身體活動與老年大腦功能:功能性磁共振造影的研究回顧

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DOI:10.6251/BEP.201812_50(2).0009

身體活動與老年大腦功能:功能性磁共

振造影的研究回顧

陳豐慈

黃植懋

王俊智

張育愷

國立臺灣師範大學 國立交通大學 國立臺灣師範大學 體育學系 生物科技系暨研究所 體育學系 本回顧之目的係以靜息態與作業相關功能性磁共振造影取向探討身體活動對老年大腦功能之影 響,其中並以橫斷式與縱貫式研究取向,將身體活動分為心肺功能/有氧訓練、太極拳、阻力健身 運動、協調訓練、身體活動量,及認知性身體活動等探討其在老化大腦功能之效益。靜息態功能 性磁共振造影取向之結果發現,透過心肺適能與有氧訓練與增進老年人大腦功能間有其正向關 聯;該正面效益亦發現在針對高齡者的太極拳運動上,然研究對於阻力健身運動之結果仍需更多 研究進一步釐清。作業相關功能性磁共振造影取向之結果則發現,心肺適能與協調訓練皆對老年 人大腦功能亦有正面影響。此外,高身體活動量對一般老年或高風險失智者之大腦功能皆有其效 益。另外,透過認知性身體活動介入可對老年人之大腦處理效率有正面影響。整體而言,過去研 究已為身體活動與老化大腦功能間之正向關聯提供科學實證基礎,本回顧結果可能提供台灣社會 針對老年族群改善大腦功能之身體活動處方。 關鍵詞:身體活動、執行功能、認知老化、磁共振造影

* 1. 本篇論文通訊作者:張育愷,通訊方式:yukaichangnew@gmail.com。

2. 本文由張育愷所申請之科技部計畫(MOST 107-2628-H-179-001-MY3、MOST 105-2628-H-179-001-MY3),以及 黃植懋所申請之科技部計畫(MOST 105-2420-H-009-001-MY2)部分補助支持。

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全球高齡化(global aging)浪潮已成世界各國關注的研究議題。近期人口分佈報告指出,全 世界人口總數預估於 2045 年達到 90 億人,其中 2009 年 60 歲以上的人口已佔全球人口比例之 10.8%,而 2050 年則預估將攀升至 22.0%(Crampton, 2009);事實上,高齡者的比例是所有年齡 層人口群組中累積最快速的族群(Van Bavel, 2013)。然而,老化人口的倍增與預期壽命(life expectancy)的延長,並無法完全預測老年的身心健康與其晚年的生活品質。世界衛生組織的研究 報告指出,維持穩定的心理健康與正常的認知神經功能(neurocognitive function)是影響晚年生活 品質,以及是否能夠成功老化(successful aging)的關鍵因素之一(World Health Organization, 2017)。

在眾多老化相關的臨床疾病中,失智症(dementia)是 65 歲以上高齡者影響最大的神經性退 化疾病之一,其與心理或認知神經功能健康關係尤深。罹患失智症的成年人除了記憶(memory) 能力的嚴重衰退,還包括其它自主生活的認知失常,例如:思考、語言,及決策等。根據研究報 告指出,全球約有5%至 7%高齡人口罹患失智症,且每間隔 20 年,其罹患失智症的總人數將翻倍 成長(Prince et al., 2013);在臺灣亦有類似之趨勢,推估報告指出 2016 年臺灣失智症人口已逾 26 萬人,亦即大約每100 人就有 1 人罹患失智症(臺灣臨床失智症協會,2016)。因此,為因應高齡 化社會更多失能老年人口的來臨,積極尋求方法來改善、提升與強健高齡者的認知神經功能,使 之能自主獨立生活、降低醫療照護與經濟安全的社會成本,已成為學界關注的重要研究議題。 過去研究證據指出,老化過程之認知功能表現與大腦健康有高度相關(黃植懋、黃緒文、洪 蘭、曾志朗,2014)。事實上,35 歲後成人之大腦結構隨年齡而逐年縮小,而 60 歲後其整體大腦 體積量甚至以每年下降0.5%的速度萎縮(Hedman, van Haren, Schnack, Kahn, & Hulshoff Pol, 2012) (圖 1);不同大腦區域結構體積的萎縮,也被發現與特定認知功能表現有關。例如,大腦前額葉 體積較少的老年人,他們在智力測驗的分數較低、執行功能的處理效率較差、抑制控制能力不佳, 以及工作記憶表現較弱(Cardenas et al., 2011; Head, Kennedy, Rodrigue, & Raz, 2009)。此外,亦有 研究發現隨年齡增長,其大腦功能也呈現顯著下降趨勢,其功能受到老化影響的大腦區域,包含 背外側前額葉皮質(dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC)、前扣帶皮質區(anterior cingulate cortex, ACC)、頂葉(parietal lobule)、小腦(cerebellum)、基底核(basal ganglia),及海馬回(hippocampus) 等(Cao et al., 2014; Grady, 2008; Greene & Killiany, 2010; Lin et al., 2017; Park & Reuter-Lorenz, 2009)。該些 大腦功能的弱化導致整體的認知與心理功能下降,並與失智症或阿茲海默症 (Alzheimer’s disease)有關(Kennedy et al., 2009)。

圖1 年齡與全腦容積之關聯。

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然而,延緩老化相關認知功能的衰退並非不可行,已有許多研究已經發現,身體活動(physical activity)與增進大腦認知功能表現(齊璘、陳豐慈、祝堅恆、張育愷,2014;古博文、陳俐蓉、 許志宏,2016;王駿濠、蔡佳良,2017),或改善大腦神經滋養因子(王俊智、宋岱芬、祝堅恆、 張育愷,2016)有關。另外,以神經科學取向探討之動物模式研究(Holschneider, Yang, Guo, & Maarek, 2007; Nokia et al., 2016; Timofeeva, Huang, & Richard, 2003)與人類研究(Colcombe et al., 2006; Colcombe, Kramer, McAuley, Erickson, & Scalf, 2004; Kramer & Erickson, 2007; McAuley et al., 2011) 皆已積累較為大量之證據,支持身體活動量可正向影響大腦認知功能表現。亦有諸多回顧性與實 證性研究也指出,身體活動對改善大腦結構或功能係有正面的影響(宋岱芬等人,2017;豐東洋、 黃耀宗、郭正煜、高士竣,2016;Hillman, Erickson, & Kramer, 2008; Kramer, Erickson, & Colcombe, 2006; Park & Reuter-Lorenz, 2009)。

「身體活動」係指由骨骼肌導致能量消耗的所有身體動作,通常以身體活動量(如卡路里消 耗量)作為測量指標。過去實證研究發現,經由身體活動可增進心肺功能(cardiovascular fitness) 或有氧適能(aerobic fitness)等身體適能(physical fitness),進而改善老年人之認知功能(Netz, Dwolatzky, Zinker, Argov, & Agmon, 2011)。不過,身體適能涵蓋範疇較廣,其可廣泛延伸至心肺適 能/有氧適能、肌耐力、協調、柔軟度、平衡,及爆發力等,而身體活動與身體適能或許可能產 生不同認知功能結果(Barha, Davis, Falck, Nagamatsu, & Liu-Ambrose, 2017; Cai & Abrahamson, 2016; Ehlers et al., 2017; Nagamatsu et al., 2016)。有鑑於認知功能與大腦功能之諸多關聯性,身體 活動與身體適能或可會使大腦功能產生不同影響。為此,本文回顧將著重於探討身體活動、身體 適能與老化大腦功能間之關聯。

由於磁共振造影(magnetic resonance imaging, MRI)技術的興起與快速發展,結合認知神經科 學與運動心理學的跨領域研究取向,進而探討成年人身體活動與大腦健康的關係,已成此跨領域 之研究趨勢之一。MRI 為非侵入性的神經造影儀器,已廣泛應用於醫學領域診斷,及偵測神經系 統的健康與損傷程度。運用MRI 技術,研究者可迅速有效的偵測大腦生理訊號的相關數值,並運 用影像分析與統計運算,獲得大腦結構與功能的相關資訊,解釋個體認知功能與行為表現的個別 差異。相較於過去僅聚焦於認知行為表現,或者其他神經造影術(如:腦電波),MRI 擁有高空間 解析度的大腦造影技術之優勢,可同時暸解認知功能與特定腦區活動之結果;在身體活動相關研 究議題上,許多研究已從不同分析取向探討其對大腦功能與結構之影響,例如:使用功能造影 (functional imaging)研究不同認知功能作業進行時大腦活動的變化(Hall et al., 2008; Hayes, Hayes, Cadden, & Verfaellie, 2013);使用結構造影(structural MRI)研究大腦皮質厚度與大腦區域體積的 變化(Ahlskog, Geda, Graff-Radford, & Petersen, 2011; Chapman et al., 2013; Hayes et al., 2013);使 用擴散磁共振造影技術(diffusion MRI)研究大腦區域之間的結構連結性(structural connectivity) (Burzynska et al., 2014; Marks, Katz, Styner, & Smith, 2010);使用靜息態功能性磁共振造影技術 (resting-state fMRI)探討大腦區域之間的功能連結性(functional connectivity)(Boraxbekk, Salami, Wahlin, & Nyberg, 2016; Raichlen et al., 2016; Tozzi et al., 2016);部分研究甚至結合上述數種造影技 術的多元取向研究(圖2)。

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圖2 身體活動與大腦健康之研究:以不同分析取向與不同族群進行區分。

註:引用至Voelcker-Rehage and Niemann(2013)之回顧性文獻。

然而,目前國內以MRI 研究探討身體活動如何影響老化大腦與認知功能尚少。雖有部分研究 回顧,然多聚焦於大腦結構的相關研究(吳治翰、齊璘、張育愷,2015;張育愷、祝堅恆、王俊 智、楊高騰,2013),在身體活動與大腦功能之回顧較為缺乏,亦即,相較於國外研究已在該議題 上近年之諸多著墨,國內相關研究仍屬於初始階段。另外,猶如過去研究之發現,身體活動與身 體適能可能對老化大腦功能產生不同影響,因此本文亦嘗試提出改善老化大腦功能之相關處方與 策略。有鑑於此,本文嘗試統整國外的老化研究相關文獻,主要聚焦族群設定在年齡為65 歲以上 之老年族群,且亦包含與認知相關神經性退化疾病(如:阿茲海默症、輕微認知障礙),並以功能 性磁共振造影(functional MRI, fMRI)取向探討身體活動對大腦功能之影響。另有鑑於靜息態功 能性磁共振造影(resting-state fMRI, RS-fMRI)與作業相關功能性磁共振造影(task-based fMRI, TB-fMRI)為探討 fMRI 之主要取向,因此本研究回顧亦將以此研究為回顧聚焦。具體而言,本文 首先會針對此兩fMRI 技術進行簡介與其在認知神經老化研究上之應用;其後統整相關文獻探討身 體活動對大腦功能之影響,並整合各個研究之實驗設計與研究結果;最後再對整篇回顧進行總結 與提出未來可行性之方向,期望透過該回顧能提供國內學界日後在此議題研究之參考依據。

fMRI 介紹與應用

功能性磁共振造影(fMRI)是藉由測量大腦區域神經活動所引發的血氧濃度相依對比 (blood-oxygen-level-dependent, BOLD)訊號,進而推論與行為表現或認知功能有關大腦活動的功 能性神經造影技術。一般認為,BOLD 訊號與個體面對外在環境刺激時大腦做出適當神經反應 (neural response)有關,例如:呈現與臉孔特徵有關的視覺作業刺激時,人類大腦枕葉腹側區域 會引發比一般視覺作業刺激較高的 BOLD 訊號,藉此可推論這些腦部區域與臉孔辨識高度有關 (Kanwisher, McDermott, & Chun, 1997)。在 fMRI 之應用上,主要可分為靜息態功能性磁共振造 影與作業相關功能性磁共振造影兩種研究取向。本文以下即針對該兩種功能性磁共振造影研究取 向進行簡要介紹。

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一、靜息態功能性磁共振造影研究取向

RS-fMRI 係指個體處於生心理安靜狀態下,測量低頻(low-frequency, 0.01-0.1Hz)BOLD 訊號 觀察內因性(endogenous)的大腦神經活動(Lowe, Mock, & Sorenson, 1998),並以計算模型評估 大腦不同區域間的功能性連結狀態。在典型RS-fMRI 掃描時,研究對象必須將眼睛閉上或觀看無 意義的視覺刺激,並處於無特定主題思考的放空狀態,但需避免入睡。以RS-fMRI 分析了解大腦 功能連結的研究,Biswal, Yetkin, Haughton, and Hyde(1995)首次指出大腦左側與右側的感覺運動 聯合皮質區(somatomotor cortices)之間有較高的之相關性(coherence),顯示不同大腦區域在沒 有任何特定外在感官或認知刺激出現,仍保持功能相互連結與傳遞神經訊號的生理狀態。

近幾年 RS-fMRI 的研究亦著墨於老化相關研究(Chen et al., 2016; Kawagoe, Onoda, & Yamaguchi, 2017; Lee & Hsieh, 2017),或輕微認知障礙(mild cognitive impairment MCI),以及阿 茲海默症等神經相關疾病等族群(Brier et al., 2012; Qi et al., 2010)。以RS-fMRI 取向應用於健康或 病理老化的研究,諸多文獻已指出大腦網絡功能性連結下降,可能反映大腦功能老化程度的指標 (Greenwood, 2007; Reuter-Lorenz & Lustig, 2005; Supekar, Menon, Rubin, Musen, & Greicius, 2008)。在RS-fMRI 的研究發現,常見大腦功能性連結網路有預設模式網絡(default mode network, DMN)、前額葉執行網路(frontal-executive network, FEN)與額頂葉注意力網路(frontal-parietal network, FPN)等(Joo, Lim, & Lee, 2016)。其中,DMN 係指大腦較多時間處於預設模式(default mode),當個體無外在作業處理要求(external processing demands)或休息狀態時,其某些大腦網 路仍保持警醒狀態、並呈現較高活動,以因應即將可能出現的認知作業或環境刺激的改變(Greicius, Krasnow, Reiss, & Menon, 2003)。被歸為 DMN 的常見大腦區域包含後扣帶回(posterior cingulate cortex, PCC)延伸至楔前葉(precuneus)、側頂葉(lateral parietal regions),及內側前額區(medial prefrontal regions)等解剖位置(圖 3)。目前已有多篇 RS-fMRI 應用於大腦功能老化的研究發現, 隨著年齡增加,大腦前側與後側區域間的功能性連結會顯著降低(Andrews-Hanna et al., 2007; Damoiseaux et al., 2008),顯示老化影響大腦功能性連結的強度。RS-fMRI 取向的相關研究仍在起 步階段,未來的研究可以逐步探討老年大腦功能性連結網路程度的降低,是否與相關認知功能, 例如:注意力(attention)、資訊處理(information processing),以及工作記憶(working memory) 等日常認知能力(Park et al., 1996; Salthouse & Ferrer-Caja, 2003)的衰退有關。

圖3 靜息態功能性磁共振造影的預設模式網絡相關大腦區域

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二、作業相關功能性磁共振造影研究取向

不同於RS-fMRI,TB-fMRI 取向結合認知心理學的實驗研究典範設計,在進行功能性磁共振 造影掃瞄的同時,提供研究對象認知行為作業或感官知覺刺激,並測量特定大腦區域神經元活動 所引發的血氧濃度變化,進而推論與行為表現或認知功能有關的神經機制。在認知神經科學研究 上,其認知作業設計可區分:區組設計(block design)與事件相關設計(event-related design)(圖 4)。區組設計是在 fMRI 實驗進行時,每種實驗情境刺激以群組型態(每個區組時間約 20-40 秒) 呈現,用來提高訊雜比(signal-to-noise ratio)並增加統計檢定能力。而事件相關設計則採取不同 實驗情境穿插出現(interspersed)型態,每個實驗試驗(trial)以隨機方式呈現,用以維持每個試 驗的訊號特性,也避免研究對象預測實驗情境並產生行為適應。 圖4 區組設計範式與事件相關範式圖 註:兩取向皆為168 毫秒,區組設計範式為每 24 毫秒出現刺激,而事件相關範式則以隨機出現刺激。 過去數十年來,TB-fMRI 取向已廣泛應用於研究正常與病理老化議題,例如:輕微認知障礙 族群(Pihlajamaki, Jauhiainen, & Soininen, 2009)、阿茲海默症族群(Pihlajamaki & Sperling, 2009)、 正常老化(normal aging)(Calautti & Baron, 2003; Pantano et al., 2002; Ward & Frackowiak, 2003), 甚至是橫跨不同人類生命週期的整合性討論(Sperling, 2007)。過去文獻指出,相較於正常老化族 群,輕微認知障礙或阿茲海默症者在執行記憶相關作業時,海馬迴功能均呈現較低的活化程度 (Pariente et al., 2005; Sperling et al., 2003)。除了神經性退化相關疾病外,年齡增加亦會減弱大腦 功能。例如:Kleerekooper et al.(2016)為瞭解老化與抑制控制認知能力之大腦功能的關聯,招募 了73 位年齡介於 30 至 70 歲之健康成年人,以 TB-fMRI 取向探討當研究對象進行停止訊號作業 (stop-signal task)時大腦的活化反應。停止訊號作業常用於檢驗一般人的抑制執行功能,研究對 象除要以快速反應刺激外,另還需抑制習慣性反應。研究結果發現,年齡與反應時間呈現正相關, 意即年紀愈大,反應抑制能力較低。而在大腦活化反應上,發現年齡與右側額下回(right inferior frontal gyrus)有顯著負向關聯,意即年紀愈大,神經活化程度愈低。這項研究結果說明年齡增加 不僅認知功能會下降,且其大腦功能亦有減弱趨勢。必須注意的是,許多研究也發現,正常老年 族群無論是在測量語言、工作記憶、動作控制、注意力,及抑制功能等不同認知作業,其大腦的

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活化程度比年輕人較高,尤其是前額葉和頂葉區域(Dennis & Cabeza, 2008; Huang, Polk, Goh, & Park, 2012; Park & Reuter-Lorenz, 2009),反應的可能是因為大腦功能減弱而導致的功能補償效應 (compensation)。 三、身體活動與相關指標間之應用 綜合上述兩種功能性核磁共振照影取向,認知神經科學相關研究已將之應用老化認知功能之 探討。若要將之使用於身體活動與RS-fMRI 大腦功能之相關研究,DMN 大腦網絡或特定腦區連結 性可視為身體活動與改善大腦功能之相關指標。另外,TB-fMRI 的相關研究發現,認知功能老化 與特定大腦區域活動下降有關。其中,大腦前額葉、海馬迴,以及頂葉腦區受老化認知功能影響 頗大,身體活動是否能增加該些區域之大腦活動,值得後續研究持續探討。

身體活動與大腦功能:RS-fMRI 取向

本節將回顧以RS-fMRI 取向探討高齡者的身體活動與大腦功能之關聯。在實驗設計區分上, 分為橫斷式研究(cross-sectional study)與縱貫式研究(longitudinal study)討論,並就心肺適能、 太極拳,及阻力健身運動(resistance exercise)等個面向進行探討。

一、橫斷式研究

(一)心肺適能

心肺適能為身體適能的主要類別之一,其係透過有氧健身運動(aerobic exercise)增加心臟的 帶氧能力。其中,最大攝氧量(VO2 max)為廣泛量測心肺能力之方式,該指標與大腦功能之關聯

已有研究所聚焦。例如:Voss, Erickson, et al.(2010)以 RS-fMRI 取向探討心肺適能與 DMN 大腦 功能的關聯。該研究招募120 位老年人(平均年齡 66.5 歲)與 32 位年輕人(平均年齡 24.1 歲) 進行實驗。所有參與者不僅接受fMRI 掃描,亦接受最大攝氧量的量測來評估個體心肺適能程度。 首先,該研究結果支持年齡相關 DMN 大腦連結性之差異:相較於年輕人,老年人在後扣帶回 (posterior cingulate cortex)、中額回(middle frontal gyrus)、前中額葉皮質(frontal medial cortex)、 雙側中顳葉回(bilateral middle temporal gyri),以及雙側海馬旁回(bilateral parahippocampal gyri) 等腦區連結性顯著較低。將心肺適能變項進行個別差異分析後發現,高心肺適能的老年人在後扣 帶回與前中額葉區間、中顳葉回與左中額回間、以及左中額回與前中額葉皮質間的功能性連結有 顯著提升,提供了心肺適能可能有效改善老化大腦在大腦區域間功能性連結的研究證據。 (二)太極拳 太極拳為一種建立在中國哲理的身心健身運動型態(mind-body exercise),由於其特殊的運動 形式與促進身心健康之連結,此運動已受到學界較大重視。近年太極拳與認知功能之關聯亦開始 被探討,目前已有許多太極拳如何影響認知功能模之提出,提供該正向連結可能之連結(Chang, Nien, Chen, & Yen, 2014; Chang, Nien, Tsai, & Etnier, 2010)。

Wei,Dong,Yang,Luo 與 Zuo(2014)以橫斷式研究比較太極拳組(研究人數 22 位;年齡 52.1 歲;運動經驗約 14.6 年)與控制組(研究人數 18 位;年齡 54.8 歲;均無運動經驗)在大腦 局部功能一致性(functional homogeneity)是否受到太極拳長期訓練的影響。該研究除了讓參與者 實施RS-fMRI 檢測外,亦量測注意力網絡作業(attention network test, ANT)。結果發現,相較於 控制組,太極拳組在右側中央溝後側腦回(right post-central gyrus)(動作感覺腦區)展現較高的局 部功能一致性,顯示太極拳經驗有助於整合來自不同感覺動作相對應的大腦區域;此外,太極拳 組也發現左側前扣帶回皮質區(left anterior cingulate cortex)與右背外側前皮質區(right dorsal lateral

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prefrontal cortex)(注意力控制相關腦區)展現較低的大腦局部功能一致性,此亦顯示太極拳強化 了注意力相關腦區的運作。後續回歸分析更近一步指出,這些局部腦區功能一致性的程度可以預 測ANT 作業的表現。這些結果揭示了太極拳運動不僅能增進老年人在運動控制與感官知覺腦區功 能,亦能有效增強專注力表現。這項老年研究結果提供了特定身體活動如何藉由大腦功能性連結 的變化,進而影響高齡者認知表現的神經機制證據。 二、縱貫式研究 (一)心肺適能/有氧訓練 除上述橫斷式研究已開始進行DMN 探討外,Voss, Prakash 等人(2010)更進一步以長期性身 體活動介入檢驗心肺適能是否可增進DMN、FEN,及 FPN 等大腦功能性連結等網絡的強度。具體 來說,個體之心肺適能提升係透過多次身體活動累積,進而探討其在大腦網絡功能性之變化。該 研究共招募 32 名年輕人與 75 名老年人,以隨機方式將老年人分為有氧健身運動組與控制組。有 氧健身運動組係以 1 年心肺功能訓練進行,而控制組則以相同介入時間進行柔軟度或平衡訓練。 所有參與者於前測、介入後6 個月,及介入後 12 個月進行 RS-fMRI 掃描。由於過去研究指出,增 加大腦連結性與改善執行功能有關(Andrews-Hanna et al., 2007),因此該研究亦量測執行功能作 業,以暸解大腦功能與執行功能之關係。 在RS-fMRI 結果發現,兩組別於介入 6 個月後無任何顯著差異。然介入 12 個月後,相較於控 制組,有氧健身運動組有顯著較高的DMN 與 FE 功能連結性(圖 5)。這項結果建議心肺適能訓練 介入時間長度亦扮演著重要因素,心肺適能訓練需維持12 個月時間,才可能有效促進前額、頂葉、 及顳葉間之大腦網絡功能連結性。另值得注意的是,老年人經心肺適能訓練後,產生與年輕人組 類似之DMN 與 FE 大腦網絡之連結性,意味著身體活動或許可減緩大腦功能老化。此外,後續相 關分析也發現,大腦功能連結性與執行功能有關,顯示提升大腦功能連結性在老年人執行功能表 現的改善上扮演重要角色。 圖5 有氧運動與控制組在大腦連結性之比較 註:橫軸代表不同介入時間;縱軸代表大腦連結性數值,顯著值為 p < 0.05。 左圖:DMN 網絡;右圖:FE 網絡。 不同於過去研究,Burdette 等人(2010)則聚焦於不同大腦區域的探討,並發現心肺功能與海 馬回功能連結性之關聯。該項研究共招募80 位 70 至 85 歲之老年人,以隨機分派的實驗設計分為 身體活動組與控制組。身體活動組係以每週進行 150 分鐘心肺功能訓練為主,而控制組則係以健 康教育演講或輕度肌力訓練(stretching training)為主。經 4 個月介入訓練後,兩組別進行大腦血 流量(cerebral blood flow, CBF)與 RS-fMRI 之量測。CBF 的結果發現,相較於控制組,健身運動 組在海馬回區域有顯著較高大腦血流量。而RS-fMRI 結果則發現,相較於控制組,身體活動組展 現出海馬回腦區與前扣帶回(anterior cingulate cortex)之間較高的功能性連結。由於認知神經科學

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相關研究已顯示,海馬回腦區(掌管記憶與空間能力)受年齡老化影響甚大(Raz, Rodrigue, Head, Kennedy, & Acker, 2004),這項研究發現可作為身體活動有效改善大腦功能老化,特別是長期記憶 與空間能力之直接證據。

值得注意的,許多身體活動能改善大腦功能的機制已被提出。動物實驗發現,身體活動能促 進細胞外神經營養物(extracellular neurotrophin)的生成(Neeper, Gomez-Pinilla, Choi, & Cotman, 1996),例如腦源性神經滋養因子(brain-derived neurotrophic factor, BDNF)或神經生長因子(nerve growth factor)等。該些神經滋養因子可增進突觸連結可塑性(synaptic plasticity),並有效改善認 知功能(Creer, Romberg, Saksida, van Praag, & Bussey, 2010; Pereira et al., 2007)。不僅如此,神經滋 養因子與大腦健康亦有其關聯性。舉例來說,經心肺適能訓練之老年人,不僅提升大腦 BDNF 濃 度,亦使大腦海馬迴區域產生變化(Erickson et al., 2010),顯示身體活動、BDNF、及大腦健康之 關聯性。Voss et al.(2013)進一步確認高心肺適能可提升 RS-fMRI 之連結性,而該效益受到 BDNF 提升所調節。另外,相似結果亦在後續研究獲得支持(Byun & Kang, 2016; Driscoll et al., 2012), 顯示神經營養物質滋養因子可能是身體活動影響大腦功能之重要機制之一。 (二)太極拳與阻力健身運動訓練 實證性研究亦以縱貫式研究針對太極拳訓練進行探討。Tao 等人(2016)招募 62 名介於 50 至 70 歲之健康老年族群,以隨機實驗分派方式分為身體活動組與控制組。而身體活動組又再分類為 太極拳與八段錦(保健氣功)訓練,介入時間共12 週、每週 5 次、每次 60 分鐘,而控制組則不 進行任何身體活動介入。RS-fMRI 研究結果發現,相較於控制組,兩組身體活動組在前額葉與海 馬迴之間的大腦功能性連結強度均顯著增加。類似結果亦在後續研究得到支持,近期Li 等人(2014) 以 6 週太極拳結合認知訓練與團體諮商,探討其在大腦功能之影響。結果發現,相較於控制組, 太極拳結合其他訓練能顯著提升前額葉與顳葉之間的大腦功能性連結。類似實驗設計,Zheng 等人 (2015)的研究則發現,太極拳結合認知訓練與團體諮商亦可提升認知功能表現,且進一步發現 該結合訓練可增進前顳葉回、中顳葉回與後小腦腦區的功能性連結性強度。該研究之後續分析更 發現,增進大腦功能連結性與改善認知表現有其關連性,進一步確認身體活動、大腦功能,及認 知功能間之關聯,以及對健康老化族群的正面效益 。 此外,亦有研究以阻力健身運動型態探討其對大腦或認知功能的影響。阻力健身運動亦稱為 重量訓練(weight training),其係增進骨骼肌肉組織的活化為主要目的。過去已有回顧性文獻指出, 阻力健身運動能有效增加老年認知功能表現(Chang, Pan, Chen, Tsai, & Huang, 2012)。然而,阻力 健身運動對大腦功能則有多樣化之結果,例如Suo,Singh,Gates,Wen 與 Sachdev(2016)並未 發現阻力健身運動的介入訓練可改善大腦功能的研究結果。該研究共招募 100 位健康老年人(平 均年齡:70.1 歲),將所有老年人分為阻力健身運動與認知訓練組、阻力健身運動訓練與觀看影片 組、認知訓練與肌肉伸展組、及觀看影片與肌肉伸展組等四組。6 個月介入訓練前、後,所有參與 者均進行整體認知功能評估測驗、大腦結構磁共振造影掃瞄,以及大腦功能性連結掃瞄。研究結 果發現,包含阻力健身運動之群組均可改善整體認知功能,並且有效提升後扣帶回區域的大腦體 積。不過,該研究僅發現包含認知功能訓練之群組則可增加海馬迴與前額葉大腦區域間的功能性 連結,然在阻力健身運動並沒有發現任何顯著效益。這項研究結果建議阻力健身運動影響大腦結 構,而認知訓練則對大腦功能效益較為敏感。該結果或可說明不同介入方式對促進大腦功能的效 益有所不同,然目前聚焦在阻力健身運動與大腦功能的研究仍然較少,未來需要進行不同運動型 態的磁共振造影研究,確認不同身體活動型態對老年大腦的影響,作為將來發展與設計高齡者適 合的身體活動型態的參考。

身體活動與大腦功能:TB-fMRI 取向

本節以 TB-fMRI 取向探討身體活動對老年大腦功能的影響,並分為橫斷式與縱貫式研究探 討。在橫斷式研究設計上,研究以心肺適能或身體活動量為主。而在縱貫式研究設計上,研究則 以心肺適能訓練或認知型身體活動介入模式為主,進而探討這些身體活動訓練型態對老化大腦功

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能的影響。雖然TB-fMRI 取向可區分為區組設計與事件相關設計,不過在身體活動與大腦功能相 關研究上多採取事件相關設計為多,其原因係避免實驗參與者對認知刺激產生適應而使得無法量 測個體認知功能之可能。 以下即針對每篇研究之研究方法、實驗結果,以及可能的認知神經機制進行討論。 二、橫斷式研究 (一)心肺適能 Colcombe、Kramer、Erickson 等人(2004)是首篇以 TB-fMRI 取向探討心肺適能如何影響老 化大腦功能的研究。該研究分別以橫斷式與縱貫式兩種實驗設計進行研究。在實驗一,他們先以 橫斷式研究量測41 名健康老年人的心肺適能,並在功能性磁共振造影掃瞄同時請研究對象進行旁 側抑制作業(flanker task)量測大腦血氧濃度變化。旁側抑制作業是一項常用來檢驗抑制執行功能 (executive function)高低的認知心理學作業;此作業可分為一致性(congruent)與不一致性 (incongruent)兩種實驗情境。過去的行為研究指出:研究對象按鍵判斷不一致性實驗情境時,為 避免犯錯則需要較高抑制執行能力,比起一致性實驗情境將導致更高的錯誤率與較慢的反應時 間。Colcombe 與同儕的研究結果指出,相較於低心肺適能者,高心肺適能老年人在旁側抑制作業 的不一致性實驗情境上展現較佳的抑制衝突控制能力。此外,高心肺適能老年人的大腦在TB-fMRI 結果上也發現有顯著增加的右側中額回、中央前額回(superior frontal gyrus)、前頂葉(superior parietal lobes)等大腦區域的功能活化,且前扣帶回的區域活化較低。 在實驗二,該研究則以 6 個月的心肺適能介入訓練,以縱貫式研究設計探討對老年大腦功能 的直接影響。研究結果與實驗一相似,也發現高心肺適能的老年人有顯著較佳的抑制執行功能。 此外,這些老年人的大腦功能上也與實驗一的活化結果相似。該研究以兩種實驗設計進行,同時 發現心肺適能可以有效增加前額葉與頂葉等注意力控制相關大腦區域的功能活化,提供了心肺適 能介入與訓練對老年大腦功能有正面效益的直接證據。

使用不同執行功能認知作業,Prakash 等人(2011)則以史初普叫色作業(Stroop task)探討 心肺適能與老年大腦功能的關聯。叫色作業是一種常用來測量個體抑制控制能力的執行功能作 業,其方法主要係讓研究對象針對視覺呈現目標字的「顏色」(例如:紅、綠、及藍色)進行按鍵 或口頭反應,同時抑制目標字本身提供的「意義」。史初普叫色作業同樣也包含一致性實驗情境(顏 色與字義相同)、中性(neutral)情境(以無關顏色的字呈現),及不一致性實驗情境(顏色與字義 完全不同)。該研究控制 70 位老年人之年齡、性別、教育,及口語智力後,行為結果發現心肺適 能與不一致實驗情境的反應時間有顯著負相關(p = -.20)。這項結果意味著兩個重要發現:第一, 高心肺適能老年人有較佳的抑制控制認知能力;第二,相較於簡單情境(意即一致性實驗情境), 心肺適能的正向影響在困難情境(意即不一致性的實驗情境)的效益更為顯著。另在大腦功能活 化的觀察,TB-fMRI 的研究結果指出高心肺適能老年人有顯著較多的大腦前額葉區域的神經活 化,顯示高心肺適能老年人展現了較高的大腦活動模式,因此在執行複雜認知功能作業時,可以 有效提供更多的大腦認知資源來處理。 除抑制執行功能外,雙重作業(dual-task)在近年研究亦受到許多關注。該作業包含認知協調、 注意力維持,及資訊整合等高階認知的執行功能,過去統合分析(meta-analysis)指出雙重作業受 到認知老化的影響很大(Verhaeghen, Steitz, Sliwinski, & Cerella, 2003)。因此,Wong 等人(2015) 設計了數字與英文字母雙重作業的TB-fMRI 實驗來探討心肺適能如何影響雙重作業表現與老年大 腦的活化情形。該研究招募了128 位 59 歲至 80 歲的健康老年為研究對象,在控制了年齡、性別、 教 育 , 以 及 大 腦 體 積 之 後 , 其 研 究 結 果 發 現 高 心 肺 適 能 老 年 人 在 前 扣 帶 回/ 動 作 輔 助 區 (supplementary motor area, SMA)、視丘(thalamus)、基底核(basal ganglia)、雙側感覺皮質區 (somatosensory area),以及中前額葉回等大腦區域呈現較高的功能活化。此外,前扣帶回/動作輔 助區的大腦活化程度與雙重作業的行為表現有顯著正相關。而中介分析結果則進一步指出,心肺

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適能與雙重作業行為表現皆受到前扣帶回/動作輔助區的大腦活化調節,顯示心肺適能對老年人 維持認知協調、注意力等高階認知功能上有正面影響。 然而,有些 TB-fMRI 研究並沒有發現特殊族群在心肺適能的正面效益。例如,Vidoni 等人 (2013)招募 34 位年齡介於 60 至 85 歲的老年人,其中包含 16 位阿茲海默症老年人與 18 位一般 老年人。該TB-fMRI 研究以叫色作業探討心肺適能是否影響神經退化性疾病患者的大腦功能。研 究結果支持過去的發現:健康老年人心肺適能與中前額葉的大腦活化有正相關,且與前扣帶回的 大腦活化有負相關。不過,在阿茲海默症老年人卻沒有發現心肺適能與大腦功能活化的明顯關聯。 探討心肺適能對與老化疾病之間的關聯仍須較多研究支持。然而,由於神經退化性疾病的患者多 伴隨著認知功能的嚴重退化,受限於這些研究對象是否能有效執行受測的認知作業(例如:旁側 抑制作業、史初普叫色作業、雙重作業)。以研究結果而言,本文認為雙重作業難度應用於特殊老 年族群上,相對較為困難。 (二)身體活動量 為了解身體活動量與老年大腦功能的關聯,Kimura、Yasunaga 與 Wang(2013)招募 72 位年 齡介於60 至 79 歲健康老年人參與 TB-fMRI 實驗。這群老年研究對象在進行身體活動時,會配戴 智慧型穿戴裝置,以紀錄3 個月內每日的行走步數與運動強度/時間(exercise intensity/duration)等 身體活動量之資訊。該研究使用任務轉換(task-switching)作業,進而探討研究對象之大腦功能。 作業轉換任務也是一種測量執行功能的認知作業,但是特別強調認知彈性(cognitive flexibility) 在執行功能的重要性。在任務轉換的作業中,研究對象需快速轉移注意力至不同作業任務上。研 究結果發現,老年人每日身體活動量的時間與強度,可以預測任務轉換作業的行為表現。而在大 腦功能活化的結果:每日少於26.4 分鐘中等強度身體活動的老年人,觀察到有左側前額葉與頂葉 區域的大腦活化;而每日高於26.4 分鐘身體活動的老年人,更觀察到左右兩側大腦的背側前額葉 皮質區(bilateral dorsolateral prefrontal cortex, DLPFC)皆有顯著大腦活化。再進行兩群組比較後, 相較於低於26.4 分鐘者,高於 26.4 分鐘身體活動量者仍展現較活躍的左右兩側大腦背側前額葉皮 質區活動,顯示高活動量老年人有較高的認知彈性運用與大腦資源來因應執行功能作業所需的認 知挑戰。此外,為了瞭解日常生活規律性的身體活動,是否能有效延緩大腦功能老化,Zlatar 等人 (2013)招募年輕與老年族群共同參與研究。依身體活動量分為規律身體活動的老年人組(3 年運 動習慣:每週3 次;每次 45 分鐘)、坐式生活習慣的老年人組,及年輕人之對照組。TB-fMRI 採 用語意流暢作業(semantic fluency test)探討老年大腦活化情況。語意流暢作業主要用來量測語言 表達與語意記憶的能力。研究結果發現,規律身體活動的老年人與年輕人大腦活化的狀況相似, 顯示規律身體活動係可延緩因年齡導致大腦功能衰弱的現象;此外,與規律身體活動的老年人組 比較,坐式習慣生活的老年人呈現較低注意力相關腦區的活化,顯示坐式習慣生活對老年大腦有 負向影響。上述研究皆提供了相關證據支持身體活動量對老化大腦功能的正面效益,此結果可提 供高齡化社會改善老化大腦功能的身體活動處方參考,將有助於以預防醫學的積極觀點推廣活躍 老年、降低失能風險並提高身心健康。 此外,身體活動量與老化大腦功能研究,近年來亦有結合基因型態探討研究。分子醫學的研 究已經有明確的證據指出,若攜帶有APOE-ε4 的基因型(Apolipoprotein E-ε4),個體於 60 歲後有 極高的風險將罹患阿茲海默症(Kim, Basak, & Holtzman, 2009)。為暸解身體活動是否能減緩基因 型APOE-ε4 對與大腦認知功能的負向影響,Smith, Nielson, Woodard, Seidenberg, Durgerian 等人 (2011)招募介於 65 至 85 歲的健康老年人,並依照基因型態與身體活動量分為低風險/低身體 活動量、低風險/高身體活動量、高風險/低身體活動量,及高風險/高身體活動量等四個組別, 探討基因型態與身體活動量兩者的交互作用。研究對象在TB-fMRI 實驗中進行名人姓名辨認作業 (famous name recognition task),該作業分為熟悉與不熟悉實驗情境,主要用來量測個體的語意記 憶能力。結果發現,高風險/高身體活動組在熟悉實驗情境時,比較起其餘三組,觀察到顯著的大 腦功能活化。這項研究結果建議,身體活動可以改善基因型態風險對老年大腦功能的影響,且身 體活動對高風險之老年人似乎效果較大。 除正常老年族群外,亦有研究探討身體活動如何改變神經退化性疾病老化族群的大腦功能。 Smith、Nielson、Woodard、Seidenberg、Verber 等人(2011)以 MCI 老年族群作為研究對象,依 身體活動參與情形分為低身體活動組(n = 9,每週進行 2 天或少於 2 天低強度健身運動)與高身

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體活動組(n = 9,每週進行 3 天或高於 3 天中至高強度健身運動)。研究對象在 TB-fMRI 實驗中 採用語意記憶測驗,被要求需分別回憶30 組名人姓名與 30 組一般姓名。研究結果顯示,相對於 低身體活動組,高身體活動組在左腦尾狀核(left caudate)有顯著較高的大腦活化。該結果不僅支 持過去身體活動量能有效延緩老化大腦功能的研究,並將此正面效益延伸至認知老化疾病相關的 族群。 三、縱貫式研究 (一)心肺適能/有氧訓練與協調訓練

Voelcker-Rehage、Godde 與 Staudinger(2011)運用 TB-fMRI 實驗探討不同身體適能訓練對老 化大腦功能的影響。該研究是首次以縱貫式研究設計取向,直接比較不同身體適能指標與老化大 腦功能的關連,並聚焦於年齡介於62 至 79 歲之老年人,以隨機分配至心肺適能訓練組、協調訓 練組,及控制組。心肺適能訓練組以慢跑身體活動為主,起初介入時間長度為35 分鐘,並於三個 月後延伸至 45 至 50 分鐘;協調訓練組則以複雜動作訓練為主,例如:身體平衡、手眼協調、肢 體協調、空間訓練、以及動作反應等;而控制組則進行放鬆練習與基礎肌力訓練。該研究分別在 前測、訓練介入後6 個月、以及訓練介入後 12 個月等三個時間點測量旁側抑制作業。研究結果發 現,兩組身體活動組在12 個月的介入訓練後,在旁側抑制作業的行為表現上有顯著較佳的正確率。 而TB-fMRI 的結果顯示,心肺適能訓練組與協調訓練組兩組分別於 6 或 12 個月介入後,在前額葉、 頂葉,及動作皮質區的大腦活化有顯著提高。此外,心肺適能訓練組與感覺動作控制有關的腦區 有顯著活化,而協調訓練組在視覺空間處理相關的腦區有較高的活化,顯示兩種訓練型態對於大 腦功能皆有正面效益,而訓練型態不同對於老化大腦功能的影響也不盡相同。 此外,Smith 等人(2013)更進一步運用 TB-fMRI 實驗,以縱貫式研究設計進行 12 週健身運 動介入訓練,探討心肺適能訓練是否對MCI 老年族群的大腦功能有正面效益。該研究的身體活動 介入訓練模式以慢跑健身運動為主,訓練內容為每週4 次、每次 30 分鐘的模式,且每次訓練強度 皆會達到50 至 60%儲備心跳率。該研究招募 17 位 MCI 老年族群與 18 位健康老年人進行姓名辨 識作業。結果發現,相較於前測,MCI 老年族群與健康老年人於 12 週的介入訓練心肺適能功能約 提升了10%;而 TB-fMRI 的結果發現,雖然 MCI 老年族群於前測時有較低的大腦活化表現,但介 入訓練後,與正常老年人的大腦功能活化已無差別。這項研究結果顯示MCI 老年族群經過適當的 身體活動介入訓練後,也與健康老年人同樣展現了改善老化大腦功能的正面效果。 (二)認知性身體活動訓練 認知性身體活動訓練是在身體活動訓練內容中搭配認知需求(cognitive demand)。近年 Nishiguchi 等人(2015)使用 TB-fMRI 實驗,探討認知性身體活動介入訓練對老年大腦功能的影 響。該研究以隨機分配方式將48 名老年人分為 24 名身體活動組與 24 名控制組。身體活動組參與 了為期12 週的訓練課程,每次課程包含 15 分鐘基礎肌力訓練、15 分鐘進階肌肉訓練,及 60 分鐘 混合訓練。其中,混合訓練內容更在身體活動訓練中,結合口語流暢作業,或利用數字搭配身體 活動(例如:1 = 右手肩膀、2 = 左手肩膀等訓練方式)。兩組別於前、後測皆進行 N-back 工作記 憶作業搭檢驗大腦執行功能。N-back 工作記憶作業廣泛用於測量執行功能中工作記憶的能力。仔 細來說,研究對象需回憶之前呈現過的視覺刺激(字母或數字),並在間隔短暫時間後,按鍵判斷 接續呈現的視覺刺激是否曾經出現過。研究結果發現,相較於前測,身體活動組於訓練後,在行 為量測上有顯著較佳的工作記憶表現。而在TB-fMRI 結果,相較於前測,身體活動組於訓練後, 在與工作記憶相關的前額葉腦區大腦活動顯著降低,顯示大腦有較佳的處理效率。該研究結論指 出,結合認知性的身體活動訓練,可顯著增進老年人在執行困難認知作業時的大腦活動效率。

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結論與未來方向

研究文獻回顧後清楚發現,身體活動對老年大腦功能可能扮演重要角色。靜息態功能性磁共 振造影研究(RS-fMRI)取向的橫斷式與縱貫式研究都發現,心肺適能對老年大腦功能有顯著正向 的影響。具體而言,相較於低心肺適能者,高心肺適能之老年人增進了大腦功能連結性。此外, 縱貫式研究也發現太極拳訓練亦可增進許多大腦區域之功能性的連結。不過,該正面效益還未在 阻力健身運動訓練上有清楚結論,意味著身體活動型態的選擇也是影響因素之一。綜合來說,本 回顧結果建議老年族群可選取提高心肺適能(如慢走)或太極拳等身體活動,進而改善個體大腦 健康之可能,可做為高齡社會提升日常生活認知能力參考模式。 另一方面,作業相關功能性磁共振造影(TB-fMRI)研究取向的橫斷式研究發現,心肺適能對 老年大腦前額葉區域功能活化有正面影響,顯示高心肺適能之老年人可增進執行功能相關腦區的 大腦活動。另外,在縱貫式研究回顧進一步顯示,高心肺適能不僅影響正常老年族群的大腦功能, 且該正面效益亦延伸至輕微認知障礙老年族群上。除了心肺適能訓練外,協調性訓練亦增加了大 腦功能與活化程度。綜合來說,老年族群不僅可透過心肺適能訓練,或不同身體適能改善老年大 腦功能。另外,對於已有認知障礙之族群,亦可透過身體活動而改善大腦功能,這結果有利將身 體活動作為認知復健課程之有利證據,我們建議政府單位或醫療院所可以倡導身體活動的訓練方 式做為針對神經性退化疾病族群非藥物的治療處方之一。近年始,行動學習裝置已受到各界許多 關注(李漢岳、楊介銘、宋曜廷,2017),若能結合身體活動與認知功能的相關設置,或許能視為 老年族群進行身體活動之額外輔助。 本篇文獻係國內首篇以fMRI 回顧方式探討身體活動對高齡者大腦功能的影響。根據這些最新 研究的發現,本文提供下列幾項建議與未來方向,或可提供國內未來研究者之參考。其一,目前 在老化議題上,僅有少數研究聚焦於神經性退化疾病族群的探討,且過去研究在結論上並不完全 一致,未來運動心理學界可與臨床醫學領域合作,探討身體活動訓練作為改善疾患高齡者在認知、 生理與心理等面向的可能性。其二,過去研究雖顯示不同身體適能型態可對老年大腦功能有所效 益,然該議題目前屬初始階段,仍有許多問題待後續研究進一步釐清。例如:身體適能分為健康 相關體適能與技能相關體適能兩種,而目前研究多以健康相關體適能為主軸,較無法釐清何種身 體適能型態對大腦功能有最佳效益;若相關研究持續進行,將可以提供身體適能如何提升身心健 康的個人化訓練內容,也可作為將來發展與設計高齡者適合的身體活動型態的參考,將有助於身 體適能的推展。最後,目前研究多聚焦在探討身體活動與抑制執行功能的關連,然而,老年族群 也有短長期記憶、決策判斷與邏輯推理等能力的衰退,這些能力與高齡者是否能日常自主生活息 息相關,其他認知類別的影響也是未來研究值得探討的方向,研究成果將有助於以預防醫學的積 極觀點推廣活躍老年、降低老化失能風險並提高個人身心健康。

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數據

圖 1  年齡與全腦容積之關聯。

圖 1

年齡與全腦容積之關聯。 p.2
圖 2  身體活動與大腦健康之研究:以不同分析取向與不同族群進行區分。

圖 2

身體活動與大腦健康之研究:以不同分析取向與不同族群進行區分。 p.4
圖 3  靜息態功能性磁共振造影的預設模式網絡相關大腦區域

圖 3

靜息態功能性磁共振造影的預設模式網絡相關大腦區域 p.5

參考文獻