近日，BBM实验室邹立业教授和实验室硕士研究生侯美君、张致豪联合全球运动与认知科学领域知名学者在Cell旗下权威医学期刊《Trends in Molecular Medicine》上发表综述论文，探讨了人类多巴胺系统在运动与认知表现关系中的潜在作用，指出个体的身体素质和有规律的身体活动与认知表现正相关，并强调了多巴胺系统可能在其中扮演中介角色。

论文总结了未来研究面临的挑战，包括样本多样化、运动剂量效应、测量方式的多样性、运动干预的时效性，以及24小时活动行为的考量，旨在进一步深化对这一领域神经生物学联系的理解，并为优化运动干预方案提供科学依据。

研究背景

越来越多的研究结果表明，个体的身体素质 ([Physical Fitness]，即体适能) 以及有规律的身体活动 ([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 (Luo et al., 2023; Yu et al., 2021; Yue et al., 2020; Zhu et al., 2021; Zou et al., 2023)。然而，身体活动/身体素质与认知功能关系的神经生物学机制目前尚不明确(McMorris, 2021)。大量动物实验结果表明，大脑的神经递质（如多巴胺）可能在身体素质/身体活动与认知表现之间起中介作用，但针对人类样本的研究结果存在分歧且三者之间的关系有待进一步阐述 (Ando et al., 2024; Jonasson et al., 2019; Sacheli et al., 2019)。由此，邹立业教授受邀撰写及回顾近5年来人类多巴胺系统与运动、认知表现的前沿研究，以期总结多巴胺系统在运动与认知表现关系中的角色。

1.1 身体活动/身体素质、多巴胺和认知表现之间的关联

近年来，人类的身体活动/身体素质、多巴胺系统活动水平与认知表现之间的关系愈发受到关注。例如，一项基于35名健康成年人的横断面研究表明，较高的心肺功能水平与更好的执行功能表现相关，且静息态自发性眨眼率（Resting-state spontaneous eye blink rate:一种反映大脑中多巴胺水平的间接指标）在该相关关系中起到中介作用(Kuwamizu et al., 2021)。其次，对178名健康中老年人的研究发现，更高的身体活动水平与个体尾状核中更高的多巴胺水平以及更好的情景记忆表现相关，而且情景记忆表现与纹状体亚区的多巴胺水平（D2/3DR Availability）呈正相关关系(Köhncke et al., 2018)。再次，身体活动、多巴胺水平和认知表现三者之间的关系在年长的帕金森患者中也得到了证实，并且该研究进一步发现多巴胺系统的活动水平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，横断面的研究结果支持了多巴胺系统在运动与认知表现之间起着中介作用的观点。

1.2 短时有氧运动诱导的多巴胺系统活动变化在身体活动与认知表现之间的作用

研究结果表明，短时有氧运动对于人类认知表现的积极作用受到了多巴胺系统活动水平的影响。例如，一项基于131名健康青少年的随机对照实验的结果表明，与DAT1/SLC6A3多态性的C等位基因携带者相比，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）携带者进行10-14分钟高强度间歇性踩单车运动任务后，其认知灵活性表现的改善程度更佳(Berse et al., 2015)。另外一项研究采用正电子发射断层扫描技术 (Positron Emission Tomography, PET)探究短时有氧运动影响抑制控制能力的神经生物学机制，将招募的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，且在干预前后完成Go/No-Go task [执行功能测试]）(Ando et al., 2024)。研究结果表明，相较于对照条件，运动干预条件下的被试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能力表现呈正相关关系(Ando et al., 2024)。综上所述，短时运动中发现了多巴胺---身体活动---认知表现三者存在相关关系。

1.3长时运动干预诱导的多巴胺系统活动变化在身体活动与认知表现之间的作用

值得注意的是，研究者目前尚不清楚长期运动干预对于人类认知表现中的积极效应是否受到多巴胺水平的影响。例如，一项随机对照实验（N = 54）对比了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。在为期6个月的干预后，耐力训练组被试纹状体内的多巴胺受体活性与工作记忆的表现在干预后均有显著的提升，然而研究者并未发现二者之间的变化值存在显著相关 (Jonasson et al., 2019)。此外，在另一项中老年帕金森患者的随机对照试验（N = 35），进行3个月的运动干预（其中20名为有氧运动单车实验组，15名为对照控制拉伸组），结果表明在有氧运动干预后，由重复经颅磁刺激(Repetitive transcranial magnetic stimulation)所诱导的尾状核多巴胺在实验组个体脑区释放显著增多，而对照组则没有出现这种变化(Sacheli et al., 2019)。此外，在轨迹追踪测验（Trail Making Test）的结果中，两组被试均未发现认知表现在前后测的改善 (Sacheli et al., 2019)。

综上所述，长期运动干预诱导的多巴胺水平---身体活动---认知表现三者之间并没有观察到显著关联。本文作者给出了以下解释：（1）研究者未选择合适的多巴胺特定脑区，如以往研究证明工作记忆的关键脑区为前额叶区而非纹状体，但在上述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）多巴胺系统的活动水平并非身体活动与认知表现之间的唯一中介因素，还需要综合考虑到其他神经递质（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；（3）对于特定的群体（如帕金森病患者）来说，多巴胺系统中神经元和其他生理系统（如神经炎症、胶质细胞）的损害十分严重，因此可能难以被长期运动干预的积极效应所缓解；（4）基因多态性也可能导致不同基因型的个体对运动干预所诱导的多巴胺释放反应有所差异，进而影响认知表现及最终研究结果。

身体活动/身体素质多巴胺系统认知表现研究的机遇与挑战

鉴于多巴胺在诸多方面都很重要，譬如影响儿童青少年认知发展、减缓年长者衰老进程中的认知退化、 以及关联特殊神经退行性疾病的发病机制（如阿尔兹海默症、帕金森病），阐明多巴胺系统对于深入研究身体活动/身体素质与认知表现关系中具有重要作用，不仅有助于我们更深入地理解身体活动/身体素质与认知表现之间的神经生物学联系，而且还可以根据研究成果优化运动干预方案来提升各年龄阶段健康人群的认知表现，并一定程度上减缓由正常衰老或疾病(如轻度认知障碍)引起的认知功能衰退的进程。

以往动物实验阐明了多巴胺系统介导身体活动与认知表现之间的潜在作用。尽管动物模型的研究结果无法直接推广到人类当中，但这些发现加深了研究人员对身体活动与认知表现关联的神经生物学机制的理解。基于此，本文作者详细阐述了未来研究的挑战与机遇：

1) 样本多样化：鉴于现有研究主要聚焦于特定的成人群体（如健康成年人、健康老年人、以及帕金森患者），未来研究可以招募更广泛的年龄范围和更大样本量的被试，以进一步探索人类群体中多巴胺系统的活动变化与运动---认知表现之间的关系。

2) 运动剂量效应：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) 测量方式的多样性：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[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

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。