慢跑、重訓,和高強度間歇訓練,哪一個對大腦最好?

■運動的好處不勝枚舉,但有些運動可能比其他種運動對維持大腦健康更有效呢!

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撰文|駱宛琳

有氧運動(像是慢跑)除了健身,對大腦功能也是好處多多。舉凡學習記憶,或是成人海馬迴處的神經新生(Hippocampal neurogenesis),都能透過有氧運動來強化大腦的結構與功能。在實驗動物與人身上,都發現運動能夠有效增加大腦容量,並且降低因為老化所導致大腦灰質與白質萎縮。而慢跑,更發現能夠促進成人的海馬迴神經新生。

海馬迴是大腦裡主管學習與記憶的重要區塊。在成人的海馬迴,神經細胞可以一直不斷地持續新生:在齒狀迴(Dentate gyrus)顆粒細胞下區(subgranular zone)的神經細胞,能夠自我增生,然後分化為成熟的顆粒細胞,最終被涵括在海馬迴的神經迴路裡。在老鼠研究裡發現,成人海馬迴神經新生對許多適應行為的發展極端重要:像是學習,或是提取、區分一些很相似但又不能一併概括而論的記憶,還有對壓力的反應等。

關於運動對大腦好處的相關研究,多半是以慢跑為主。畢竟在老鼠模型裡,讓老鼠在滾輪,或為老鼠專門設計的「跑步機」上跑步,似乎是最容易付諸實行的方法。而在老鼠研究裡發現,跑步可以讓老鼠腦內海馬迴新增的神經元數量,比都不動的老鼠增加兩到三倍之多。而跑步之所以能夠所誘發海馬迴處的神經元增生,推測是因為可以增加腦衍生神經滋養因子(Brain-derived neurotropic factors;BDNFs)與第一型類胰島素生長因子(Insulin-like growth factor 1;IGF-1),進而提高神經前驅細胞的存活率。

但是,人類跟實驗室裡的老鼠不一樣,我們喜歡的運動種類琳琅滿目又五花八門。其他像是重量訓練與高強度間歇訓練,是不是也能夠像慢跑一樣,能夠在鍛鍊身體的同時,也一起鍛鍊大腦健康呢?在芬蘭University of Jyväskylä,Nokia博士對這個問題非常感興趣,她想要知道是不是每一種運動對於大腦都有同等的效益。

在著手對這個問題進行研究之前,Nokia博士挑養了一群有趣的大鼠。她先讓這群大鼠完成八週的「跑步機」訓練,然後根據每一隻老鼠在這八個禮拜內跑步距離的進步幅度,將老鼠分成「最佳進步組」跟「沒啥進步組」。然後,Nokia博士特意讓「最佳進步組」的老鼠彼此交配,也讓「沒啥進步組」的老鼠彼此繁殖。在經過十五代的「人擇」之後,「最佳進步組」的老鼠在跑步機上的跑步距離從一開始的646公尺,增加到了869公尺。而「沒啥進步組」的老鼠,跑步距離卻從620公尺,下降到555公尺。值得注意的是, 因為只有那些完成訓練的老鼠,能夠拿來繁殖下一代,所以雖然跑步距離在「沒啥進步組」代代下滑。但是,這群老鼠對於運動的意願可一點也不遜色!

而在實驗中,研究人員將「最佳進步組」與「沒啥進步組」的大鼠,各再分成四組,分別模擬三種常見的健身方法:慢跑、重量訓練,與高強度間歇訓練,與不運動的大鼠。研究人員在不運動的大鼠籠子裡提供一些木頭玩具。「重量訓練組」的大鼠,則在大鼠尾巴基部,固定住小鉛塊。然後,讓這些綁有小鉛塊的大鼠爬樓梯。至於「高強度間歇訓練組」的大鼠,則是在訓練前先測驗出每隻大鼠在跑步機上的最快速度,然後訓練的時候,讓這組老鼠在角度設定為十度的跑步機上,先用最快速度的一半跑五分鐘,然後用最大速度的90%跑三分鐘,然後再用最快速度的一半跑兩分鐘,每一次的訓練都會重複這週期三次。

「慢跑組」的老鼠籠子裡,則裝有滾輪,讓大鼠可以隨心所欲地在滾輪上跑步,而且每隻大鼠的跑步距離都有電腦軟體能夠將之偵測與統計。而「重量訓練組」與「高強度間歇訓練組」的大鼠,則是每個禮拜按照設計的訓練課程運動三次。而每一組裡,都大約有快三十隻大鼠。

在七個禮拜之後,研究人員將各組老鼠的大腦海馬迴組織取出,發現各組的神經新生狀態有很大差異。跑步組的大鼠比起不運動的大鼠,新生的海馬迴神經元要多出好幾倍,而且,自主跑步距離愈長的大鼠,海馬迴新生神經元就愈多。「高強度間歇訓練組」的大鼠,比起不運動的大鼠,也有較多的新生神經元,但是比起跑步組還是有明顯落差。至於「重量訓練組」的大鼠,在七週之後,雖然比其他組大鼠都要強壯,但有趣的是,新生的神經元跟不運動的大鼠比起來,並沒有什麼差別。

當然,人跟大鼠不能完全相提並論,但或許,在重量訓練與高強度間歇訓練的健身計劃裡,偶爾可以塞進幾天不一樣的運動方案,去爽快地跑一跑吧!

原始論文:
Nokia MS, Lensu S, Ahtiainen JP, Johansson PP, Koch LG, Britton SL, Kainulainen H. Physical exercise increases adult hippocampal neurogenesis in male rats provided it is aerobic and sustained. J Physiol. 2016 Feb 4. doi: 10.1113/JP271552. PMID: 26844666

參考資料:

  1. Aimone JB, Li Y, Lee SW, Clemenson GD, Deng W, Gage FH. Regulation and function of adult neurogenesis: from genes to cognition. Physiol Rev. 2014 Oct;94(4):991-1026. doi: 10.1152/physrev.00004.2014.
  2. Triviño-Paredes J, Patten AR, Gil-Mohapel J, Christie BR. The Effects of Hormones and Physical Exercise on Hippocampal Structural Plasticity. Front Neuroendocrinol. 2016 Mar 14. pii: S0091-3022(16)30009-7. doi: 10.1016/j.yfrne.2016.03.001.
  3. Ryan SM, Nolan YM. Neuroinflammation negatively affects adult hippocampal neurogenesis and cognition: can exercise compensate? Neurosci Biobehav Rev. 2016 Feb;61:121-31. doi: 10.1016/j.neubiorev.2015.12.004. Epub 2015 Dec 13. Review. PMID: 26695382

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作者:駱宛琳 美國聖路易華盛頓大學(Washington University in St. Louis)免疫學博士,從事T細胞發育與活化相關的訊息傳導研究。

 

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