深圳大学邹立业团队Trends in Molecular Medicine发文｜人类多巴胺系统在运动与认知表现中的作用
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生命科学
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近年来，有研究指出了多巴胺系统可能是运动与认知关系中的关键中介因素。深圳大学BBM实验室硕士研究生侯美君、张致豪（共同第一作者）与导师邹立业教授（通讯作者）联合全球运动与认知科学领域知名学者在Cell Press细胞出版社旗下医学期刊Trends in Molecular Medicine 发表了题为“Human dopaminergic system in the exercise-cognition link” 的文章，总结了人类多巴胺系统在运动与认知表现的关系中的潜在作用，并详细探讨了未来研究的机遇和挑战。
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研究背景
大量研究发现，身体素质 ([Physical Fitness]，即体适能) 和规律的身体活动 ([Physical Activity]，包括有计划、结构化的单次短时有氧运动以及长期体育锻炼）与认知表现呈正相关关系 (Yu et al., 2021; Yue et al., 2020; Zhu et al., 2021; Zou et al., 2023)。然而，其背后的神经生物学机制目前尚不明确(McMorris, 2021)。大量动物实验结果支持大脑的神经递质（如多巴胺）可能在身体活动与认知表现之间承担中介角色，但针对人类样本的研究结果仍存在分歧(Ando et al., 2024; Jonasson et al., 2019; Sacheli et al., 2019)。邹立业教授回顾并总结近五年来相关领域的前沿研究，以探讨多巴胺系统在运动与认知表现关系中的作用。
1）身体活动/身体素质、多巴胺和认知表现之间的关联
近期研究日益关注身体活动/身体素质、多巴胺系统活动水平与认知表现之间的。例如，一项基于35名健康成年人的横断面研究发现，心肺功能水平与执行功能表现显著正相关，且静息态自发性眨眼率（Resting-state spontaneous eye blink rate:反映大脑中多巴胺水平的间接指标）在其中起到中介作用(Kuwamizu et al., 2021)。一项针对178名健康中老年人的研究结果显示，身体活动水平与尾状核内多巴胺水平及情景记忆表现正相关，并且情景记忆表现与纹状体亚区的多巴胺水平（D2/3DR Availability）呈正相关(Köhncke et al., 2018)。此外，老年帕金森患者进一步证实三者之间的关系，并且该研究发现多巴胺系统可能反过来通过身体活动影响认知表现 (Shih et al., 2019)。综上所述，横断面研究结果支持了多巴胺系统在运动与认知关系中发挥中介作用。
2）短时有氧运动诱导的多巴胺系统变化在身体活动与认知表现之间的作用
多项研究证实，短时有氧运动对于人类认知表现的积极作用与多巴胺系统活动水平有关。例如，一项针对131名健康青少年的随机对照实验发现，被试进行10-14分钟高强度间歇性踩单车运动任务后，DAT1/SLC6A3多态性A等位基因（倾向于通过D2受体对纹状体多巴胺进行更加活跃的再摄取）携带者比C等位基因携带者的认知灵活性表现提升更大(Berse et al., 2015)。另外一项研究采用正电子发射断层扫描技术（PET），招募16名健康成年人进行随机交叉对照实验（40分钟中强度运动实验条件与40分钟久坐行为对照条件，且在干预前后进行执行功能测试）(Ando et al., 2024)。结果表明，被试在运动干预后前额皮层释放了更多的内源性多巴胺，且由运动所诱导的多巴胺水平与个体抑制功能表现呈正相关关系。综上所述，短时运动干预研究进一步证实了多巴胺系统在身体活动与认知表现关系中的潜在作用。
3）长时运动干预诱导的多巴胺系统变化在身体活动与认知表现之间的作用
然而，目前多巴胺系统在长期运动干预对于认知表现中影响中的作用尚不明确。例如，一项随机对照实验（N = 54）对比了6个月的中高强度的耐力训练（如跑步与功率单车训练）与积极对照组（如协调、拉伸与抗阻训练）在改善久坐老年人群心肺功能的效果差异。被试纹状体内的多巴胺受体活性与工作记忆的表现在耐力训练干预后有显著的提升，然而二者变化值之间未发现显著相关 (Jonasson et al., 2019)。此外，另一项针对35名中老年帕金森患者的随机对照试验发现，为期3个月的运动干预后（其中20名为有氧运动单车实验组，15名为对照拉伸控制组），由重复经颅磁刺激(rTMS)所诱导的尾状核多巴胺在实验组个体脑区释放显著增多，而对照组则并未出现这种变化(Sacheli et al., 2019)。此外，两组被试在轨迹追踪测验的结果中均未发现认知表现的改善。
综上所述，长期运动干预研究中并未发现多巴胺水平---身体活动---认知表现三者之间的显著关联。本文作者提出了以下可能的解释：（1）研究选择的多巴胺特定脑区尚存在争议，目前长时运动干预研究中测量焦点主要围绕纹状体而非与执行功能相关的前额叶区域；（2）多巴胺系统并非联系身体活动与认知表现的唯一中介因素，其他神经递质（如内啡肽、血清素）与生理系统（如脑源性神经营养因子）的作用也应被综合考虑；（3）对于帕金森病患者等特定的群体，多巴胺系统中的神经损伤及其他生理系统（如神经炎症、胶质细胞活动）的十分严重，可能削弱了长期运动干预的潜在益处；（4）基因多态性也可能导致运动干预所诱导的多巴胺释放存在差异，进而影响认知表现及研究结果。
图1：身体活动-多巴胺系统-认知表现的关联示意图
研究机遇与挑战
多巴胺在许多方面发挥着重要的作用，例如，影响儿童和青少年的认知发展，减缓老年人认知退化，以及在特定神经退行性疾病（如阿尔茨海默病和帕金森病）的发病机制中起到关联作用等。因此，深入研究多巴胺系统在身体活动与认知表现之间的关系中承担的角色至关重要。这不仅能加深我们对身体活动/身体素质与认知功能之间神经生物学关联的理解，还可以帮助我们根据研究结果优化运动干预方案，以提升不同年龄阶段健康人群的认知表现，并可能在一定程度上延缓正常衰老或由疾病（如轻度认知障碍）引起的认知功能衰退。
尽管动物实验提供了关于多巴胺系统在身体活动与认知表现关联中的潜在作用的见解与证据，但这些结果不能直接应用于人类。基于此，本文作者详细讨论了未来研究的挑战与机遇，旨在更全面理解这一复杂关系：
1) 样本多样化：
现有研究主要聚焦于特定的成人群体（如健康成年人以及帕金森患者），未来的研究应招募更广泛年龄范围和更大样本量的参与者，以探讨人类群体中多巴胺系统活动变化与运动及认知表现之间的关系。
2) 运动剂量效应：
未来研究需探讨运动特征（如类型、强度、以及持续时间）和训练参数（如持续时间、频率、以及密度）是否会潜在的调节运动诱发的人类多巴胺系统活动水平和认知表现的变化。
3) 测量方式多样化：
鉴于多巴胺系统的复杂性，未来研究可以探索：（a）测量在执行功能中起关键作用的D1/D5受体；（b）纳入对多巴胺系统变化较为敏感的认知任务，如听觉工作记忆任务等；（c）探究多巴胺与其他神经递质（如去甲肾上腺素、血清素和乙酰胆碱）的交互作用。
4) 运动干预的时效性：
运动对大脑多巴胺系统的影响是动态的且运动干预的效果存在时效性，因此测试时间对于结果的分析与解释十分重要。例如，Wang等人(2000)的研究未能检测到运动后的内源性多巴胺变化，这可能是由于PET扫描在运动冷却期后才开始进行，导致错过了多巴胺释放的高峰期。考虑到多巴胺标记物[11C]raclopride在注射后10分钟以上才达到峰值，并且获取单一BPND（Nondisplaceable binding potential）值的PET扫描通常需要约90分钟，扫描的时间选择显得尤为关键。
5) 24小时活动行为视角：
在24小时昼夜节律中，除了不同水平身体活动发生外，睡眠和久坐行为也可能显著影响多巴胺系统与认知表现，但这些因素往往未受到足够的关注(Zou et al., 2024)。例如，通过可穿戴设备可以实时监测和记录个体在24小时内的活动行为模式，包括睡眠模式、身体活动水平以及久坐行为参数等。这些具有实时性、生态性的数据有助于研究人员构建更精确的运动干预模型，以阐明活动行为如何综合作用于多巴胺系统和认知表现。
总结与展望
综上所述，人类多巴胺能系统可能在身体活动/身体素质与认知表现之间的关联中发挥着重要的作用。然而，目前针对这一主题的研究证据仍然有限，多个关键问题尚待解决。因此，本文作者呼吁研究人员设计更为严谨的实验，在不同年龄阶段、健康状况人群中进一步探讨多巴胺能系统如何在身体活动——认知表现联系中发挥作用，从而得出更为严谨的结论。
论文作者介绍
邹立业
教授
邹立业，教授，博士生导师；于2017年获美国春田学院（Springfield College）博士学位，随后在香港中文大学从事博士后研究。2019年入选深圳市孔雀计划C类人才。心理学院“运动与脑心健康（Body-Brain-Mind Laboratory）”课题组负责人, 在上述领域研究经历丰富、建树卓越，已发表相关SCI/SSCI论文100余篇（如Trends in Cognitive Science、British Journal of Sports Medicine、Journal of Sport and Health Science）；培养多名学生考入世界名校，如美国哥伦比大学、美国伊利诺伊大学香槟分校、英国爱丁堡大学、伦敦国王学院；成果多次入选中国精神疾病领域高价值Top100，部分成果获《中国教育报》头版及教育部网站转载，并被世界卫生组织政策报告多次采用，进入2022年全球前2%顶尖科学家2023版榜；担任International Journal of Clinical and Health Psychology（SSCI）、Mental Health and Physical Activity (SSCI)、Complementary Therapies in Clinical Practice (SCI)、International Journal of Sport and Exercise Psychology（SSCI）、Cambridge Prisms: Global Mental Health等期刊编委或副主编。
相关论文信息
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▌论文标题：
Human dopaminergic system in the exercise-cognition link
▌论文网址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1471491424000996
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.molmed.2024.04.011
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