高强度运动后的情感调节与杏仁核-岛叶功能连接延长有关

摘要

急性适度的运动已被证明诱导影响和奖励网络内的功能连接（FC）延长的变化。不同运动强度对FC的影响尚未研究。Twenty-five male athletes underwent 30 min of “low”- ( （LT）和“高”—( ）在跑步机上锻炼的强度较量。静息态功能磁共振成像在3特斯拉与正负收购前和运动后，共同情感量表（PANAS）。使用FSL技艺管道和种子至基于网络的分析与双边杏仁核作为晶种区域，用于确定相关联的FC在改变的22名受试者（3个遗失）分析数据“情感大脑”。数据使用重复测量方差分析。使用一个样本进行分析前和运动后的比较 -测试，和一个配对 -测试用于比较“低”和“高”运动条件（非参数随机化方法，结果报告于 )。在PANAS积极诱导显著同时增加运动干预影响的规模。有杏仁核的FC到右侧前脑岛一个显著的互动效应，而这种杏仁核，岛FC与PANAS积极显著相关影响量表（ ， ）在“高” - 强度的运动状态。我们的研究结果表明运动后的情绪变化与延长改建杏仁核，岛FC相关联，并发生在运动强度依赖性。

一。介绍

体育锻炼减少抑郁和焦虑[症状1，2]，和经常运动训练已建议为情感性精神障碍[添加剂非药物治疗策略3]。成像方法，尤其是功能性磁共振成像（fMRI）技术，现在已经开始，以确定脑功能状态的奖励诱发短期和长期的运动干预的相关变化[4-6]和情绪[7，8]加工领域。翁等人：在一些初步的研究，在神经元活动的长期变化后使用的影响静息态功能磁共振成像（RS-fMRI）技术和奖励网络（ARN）运动的挑战进行了鉴定。报道静息态功能连接（RS-FC）的适度运动上的自行车测功计（相对于被动控制条件）的单个回合之后在老年和年轻健康志愿者显著增加ARN [8]。然而，调查结果没有直接关系的个人运动诱发的情感状态的措施。迄今为止，具体地探测运动诱发的情感调制成像数据只被在长期干预采样：托齐等人。[7研究了38名40多岁、久坐不动的健康志愿者，将他们随机分为有氧运动组和对照组。受试者接受为期16周的纵向研究设计。他们记录了一段时间内的情绪变化和rs-fMRI，以确定与运动带来的情绪相关的益处相关的潜在功能网络变化。作者报道了运动组海马旁回和涉及情绪调节的区域(左侧额上回、左侧颞上回、右侧颞上极和左侧中央前区)之间rs-FC的增加，但对照组没有。这些结果表明，相关的rs-FC变化介导了有规律的体育活动对情绪的益处。此外，我们之前使用基于ica的全脑方法研究了不同运动强度对FC的急性影响[9]。低强度运动后的额顶网络中的RS-FC的增加进行了说明，而高强度的运动导致增加的ARN RS-FC和降低的感觉RS-FC。

到目前为止，文献中缺少的是对急性运动发作后情绪的长期调节作用的神经元基础的实验研究。此外，运动强度依赖的功能连接(FC)的变化及其与情感状态的关系在很大程度上仍然是一个谜，因此构成了本实验研究的直接主题。在这里，我们的目的是研究两种特定的运动强度(“高”和“低”，适用于个人健康水平)对杏仁核和“情绪大脑”区域之间的rs-FC的影响[10为了探索运动强度是否和如何影响杏仁核rs-FC，在种子到网络的方法。根据初步工作报告运动引致的急性肾损伤的改变[7-9]杏仁核在这个网络中的重要作用[11，我们预测了运动引起的杏仁核-杏仁核区域反应功能的变化，这与(a)运动强度相关，(b)与积极情绪相关。

2.方法

所报道的实验步骤和MRI数据采集参数与Schmitt等发表的研究一致[9]。

2.1。参与者

我们招募了通过社交媒体和传单25右手健康休闲男运动员在大学和体育俱乐部。受试者中没有一个职业运动员。虽然一些受试者铁人三项训练，其中大多数是在个人基础上进行他们的训练纯粹的业余运动员。All subjects were frequently runners and exercised in this discipline at least 3 times/week for 45 min for the past two years. Subjects were without any prior history of head injury, neurological or psychiatric illness, and orthopedic or general health problems that may have prohibited physical activity. Other exclusion criteria were MRI contraindications (e.g., metal and/or electronic implants and claustrophobia). Three of 25 subjects had to be excluded from our final analyses due to injuries (caused by private activities, ）没有完成研究( ）最终得到的样本量为 科目。描述性特征包括参与者的年龄、受教育程度、语言智力水平和用手习惯，这些特征是从一组问卷中获得的(社会人口统计数据、爱丁堡用手习惯量表[12，以及德语词汇测试[13]）（表1)。此外，还进行了精神病学问卷调查，包括迷你国际神经精神病学访谈(迷你，德文版本5.0.0)[14，状态-特质焦虑量表(STAI) [15，以及贝克抑郁量表(BDI) [16]。22名参与者均未显示出精神疾病(MINI、BDI和STAI)。BDI和STAI州的库存是在考试开始前每次访问时获得的。BDI分数在考试期间没有显著差异。另一方面，STAI state的分数在考试日之间有显著差异(“低”: ，“高”： ; ; )。为了排除检查日之间存在显著差异的因素的潜在影响，将这些因素作为对统计分析不感兴趣的协变量插入（见下文）。

与会者充分了解了研究，并在调查中使用的所有测试，潜在的不适，风险和程序的详细说明后，签署知情同意书。该研究是通过大学医院波恩的当地伦理委员会（Ethikkommission河畔MedizinischenFakultätDER Rheinischen弗里德里希·威廉安大学波恩：上午十时正13分之340），根据国家法律和赫尔辛基宣言。

2.2。实验步骤

所有参与者按照随机顺序(高、低和自我选择)完成了三个主题内的实验环节。每次会议至少间隔两天，但最多不超过12周。在此之前，所有的参与者都在德国科隆体育大学接受了一个实验前的环节，包括病史、听诊、12通道静息心电图(ECG;mac1200 ST, GE Medical Systems Information Technologies GmbH, Freiburg，德国)，以及在跑步机上进行的增量运动测试(Woodway PPS Med, Woodway GmbH，德国)来评估个人健康和体能。增量运动试验初始速度设定为5 km/h，梯度固定为1%。运动强度/跑步速度提高到每3分钟1公里/小时。参与者被要求表演到意志耗尽。毛细管血液样本(20μL) were collected from the earlobe to measure blood lactate concentration within the last 30 s of each stage. Additionally, the heart rate (HR; POLAR, Kempele, Finland) was monitored and a rating of perceived exertion (RPE) [17]被记录在每个阶段的结束。在RPE尺度评级从改变“6没有消耗在所有/极轻”到“20-最大消耗”。Maximal effort was considered to be achieved with the attainment of at least two of the following criteria: high levels of blood lactate concentration (8–10 mmol/L), a perceived rate of exertion of ≥18, and/or a HR of ±10 beats per minute (bpm) of age-predicted maximum (220-age) [18]. 增量运动试验中的血乳酸样本使用Biosen C-线乳酸分析仪（EKF Diagnostics GmbH，Barleben，德国）进行分析。当血乳酸首次持续高于基线值时，通过目测确定乳酸阈值（LT）[19]。

All three experimental sessions consisted of a 30 min exercise bout at either “low,” “high,” or “self-selected” exercise intensity on a treadmill in randomized order to exclude order effects. Each exercise bout started with a 5 min warmup at 5 km/h, followed by the main 30 min exercise intervention, and later ended with a 5 min cool down period at 5 km/h. Resting blood pressure was recorded before and after each exercise intervention. HR, physical exertion, and blood lactate concentration were acquired before, during, and after each exercise intervention. Blood lactate and physical exertion were recorded during the intervention every 5 min, while HR was recorded every minute.

在35％的LT下进行“低” - 强度工作，确保主要挑战有氧供能很轻松的运动状态。为“高”状态的运动强度设定在20％以上，主要LT苛刻厌氧能量供给和积累乳酸盐。PANAS评级和fMRI扫描图像被收购在所有三个检查日内，直接前和运动后。将RS-fMRI的序列约收购。30. min post-exercise bouts (after the acquisition of a CASL sequence and before additional fMRI sequences and structural images). To account for possible prolonged effects of exercise on resting HR, HR was monitored during MRI scans using a pulse oximetry transducer placed on the left index finger (BIOPAC Systems Inc., Goleta, CA, USA). Data was recorded using the software of BIOPAC (AcqKnowledge 4.1).

为了避免运动性疲劳或刺激饮食的效果的任何影响，与会者指示，从激烈的运动和酒精的摄入量前24小时，每个测试环节以及咖啡因和膳食实验前两小时不要。随着这份手稿只关注标准化和代谢定义运动强度的比较，从自我选择的干预数据将在其他地方报道。

2.3。MRI采集

MRI检查在波恩大学医院放射科进行，使用3 T临床MRI系统(Ingenia 5.1.7, Philips Healthcare, Best，荷兰)，配备8通道头线圈。利用T2获得rs-fMRI序列 -加权梯度回波、回声平面成像(EPI)方案对250体积的血氧浓度相关(BOLD)对比度敏感: ， ， ， ， ， voxels, and interleaved acquisition (1, 3, 5, 7…41; 2, 4, 6, 8…40; first odd and then even) of 41 contiguous axial slices of 3.59 mm thickness. For all rs-fMRI scans, participants were instructed to lay still for 11 min with their eyes closed and to stay awake without focusing on any particular thought. All images were acquired parallel to the anterior-posterior commissure plane with no interslice gap. An anatomical 3D T1-weighted sequence was also acquired within each run using the following parameters: slice orientation: sagittal, acquisition matrix: ，获得的体素大小： ，序列类型:3D FFE, TR: 7.6 ms, TE: 3.9 ms，翻转角度:15°，总扫描时间:4:39 min。

2.4。数据预处理

为了比较在一个公共空间内运动前、运动后和运动条件之间的变化，首先对所有时间点的结构图像进行平均，从而为每个参与者创建一个平均图像[20.]使用SPM12(统计参数映射;威康成像神经科学系，伦敦，英国)实现在MATLAB (Mathworks Inc.，舍伯恩，马萨，美国)。使用FSL工具箱5.0.9版(FMRIB软件库，https://www.fmrib.ox.ac.uk/fsl)。Preprocessing of the functional images included motion correction, brain extraction, and spatial smoothing with 6 mm FWHM (full width at half maximum). Affine linear and nonlinear registration was performed to register the functional images from each subject to their mean structural images.

采用了一种鲁棒的基于ica的运动伪影自动去除策略(ICA-AROMA)，进一步去除生理噪声和高频成分，保持了自相关性。后来，我们从可能的干扰源，即脑白质(WM)和脑脊液(CSF)。然后，我们对数据进行带通滤波，除去0.009到0.08 Hz以外的频率。从每个参与者的运动前和运动后图像(包括“高”和“低”运动条件)中去噪滤波后的功能数据被转换到MNI152模板(2毫米)³空间分辨率)。

2.5。创建种子和网络掩码

预处理后，进行晶种到网络的分析。因此，我们创建了种子和网络掩码使用维克森林大学PickAtlas工具箱[21]. 我们选择双侧杏仁核作为我们的种子区，左右半球有两个单独的面具，覆盖“情绪大脑”的所有脑区（杏仁核以外）：前扣带回、中扣带回、后扣带回、下眶额皮质、内侧眶额皮质、中眶额皮质，眶额上皮质、前额叶背外侧皮质、下丘脑、岛叶、伏隔核和苍白球[9]。

为了评估更改前运动后,“高”与“低”运动强度,seed-to-network-based连接地图创建所有个体参与者在每个干预条件:这样做是通过计算种子区域之间的相关性的同时,该网络的子网掩码左右情绪大脑(22]。费雪的至然后进行转换来创建相应的FC地图，对于前和在每种条件下的RS-功能磁共振成像的后会话。

2.6。统计分析

使用SPSS 24（SPSS公司，芝加哥，伊利诺斯州）进行行为数据的所有的统计分析。

2.6.1。生理数据

采用配对 -测试用于分析与运动相关的参数，并相互比较运动条件(“低”与“高”)。分析参数如下:运动干预平均速度超过30分钟，最大心率，运动干预平均心率超过30分钟，最大血乳酸，最大RPE。

使用重复测量 方差分析（与要素条件（“低” /“高”）和时间（前/后运动））的MRI会议期间，人力资源进行了分析。因此，平均心率计算为每一个会话。由于人力资源记录的文物，只有18名受试者已被列入ANOVA。此外，事后配对 -进行了与Bonferroni校正测试。显著结果报道小于0.05的值。

2.6.2。PANAS

测试PANAS数据使用夏皮罗 - 威尔克测试正态分布显示，负的数据影响尺度不是正态分布。然而，模拟研究表明，重复测量方差分析是对侵犯正态分布的假设相对稳健，如果是已经触犯了唯一的假设[23]。因此，通过在a中输入值来分析PANAS 重复测量方差分析。然后将积极情感量表和消极情感量表分别输入a 重复测量方差分析。后来,配对 -进行了与Bonferroni校正测试。小于0.05的值被认为是统计上显著。

2.6.3。功能连通性

我们采用一般的线性模型来评估FC的双边杏仁核种子区域和左，右“情绪脑”网络之间的调节运动中的每个条件（与前运动后）后的条件与（“高”与“低”）。首先，我们会为每个主题中同时行权条件差异图（后减前）。然后，一个样品 -对这些个体差异图进行了测试，以测量条件内效应。为了比较彼此的条件(“低”与“高”)，a配对 -以个体差异图作为输入进行测试设计。此外，我们再次进行了相同的分析，但包括以下不感兴趣的协变量:扫描期间的HR、运动干预时的最大血乳酸值和每个测试日开始时获得的状态。由于缺少HR数据，只有一个样本 -与协变量测试包括 科目为“低”和“高”。由于两个对象中排除的“低”条件并不是那么已被排除在“高”状态时一样，比较锻炼情况分析（“低”与“高”）只包括 。调制，通过随机化每使用非参数5000个随机置换对象的每个组件，结合有自由阈簇增强（TFCE）技术[评估24]。在统计门槛显著集群 使用FSL [实施哈佛牛津图谱鉴定25]。报告的结果被用于校正多重比较（Bonferroni校正）。

2.6.4。相关分析

为了研究协会之间的FC在“情绪大脑”和行为数据（PANAS）的变化，为每个运动干预分别进行双尾相关性分析。因此， -在每个主题的水平提取的显著集群（我们有没有兴趣三个协变量分析）的值。增量 -相关分析采用运动后减去运动前的delta PANAS值。

3.结果

3.1。急性运动操控

从静止HR“低”运动干预期间平均心率增加 至 从静止的HR 至 在“高”的运动干预。配对 -测试显示，两种运动条件( ， )。此外，两种运动强度之间的最大心率也有显著差异（“低”： ，“高”： ; ; )。我们还发现了主观体力（“低”显著差异： ;“高”： ; ， ）速度(“低”: ，“高”： ; ; ）和血液中的乳酸浓度（“低”： ，“高”： ; ; )。生理和主观测量都表明，我们的实验设计是基于两个明显不同的运动强度。

3.2。功能磁共振成像扫描过程中生理指标监测

为了 重复测量方差分析, 由于伪影（样本大小需要被从分析中排除受试者： )。结果显示的状态的显著主效应（ ， ）的时间主效应（ ， ）和显著 相互作用( ， )。在事后检测， 需要排除22名受试者的“低”条件，也 为“高”状态，产生的样品大小 科目。比较显示，高强度运动后的HR明显高于运动前( ， ;pre -“高”: ，后置信“高”： )。从运动前到运动后( ， ;pre -“低”: ，后“低”: )。行权条件与对方（后的预减“低”与后减前“高”三角洲）相比也透露了显著的影响（ ， ）;i、 e.从前到后的增长-“高”( ）显著高于从“低”到“低”的增长( )。基线测量(运动前)并无差异( ， )。

3.3条。帕纳斯

通过对PANAS值的分析，我们发现了一个显著的时间主效应( ， ）规模的显著主要效应( ， ）和显著 相互作用( ， ）在 方差分析。

该 正性情感量表的方差分析显示出显著的时间主效应( ， )。积极的事后比较影响规模揭示了两种运动干预一个显著上升：预（ ）后( ）“低” - 强度运动（ ， ）和前( ）后( ）“高” - 强度运动（ ， ）（数字1)。

负面的影响分析只规模揭示了条件显著主效应（ ， )。两个相比较，行权条件的事后表现出的条件“低”和“高”之间没有显著差异。

3.4。“情绪大脑”内的杏仁核

3.4.1。双侧杏仁核的大脑右半球“情感脑”网络

双侧扁桃体种子和右半球之间我们的FC分析“情感大脑”网透露，在右侧前脑岛一个显著交互作用（AI）（ ）：通过提取出 -在人工智能的显著集群值中，我们发现交互效应是由“高”强度运动干预后的FC增加和“低”强度运动干预后的FC减少驱动的(图)2(一个)和2 (b)). 然而，直接比较低强度运动和高强度运动前后的差异并不显著。

3.4.2。双侧杏仁核与协变量右半球“情感脑”网络

在FC分析的无三个感兴趣的协变量（HR，血乳酸和STAI状态）进一步支持了我们的不协的结果，尽管样本规模较小（ )。比较“低”和“高”运动强度也显示了右侧岛叶FC的显著变化( )。这种相互作用也被“低”强度运动干预后FC的减少和“高”强度运动干预后FC的增加所驱动(图)2 (c)和图2（d）)。直接比较前与后的“低” - 强度锻炼和前与后的“高” - 强度锻炼没有透露显著差异。

3.4.3。左右脑双侧杏仁核的“情绪脑”网络

双侧扁桃体种子和左半球“情绪脑”的网络之间的FC分析显示，在FC带或不带协变量无显著差异。

3.5。杏仁体，海岛连接和PANAS正的相关性情绪量表

分析显示，在PANAS积极的变化之间的显著正相关影响规模和（以下简称“高” - 强度运动干预后增加的杏仁核，岛FC ， ;数字图3（b）). 在低强度运动状态下，我们没有发现显著的相关性( ， ;数字3(一个))。

四。讨论

This is the first study to investigate the differential effects of individually titrated “low”- and “high”-intensity aerobic exercise bouts specifically on the FC in emotional brain regions, i.e., between the amygdala and areas belonging to the “emotional brain” using rs-fMRI in healthy young recreational athletes. While generally supporting initial evidence of rs-FC increases in affective brain regions that persist after exercise, the results of this study also provide novel evidence of exercise intensity-dependent modulatory effects on rs-FC, namely, by demonstrating a significant interaction effect ( ）在杏仁核，岛FC：这是由杏仁核和“高” - 强度运动干预后右AI之间增加FC驱动，而减少被发现的“低” - 强度运动干预后。这增加了“高” - 强度锻炼与中PANAS积极的变化相关的杏仁核后，岛FC影响的规模，这与积极的情绪变化有关的运动诱发的杏仁核，岛FC增加。

的情绪变化评估显示这两个运动干预（“低”和“高”），这是符合以往文献后，在正一个显著上升的影响规模[26，27]。无显著差异的负面影响确定的规模。运动前，负的值会影响变量已经接近的范围（地面效应）的底部。

我们的调查是先验以“情感大脑”为中心，正如达格利什所描述的，他强调了杏仁核的特殊作用[9，28参与情绪加工]而且其他互连的区域（额叶前皮质，扣带回皮质，下丘脑和岛）。杏仁核“情绪大脑”中的突出作用是传统上与恐惧处理[29]。目前，然而，杏仁核的不同明显刺激的处理更广泛的功能性作用已经被提出30.，例如对社会线索的处理，尤其是面部表情[31，32]，独立于提示价[33]。在解剖学上，扁桃体是密集和往复互连到前额叶皮层，后扣带皮层，楔前叶，顶叶和枕叶，岛，丘脑和纹状体[34，35]。从跨物种的多个方法的证据支持对“杏仁核中心”大规模神经网络中，构成了情感/社交大脑[核心作用36]。

研究结果为翁等人的研究提供了独立的支持证据。[8然而，在没有报告情绪行为测量结果的情况下，这一研究发现，在适度锻炼后，大脑左杏仁核和右半脑的rs-FC显著增加。我们的数据表明，杏仁核-岛叶FC的变化取决于运动回合的强度，表明特定的运动强度以不同的方式调节情绪处理。

人工智能在处理情感方面扮演着重要角色，包括社会情感，如移情和同情[37]，而且人际现象一样公平和合作[38]。神经影像学研究表明，AI参与了评价，实验性的，具体的个人情绪，如快乐，悲伤，恐惧，厌恶和[的表现力方面39]。这些情绪加工的多个方面可以被归因于AI的不同解剖的连接[40，41]。

在杏仁核-FC岛状结构和/或功能的改变在不同的精神病学的情况进行了鉴定，包括焦虑障碍（创伤后应激障碍，恐惧症，恐慌）42-45]，抑郁症[46-48]， 精神分裂症 [49-51]，和孤独症[52-54]。运动已经证明对抑郁和焦虑症状有积极的作用[1，2功能磁共振成像研究显示，抑郁症患者的脑岛和杏仁核活动异常[55，56和焦虑症[57]。虽然大多数的研究显示，抑郁症患者的杏仁核减少，孤立RS-FC [58-62]，两项研究发现[63，64]。与参与情绪处理区域降低FC杏仁核的，如在大多数的研究中发现，可能会导致异常影响调节在抑郁症和可被认为是功能状态标记反射受损自下而上用于信令自上而下边缘的皮层调制地区[61]。在焦虑障碍的杏仁核上，岛屿FC文献还不太清楚：一些研究报告杏仁体越大，孤立FC患者的广泛性焦虑症[65]，而创伤后应激障碍患者显示出降低的杏仁核-岛状FC [66]。

我们的发现表明一个独特的神经机制剧烈运动后积极情感调制底层[26，27]。在PANAS正的变化之间的相关性影响规模和在“高”锻炼条件在杏仁核-岛状FC改变验证杏仁核-岛状FC的用于情感调制并在其上运动强度的影响的作用。体育锻炼似乎加强杏仁核，岛RS-FC，导致改善情绪，减少恐惧，那将不得不在未来专用患者人群实验验证的概念。潜在的，这些现象是由于内源性阿片释放介导的，因为正电子发射断层扫描配体激活的研究能够在AI [报告当地运动诱发的阿片类药物的释放67-69运动后。

有迹象表明，必须在目前的研究被认为是一定的局限性。为了排除潜在的激素周期联体液因素，纳入只有男性受试者。未来的研究应调查性别平衡的同伙。此外，没有控制干预实现的，所以它不能肯定的是，在前期与后期的比较显示效果也比其他的锻炼因素的驱动结束。我们认为这是不可能的，因为由运动诱发的杏仁核，岛RS-FC的变化一般是在与文献中先前初步结论线（如上所述）。虽然我们已经取得的情感措施（PANAS），未来的研究可能包括进一步情感问卷调查，捕捉更广泛的情感范围。此外，它并不总是能够同时测量条件，同时在白天一个主题，由于MRI扫描仪和对象的限制可用性。未来的研究应该尽量考虑这个问题。最后，我们不得不承认，我们的研究不允许为什么“低”演习和“高”演习用相反的效果相关的任何明确的结论，而不是在特定的网络上FC缩放效果。这个问题必须通过将控制条件（无运动）和兴奋性和抑制性神经传递额外的测量，例如，用PET放射性配体研究或磁共振波谱分析，这可能会在混合PET-MR系统来实现进一步调查。

数据可用性

本研究中产生和分析的数据可根据通讯作者的要求提供。由于包含的信息可能会损害研究参与者的隐私，这些数据是不可公开获取的。

利益冲突

作者有没有利益冲突的报告。

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