步降低，VR/AR眼镜将直接面向消费者市场，那么面向社区以及家庭针对老年人预防以及延缓认知衰退的需求，基于VR/AR的运动-认知协同干预措施将会得到普及和推广，从而实现面向全体我国基层老年人的个性化、精准化认知康复方案。
03
研究意义
总之，运动对大脑健康有着广泛而积极的影响。运动可以促进大脑的发育和可塑性，改善认知功能和情绪状态，提高大脑的健康水平。因此，我们应该适当增加运动量，让运动成为我们健康生活中不可或缺的一部分。在未来，重点应该关注在运动与脑健康的实际应用中——如何科学合理运动，才能更好地促进认知功能？如何通过虚拟现实技术更好的将运动锻炼和认知训练结合？此外在“健康中国2030”规划中，明确提出了“运动处方”的概念。因此，基于虚拟现实技术的“认知-运动互增强”理念的新型认知系统将成为下一代认知功能训练和干预系统，有效实现对认知相关疾病的预防、早筛和诊疗。
四川大学华西医院李康研究员信息：
https://www.wchscu.cn/dsj/character_detail/59674.html
四川大学华西医院江宁研究员信息：
https://tech.chinadaily.com.cn/a/202306/19/WS648ffb7ba310ba94c56126ce.html
https://www.wchscu.cn/scdx/combination/engineering/65680.html
参考文献：
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END
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转载来源：运动医学与健康科学英文版
学会编辑：徐璠奇
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