文摘

运动被认为是重要的认知的好处。虽然实验范式的一个数组用来测试对锻炼个人认知的影响,机制如何运动诱发大脑中的认知效益仍不清楚。本研究探讨了影响动态神经网络处理经典/勿动蛋白任务与普通锻炼者。我们使用功能性磁共振成像分析区域的大脑活动参与执行功能,特别是抑制控制。19定期慢跑者和21个学科作为对照组进行任务,和他们的脑成像数据进行了分析。结果表明,细心的视觉时代,额叶和顶叶区域,包括前额叶皮层、壳核、丘脑,舌,梭状回,和尾状比对照组显著提高积极活动。另一方面,在接下来的抑制性控制处理期间,几乎相同的大脑区域运动组的显示较强的负激活与对照组相比。这样的动态时间响应模式表明,运动增强认知的好处;即。,regular jogging increases the brain’s visual attention and inhibitory control capacities.

1。介绍

运动越来越受欢迎,它已经成为一个重要的指示器显示一个人的社会地位。不同的研究已经证明,锻炼可以塑造大脑结构,导致认知的好处。不同认知任务范式已经应用于探索之间的关系锻炼和大脑的认知功能,如执行功能(1),注意2),和记忆3]。有氧运动有较高的老年人更大的前额叶皮层的灰质容量和更大的灰质体积,如背外侧前额叶皮层(DLPFC) [4]。他们提高注意力和记忆力和表现的更好在Stroop和空间工作记忆任务(变频调速)。运动训练可以增加个人的适应能力和改善认知能力锻炼,特别是在知觉速度和执行控制(5]。独立于年龄、类似性能的影响一直在观察成年人增强的抑制控制和认知能力的重新评估6]。

如何锻炼塑造大脑的处理?至关重要的和紧急的理解大脑的病因机制参与运动神经功能认知过程的好处。线索反应性和抑制性控制的关键流程参与开发和维护运动能力和能力。传统上,Go /勿动蛋白(GNG)的任务已经被用作工具观察大脑抑制功能网络处理通过对比去勿动蛋白条件。例如,电生理(EEG)的一项研究表明,精英运动员GNG执行任务比乒乓球大学生(7]。作者观察到明显的“勿动蛋白效应”更大的N2和P3组件与运动员,表明一个更大量的抑制功能(7]。尽管脑电图数据有一个非常粗糙的空间分辨率,frontal-central和central-top区域的电极记录显示更强的运动员的反应比大学生,条件下去,也没有去。同样,GNG [8)和特鲁颜色词(标准铜线)任务(9)引起的负振幅N200灯和N450额/ frontocentral分布和在前扣带皮层10,11]。P300的正向的振幅峰值在壁/ centroparietal区域,观察(12,13]。P300建议的大小成比例的分配注意力资源评估任务相关的刺激(14]。任务相关的刺激可以激活神经网络的共享设置,包括注意力、抑制控制和其他cognitive-related函数。做运动的人可以感知任务线索和唤起更好的注意行为。他们完成任务的更好,尤其是等抑制性行为勿动蛋白的任务。然而,上述运动的大脑机制主要是发现与脑电图记录。所涉及的复杂的神经网络增强线索反应性和反应抑制仍不明朗。因此,迫在眉睫的是完全特定的复杂神经网络认知的好处。功能性磁共振成像(fMRI)可以帮助定位大脑活动细节。因此,在这项研究中,我们的目的是观察习惯的神经反应模式与fMRI锻炼者。这样做,影响动态神经网络处理经典GNG任务与普通锻炼者会分析。 The results will also be compared with the previous literature.

为了描述运动视觉线索的反应和抑制反应的机理,我们假设如下:(1)视觉线索的反应将会增强。换句话说,运动集团将演示中脑边缘多巴胺增加提示反应区域的线索;(2)抑制系统将增强。会有更强的前额叶的负面反应比控制在反应抑制神经活动。最后,通过与观察到的神经关联测试我们的假设,我们可以比较结果与其他运动行为研究和讨论锻炼塑造认知的有效性的好处。

2。方法和材料

2.1。参与者

免费的志愿者选择通过社交媒体广告,正是在微信,在常熟持续了约三个月,中国。运动组的参与者主要是在常熟当地的跑步俱乐部的成员。受试者运动组的总数是19日,包括13个雄性和雌性6(平均年龄: 年)。作为对照组,他们招募了21 nonathletic爱好者,包括10名男性和11个女性(平均年龄: 年)。无显著差异,而在性别(卡方检验, ),年龄和教育年( - - - - - -测试, )在受试者的运动组和对照组。所有的受试者正常或纠正视力,没有心理障碍问题的历史。

所有志愿者定期办公室久坐的工作,没有一个人是一个全职或兼职的运动员。我们选择参与者的运动组(1)如果她/他参加了马拉松至少每月一次,(2)如果她/他每周至少三次慢跑,慢跑和(3)如果每个会议持续了一个多小时。频率,每周总运动时间,和对照组相比,表中列出1。在比较表的列1,可以看出频率和总运动时间每周的锻炼组明显高于对照组。

所有受试者充分了解关于这项研究的过程和在实验前,签署书面同意。批准的研究伦理委员会(IEC)的常熟市第二人民医院(牌照号码2018 - 68),根据道德准则。

2.2。任务

参与者招募和选择之后,他们将扫描GNG任务。参与者执行传统GNG任务与事件相关的设计。刺激包含26的白色背景黑色资本字母显示。显示,刺激分为两组:X集团20%的频率和非X集团频率为80%。每个试验开始于一个固定为750 ms(+)展出,紧随其后的是一个字母为250 ms。然后,黑色的屏幕持续了1000 ms。在黑屏的表示,参与者被要求识别字母,用右手按下按钮如果字母划“X”(试验)或没有回应,如果X(没有去试验)。块由120次试验,1分钟后,块是重复一次。整个运行持续了大约9分钟。

2.3。核磁共振数据采集

结构和功能磁共振成像数据收集使用通用电气发现MR750W 3.0 T扫描系统,成像部门安置在常熟市第二人民医院。扫描仪的8路头线圈。在扫描过程中,受试者静静地躺在在磁共振检查床上,修复与泡沫填充头部线圈内的头,戴着耳塞,以减少机器噪音。参与者观看了视觉刺激通过反射镜安装在头部线圈。通过镜子,反射的视觉刺激是投影仪的屏幕,在核磁共振成像的城门。结构成像、高分辨率t1扫描。3 d T1序列应用BRAVO_SPM卷 女士, 女士, °, 厘米, 矩阵大小和切片厚度1毫米。对t2加权序列先生收购使用功能成像 女士, 女士, °,扫描分辨率 ,33片,间隔片的0.2毫米 毫米, 厘米, 毫米³。第一个2扫描被丢弃的允许大胆的信号稳定。

2.4。功能磁共振成像数据分析

功能磁共振成像数据进行预处理和统计分析使用SPM12 (Wellcome成像部神经科学、伦敦大学学院、英国、http://www.fil.ion.ucl.ac.uk/spm),在MATLAB中实现R2013b (MathWorks公司,纳蒂克,MA)。预处理包括头动校正、空间标准化、和空间平滑在半峰6毫米宽屏高斯内核。coregistered功能和解剖图像注册到蒙特利尔神经学研究所(MNI)空间分辨率 毫米³。头部动作的序列范围超过3毫米或旋转超过3度被移除。

预处理完成于一阶分析后,在三个条件下诱发血液动力学反应模型为每个主题,使用箱式车函数与规范化卷积HRF(血流动力学响应函数)来构建一个一般线性模型(GLM)。讨厌的回归量由6头运动参数和一个常数为每个运行回归量。对比反应分为两届windows个人主体层面:视觉刺激持续250毫秒,1000毫秒后视觉刺激后消失了。分析:没有条件与基线条件,条件与基线条件,没有去条件与条件(组间比较)。二阶组级别随机效应分析是实现整个地图,使用permutation-based非参数法(15)运行5000排列DPABI软件(16]。我们最初设置主voxel-level阈值 和最小面积30像素点以集群形式激活。大脑活动是在解剖学上标记根据修订后的阿特拉斯AAL2 [17),这是使用呈现bspmview工具箱(10.5281 / zenodo.168074)。

3所示。结果

结果表明,与对照组相比,锻炼者的大脑激活的额叶和顶叶中心一直积极加强在细心的视觉感知(图1、表2)。在接下来的时间,几乎相同的大脑区域的锻炼者在负面的抑制控制反应强于对照组(图2、表3)。

4所示。讨论

本研究调查的神经生理学反应经常慢跑集团使用经典GNG范例。锻炼组显示更健壮的激活壳核、丘脑,舌,梭状回、PFC、和尾状比对照组在感知阶段,而在接下来的抑制性控制阶段,上述地区的大多数运动组显示增强抑制性反应与对照组相比。增强反应涉及不仅激活失活。这些影响的时间动态神经网络模式可能密切相关的特定的功能可塑性受到有规律的锻炼。这两个认知注意能力的提高带来的好处和抑制性控制的重点是在下面讨论。

最近的一项荟萃分析研究表明,体育锻炼训练会导致功能激活模式的变化主要位于楔前叶和frontoparietal,背的注意,和默认模式网络(18]。值得注意的是,长期锻炼的人重塑区域与frontoparietal和背侧注意网络。我们的观察是与以前的结果一致。反应的增加运动的视觉cue-induced反应组(表3)功能主要涉及网络等视觉信息处理(梭形、舌回),动机,和期望(前额叶区域)。外侧颞叶,包括颞中回,已建议由视觉皮层(19]。显示的视觉皮层最近扮演一个角色在形成联想记忆20.]。因此,与先前的研究一致的运动,大脑的注意力,学习和记忆的区域已报告提示反应,和联想学习维护在运动中起着重要作用。增强的功能磁共振成像大胆反应功能区域的多巴胺能神经元活动区域的额叶皮质(FC)是假设为奖励参与调节期望从感官信号21,22]。

此外,PFC,连接神经解剖学的边缘结构,被认为是更负责奖励期望的情感和动机特性(23]。正如所料,PFC的增强激活我们的研究表明,运动组与视觉刺激更敏感和关注,因此,激励网络过于激动的。PFC被认为是与内存和回报期望通过评估和整合感官输入和情感信息(24- - - - - -26],从而有目的的行动27]。因此,我们观察支持假设的增强激活PFC表明锻炼受试者更敏感和细心的视觉刺激。

在接下来的抑制控制过程( ),锻炼组显示左和右丘脑显著失活,壳核、尾状核、舌,PFC和前扣带(表3)。几乎相同的大脑区域,已参与过激励(积极的)在感知阶段(接收视觉形象),已经转向更实质性的抑制性控制(负面)以下决定性过程(去或不去)。这样的活动可能意味着更强的抑制控制大脑的活动锻炼组。之前的文献表明,抑制控制是一个至关重要的组件共同执行功能(28]。一方面,抑制控制与儿童的发展有巨大的影响对他们的学术成就29日,30.和心理健康31日]。另一方面,可怜的抑制性控制预测危险的成瘾行为。例如,互联网游戏障碍集团的一项研究表明更多的冲动和低活动的辅助运动区(SMA) / pre-SMA相比对照组(32]。结合两方面的显著抑制相关线索和反应,使用GNG任务,范·霍尔斯特et al。33)表现出较低的背外侧激活和前扣带皮层神经抑制赌博患者。丁等。34)观察到增强和降低反应在大脑不同区域勿动蛋白的任务。受试者与网络游戏成瘾没有去试验中表现出过度活跃在左额内侧回优越,前扣带皮层,对上级/额中回、左顶叶小叶、左侧中央前回、左侧楔前叶和楔片。同时,一些大脑区域表现出减少活动,包括双边颞中回、颞下回,两右顶叶小叶。这hypeactivation可能是一个障碍在关闭默认模式没有去试验。基于成瘾行为的抑制控制障碍,一些文献报道,运动可以有效的成瘾治疗(35]。因此,有必要了解的细节颞神经动态模式参与抑制的控制过程,表明神经可塑性的机制的练习。

尽管本研究旨在探讨exercise-brain机制与功能磁共振成像,有一些局限性。一些更具体的实验范式,如选择性注意状况图片一样,可能有助于进一步分析特定于任务的关注,奖励,和任务相关的认知能力的好处。在未来,GNG行为数据的详细分析可以看,如正确的和不正确的响应率和相应的大脑活动。刺激可以取代体育图片代替经典GNG字母。这样修改的实验可以观察更具体的任务相关的反应。此外,参与者的锻炼是招募了慢跑俱乐部。它可以扩展采取许多其他锻炼者如足球运动员和篮球运动员。本研究中参与者的平均年龄是五十年代。最好分类年轻(35岁以下年龄的认知功能不受影响)或长老(60以上,认知功能最可能影响随着年龄)来扩展的理解与不同年龄段认知发展的好处。

5。结论

最后,目前GNG研究支持我们的假设,表明颞动态神经网络活动,包括增加积极的激活和强抑制性控制位于额叶和顶叶,表现出认知规律的慢跑者的好处。

数据可用性

功能磁共振成像数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

信息披露

作者声明,这项研究的结果提出了很明显,老实说,没有制造,伪造或不恰当的数据操作。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

QD、YL和PL设计实验。QD、JD、LH、QL HZ, ZQ、WS,和XY进行了实验和分析数据和PL一起。FD, JC, PL写的手稿。所有作者通过了期末论文。

确认

这项工作一直支持中国的国家重点研发项目(2021 yff0306500),中国国家自然科学基金(61703058),指导苏州市级科技项目局(SYSD2018014)和项目常熟科技局(CS201807)。