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基于MRI评估耐力运动员脑结构、功能及血流量的研究进展

【摘要】耐力运动，也称有氧运动或心血管运动，是指那些需要大量氧气参与，

以提高心肺功能和增强心血管健康为主要目的运动。这类运动通常节奏稳定，持

续时间较长。耐力运动诱导的脑结构与功能可塑性存在紧密的联系。同时，耐力

运动会引起不同脑区灌注变化，局部脑灌注与脑代谢紧密耦合，而大脑功能的发

挥依赖于氧气、新陈代谢营养物质的持续供给和脑血流量的主动调节。该文基于

影像学方法对耐力运动员的脑结构、功能及脑血流量的研究现状和进展进行综述。

【关键词】磁共振成像；耐力运动；脑结构和功能；脑血流量；综述

运动是产生大脑结构变化和改善脑血管健康的有效驱动力，这些大脑结构变

化从微观层面上包括了突触的大小和密度、树突分支的复杂程度和范围、胶质细

胞的大小和数量、血管密度以及神经发生的速率［1］；在宏观层面上则表现为

大脑可塑性的变化。脑的可塑性是指脑的结构和功能在经历环境刺激、学习记忆

或身体活动后产生的适应性和重塑性，它是神经系统的重要生理特性，分为结构

可塑性和功能可塑性［2］。神经影像学由于能在空间上反映运动前后大脑的功

能和结构变化，因此有许多学者采用MRI针对不同形式的运动，对运动员的大脑

结构、功能以及血流量的差异展开研究，为运动对大脑的影响提供一些证据。该

文将主要回顾这些研究，旨在为理解运动如何促进和维持大脑网络结构和功能方

面的效率和完整性提供参考，并为运动对大脑影响的未来研究方向进行展望。

一、耐力运动员的脑结构和功能

1.耐力运动员的脑结构：随着神经影像学成像技术的不断发展和广泛应用，

运动神经影像学领域的多位学者对耐力运动员的大脑结构做了许多探索性研究，

结果发现耐力运动训练可以改变额叶、颞叶（包括海马）和小脑等多个脑区的结

构，它们在随意运动、学习记忆以及维持姿势平衡等功能中发挥着突出作用。灰

质体积是指人脑白质表面与软膜表面之间的灰质体积，与脑内神经元数量大致呈

正相关，是研究大脑结构可塑性的主要指标［3］。有研究表明耐力运动员在左

侧额上回及海马旁回具有更大的灰质体积［4--5］。而与久坐的健康对照组相

比，耐力运动员在内侧颞叶具有更大的白质纤维束和灰质体积［5］。Driemeye

r等［6］发现进行运动训练后会增加视觉皮层颞区和扣带回皮层的灰质体积。

以上研究可为耐力运动员和对照者之间的大脑结构差异提供了一些证据，尽管研

究结果显示不同脑区体积变化，这可能与不同类型的运动技能所要求的身体动作

协调有关，从而导致对大脑皮层结构可塑性的不同变化。鉴于上述研究的横断面

性质，笔者无法判断得出的大脑结构差异是由于先天的倾向还是由于长期大量耐

力训练导致的。

除了上述研究提及的与运动相关的脑区，小脑被认为是参与运动控制和协调

的另一个皮层下关键结构，它整合了执行运动动作所涉及的各种结构的神经元活

动，对小脑的研究有助于理解大脑的发育、成熟和结构的可塑性。Park等［7］

在篮球运动员中探讨了小脑可塑性与运动技能水平之间的关系，但该研究未能观

察到小脑结构的宏观可塑性，这与该作者另一项研究结果正好相反［8］。Di等

［9］发现羽毛球运动员具有更大的右侧小脑半球灰质体积，这说明羽毛球运动

专项技能可能与小脑结构可塑性变化有关。而Wenzel等［10］发现，力量型运

动员相较耐力型运动员在小脑前叶具有更大的灰质体积，而小脑前叶被认为是速

度特异性脑区。该研究不仅说明了小脑结构具有可塑性，更强调了小脑在调节运

动速度、编码速度信息方面的重要性［11］。

基于扩散张量成像（diffusiontensorimaging，DTI）数据的脑白质神经

纤维追踪是研究大脑结构的重要方法。DTI是一种功能MRI定量技术，可以识别

更精细的微观结构变化。该技术通过检测人体组织器官的水分子运动方向以反映

脑白质纤维束的各项特征。各向异性分数（fractionalanisotropy，FA）、径

向扩散率（radialdiffusivity，RD）及平均扩散率（meandiffusivity，MD）

等是常用的参数。FA值与脑白质纤维束的完整性呈正相关，较高的FA值还可解

释为脑区之间具有更大的结构连接性；MD值反映灰质神经元的结构变化［12］；

RD值则反映了垂直于轴突束的水分子扩散。FA和MD常作为脑白质微结构完整性

评价指标，FA值的降低和MD值的升高提示神经纤维束存在破坏，RD值升高则与

脱髓鞘有关。Chang等［13］以基底节为ROI，利用DTI比较年轻耐力运动员与

武